基于CFD 模拟的住宅小区风环境的优化研究

2020-11-23姚昊翊任昕瑜张海麟云南师范大学能源与环境科学学院云南昆明650504广东工贸职业技术学院广东广州50000

绿色建筑 2020年3期

姚昊翊，吴笛，任昕瑜，张海麟（.云南师范大学能源与环境科学学院，云南昆明 650504；. 广东工贸职业技术学院，广东广州 50000）

当前，我国城市的快速发展及人口的迅速膨胀使得很多城市新建了大量住宅小区发达地区在土地资源十分宝贵的情况下，大多数只能采取紧凑型（高容积率、高建筑密度）的开发模式。这种模式虽然有利于提高能源的利用率，但可能会恶化住宅小区周围的小气候[1]，通风不畅便是恶果之一。住宅小区室外风环境的好坏关乎小区的宜居性，住宅小区布局的优化有利于改善空气质量，促进污染物消散。随着“绿色建筑”概念的推广，住宅小区风环境已成为评价“绿色建筑”等级的一个重要指标，促使国内外学者对风环境进行了大量的研究[2]。国内研究者总结了 4 种理想化的城市住宅小区布局模式，整理风环境模拟数据得出住宅小区容积率与风环境的变化规律[3]。有的研究者通过实际测量及调查居住区的室外风环境，提取出不同容积率、不同建筑密度、不同空间高度的典型布局模式，通过风环境的模拟评估来探讨能够提升居住区环境品质的规划策略[4]。马来西亚学者 Tetsu Kubota[5]等人通过风洞实验研究了居住建筑形态和风速的关系，研究结果显示在同样的容积率和建筑密度下，高层公寓的平均风速比都高于独立式住宅。

总体而言，之前的研究主要采用风速、风压指标来评价风环境的好坏[6]，模型多采用理想状态下的行列式、错列式、围合式等较为单一的布局模式来研究[3,7]，较少涉及与住宅小区规划设计密不可分的容积率、建筑密度等指标，很少关注风速比和风速不均匀系数这两个风环境评价标准。为了更好地分析住宅小区室外风环境与住宅小区布局模式的关系，本文以风速比和风速不均匀系数作为评价指标，以夏热冬冷地区住宅小区为例，采用 AirPak 软件对该地区不同容积率和建筑密度的小区进行数值模拟。旨在探索住宅小区布局模式与风速比、风速不均匀系数之间的定量关联规律，探讨如何在保证土地使用效率前提下促进住宅小区风环境优化，为住宅小区布局规划策略提供一种思路。

1 住宅小区风环境的评价和数值模拟方法

1.1 风速比评价方法

风速比评价标准中，引入风速比 Ri作为风环境舒适度参数来评价风环境的优劣。风速比 Ri反映了由于存在建筑物的干扰而引起建筑物周围风速变化的程度[3,8]。Ri＞ 1 则表示气流通过该点以后，风速被放大了，通风增强；如 Ri＜ 1则表示气流通过该点以后，风速被减小了，通风变弱[9]。风速比的计算公式如式（1）所示。

式中：Ui—该处建筑物附近流场中i点位置行人高度处（1.5 m 高）的风速，m/s；

Ui0—空旷处流场i点位置行人高度处（1.5 m 高）的风速，m/s。

由于大气边界层满足“水平均匀性”，Ui0等于行人高度处（1.5 m 高）的来流风速，

因此，理论上来流风速可取任意值[10]。

1.2 风速不均匀系数评价法

小区内部气流组织的好坏可直接影响小区通风的效果，其中，风速不均匀系数是气流组织性能的评价指标之一[11]。均匀的风速给人更加舒适的感觉，可增强小区内部的安全性。该方法是在所研究的区域内选取 n 个测点，分别测得各点的风速，其算数平均值计算公式如式（2）所示。

均方根偏差如式（3）所示。

不均匀系数如式（4）所示。

由此公式求得的风速不均匀系数越小，表示该区域的气流分布越均匀，舒适度越高。

1.3 数值模拟方法

本文采用 AirPak 软件对长沙地区高层和低/多层不同布局模式的小区室外风环境进行了数值模拟研究，空气流湍流模拟采用 k-ε 湍流模型，网格为非结构化网格。空气流为理想流体，入口边界采用速度入口边界条件[12]。本研究中地面粗糙指数为 0.22，边界层厚度为 370.0 m。在模拟模型中建筑物周围行人高度处（1.5 m 高）均匀选取 50 个测点，计算出 50 个测点的风速比并建立频率分布直方图和散点图进行分析，更直观地呈现出住宅小区在不同平面布局情况下室外风环境的优劣状况。

2 模型的建立

对住宅小区室外风环境进行数值模拟时，首先需建立一个有限的三维计算域。结合相关文献中计算域的经验取值范围，确定计算域左、右边界相隔建筑群边界的距离分别为模型宽度的 3 倍，迎风向距离为模型宽度的 3 倍，出流面和建筑下风向距离为宽度的 6～9 倍，模型比例 1:1[13]。计算域大小的确定对数值模拟计算结果有影响。其次确定计算域各边界的边界条件，从而模拟实际的风环境流动场。

3 容积率与建筑密度

容积率是住宅小区的关键指标，关乎居住品质。一般而言，在建筑层数一定的情况下，小区容积率越大，绿地率就越低，代表建筑密度相应提高，住户的居住环境随之变差。反之，小区建筑层数不变的情况下降低容积率，绿地率就会提高，居住区环境就会得到改善[14]。

住宅小区建筑群的组合方式受到容积率及城市天际线的影响，建筑高度及建筑密度有一定的变化。高层建筑和低/多层建筑组合布局的建筑群与高度差别不大的建筑群相比，环境条件有很大不同。研究发现，建筑物周围风环境的影响因素除了有建筑物所处地区的地理位置和气候环境，还包括建筑物的平面形式、高度、建筑物之间的距离及相对位置的排列[15]。由于风速随着建筑物高度的增加而不断增大，高层建筑和低层/多层建筑的组合布局方式直接影响群体建筑之间的风场变化。不同建筑物在同一空间相应区域内各自形成不同气流场，相互之间产生干扰[16]。

4 建筑密度与容积率对风环境的影响

4.1 建筑密度与容积率对平均风速比的影响

本文选取 16 个容积率和建筑密度不同的实际工程案例作为研究对象，用 AirPak 建立小区布局模型。在小区内部行道、中庭、边庭等行人经常到达之处，均匀选取 50 个测点，测点距离地面 1.5 m 处，即行人头颈部位能感觉得到风的位置。分别以 N、NE、E、SE、S、SW、W、NW 8 个方向为来流方向以进行各个案例小区的室外风环境模拟，统计8 个风向下 50 个测点的风速，以得到各个项目的 400 个测点风速数据。

根据模拟结果计算出各测点的风速比，进而求出平均风速比。平均风速比区间为[0,2.1]，以 0.1 为区间间隔值。整理后结果如表 1 和表 2 第二列所示。统计结果中，风速比 Ri越大，说明测试点的通风越好。当测试点的风速 = 入流风速（即无模型时该点的风速）时，风速比 =1；风速比＞ 1 的时候，说明该点的风速较入流风速有增大。

表 1 低/多层住宅小区的技术经济指标、风速比和风速不均匀系数统计表

表 2 高层住宅小区的技术经济指标、风速比和风速不均匀系数统计表

由表 1 及表 2 第二列可知，低/多层建筑组合的住宅小区风速比 R 值分布比较集中，平均风速比 R 相对较小；高层建筑组成的住宅小区风速比 R 值分布较为分散，数值跨度更大，平均风速比 R 较大。其中，高层建筑组成的住宅小区风速比超过 1 的测点数量显著增多，表明该模拟区域内实际风速＞来流风速的地方增多。以建筑密度作为 X 轴，以平均风速比 R 作为 Y 轴，整理并绘制出以上 16 个工程项目的散点图如图 1 所示。

图 1 低/多层和高层小区建筑密度与平均风速比关系图

如夏季时住宅小区内部风速过低，人们就更容易感到潮湿闷热。尤其是我国位于长江中下游的夏热冬冷气候区，夏季高温高湿，低风速的情况下无法良好地散热除湿，将会影响人们的舒适度，甚至损害健康。相反，住宅小区内部风速过高会增强行人的吹风感，舒适性降低，严重的将引发危害，因此，在常年静风的地区不宜设置大量高密度的低/多层建筑组成的住宅小区。但在大风频率较高的地区要考虑采取适当降低建筑高度、加大建筑密度或者种植高大乔木等措施来帮助冬季防风。

同时，在具有同样的地理条件、气象条件和建筑密度的地区，高层建筑组成的住宅小区风速要＞低/多层建筑组成的住宅小区。

综上所述，相对于低/多层住宅小区，高层住宅小区在规划设计时由于建筑密度小而更容易形成集中的开放空间（如公共活动场地等），方便构造通风道/区，因此高层住宅小区更容易获得通畅的室外通风。但出于经济效益的考虑，低/多层住宅小区内建筑密度更高，且内部道路更加精细曲折，使得住宅小区内部风速降低，甚至导致整个小区风环境恶化。值得注意的是，高层建筑周边更容易形成巷道风和边角大风，增大风速不均匀系数，降低小区内局部行人的舒适度，甚至引起风害。

4.2 建筑密度与容积率对风速不均匀系数的影响

同样选取以上 16 个不同容积率和建筑密度的实际工程项目建立模型，计算 50 个测点、8 个风向共 400 个测点行人高度处（1.5 m 高）的风速。模拟结果中得到的测点风速经过整理并计算出所有测点在各风向下的算数平均值，再求出各测点风速的均方根偏差，最后计算出各案例内部的风速不均匀系数，整理结果如表 1 及表 2 第三例所示。统计结果中，风速不均匀系数越大，说明测试点风速越不均匀，可能造成舒适性的下降。

由表 1 及表 2 第三列可知，低/多层组合的住宅小区风速不均匀系数K值分布区间略小于高层建筑组合住宅小区，最终得到的平均风速不均匀系数 K 也较小，表明区域内风速没有发生突变，较均匀舒适。用以上 16 个项目的建筑密度作为横坐标 X，用计算出的平均风速不均匀系数 K 作为纵坐标 Y，绘制散点图如图 2 所示。

图 2 低/多层和高层小区建筑密度与风速不均匀系数关系图

图 2 中，X 轴表示住宅小区的建筑密度，Y 轴表示小区内部各测点的平均风速不均匀系数。由此可知，一个住宅小区无论是由低/多层建筑组成抑或高层建筑组成，建筑密度都反比于平均风速不均匀性，即随着建筑密度的增大，平均风速不均匀系数减小。即，住宅小区建筑密度越大，小区内部的气流分布越均匀。高层住宅小区的内部平均风速不均匀系数＞低/多层住宅小区，即高层住宅小区内部的风环境变化更大，气流分布不均匀，行人在小区内部行走忽而无风忽而有强吹风感等不舒适体验的可能性更大。