湘北地区高层住宅室内风环境实测与改善研究＊

蒋依雯，段源珂，尹东衡

（南华大学松霖建筑与设计艺术学院，湖南 衡阳 421200）

0 引言

随着我国人口居住需求增大和用地紧缺，越来越多的高层住宅拔地而起，在经济发达的湘北地区更明显。湘北地区是夏热冬冷地区的典型代表，在高速建设时期，许多已建成的高层住宅并未对住宅的舒适度进行详细的研究与设计，根据走访与调查高层住宅居民发现，许多住户存在通风不畅、夏季环境闷热等不良状况。这无疑会导致舒适度下降，空气净化设备费用增加，不符合绿色节能发展理念，且如今新冠疫情的袭扰也使人们需要良好的室内通风环境，保持室内空气换气次数达到标准，改善室内风环境，提高室内风速迫在眉睫。

目前学术界也有很多对风环境的研究，如司睿等[1]运用Phoenics软件量化模拟冬夏两季典型日的典型时刻在不同围合度下室外环境空气速度；李向玲等[2]运用CFD模拟技术对体育馆方舱医院进行改造；张能等[3]以风环境评价标准为依据，基于CFD数值模拟分析对青岛某校园风环境进行优化；赵予等[4]针对成都地区，通过CFD模拟技术对不同布局形式的教学楼室外风环境进行模拟分析

高层住宅室内风环境影响因素的外界条件分为：室外风速大小，室外风速夹角、距地高度；内在影响因素分为：层高、窗墙比、进深面宽比。本文将分析湘北地区高层住宅室内风环境的影响因素并进行整理，以为改善高层住宅室内风环境提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

湘北地区年平均风速2.1m/s，风速最大出现在8月份，为3.0m/s，年最多风向为西北风和西风，出现频率为11.7%，其次为东北风和北风向，出现频率分别为11.4%和11.1%，最少风向为东南风和东风，占总风向的2.8%，静风出现频率为1.6%。本次研究随机抽取湘北地区某高层住宅，并在其中抽取3个套型作为试验研究对象。

1.2 研究方法

本次试验充分利用CFD流体力学分析软件对室内风速进行测试。首先通过实地测绘获得楼栋具体平面尺寸和高度信息，并对抽样套型的平面尺寸进行测量与绘制。并利用3Dmax绘制楼栋模型，如图1所示，然后将模型导入Phoenics软件并进行风环境设置，根据模拟结果记录各试验套型窗户所对应的风压值大小。绘制各抽样套型模型，准确设置进风口和出风口的位置和大小，如图2所示。利用上一步记录的风压值赋予进出风口，用Phoenics对室内风环境进行计算，对室内抽取5个测试点，并记录平均值作为室内平均风速测试值。

图1 研究小区的基本模型

图2 样本套型平面

通过单一变量的方式分别改变室外风速大小、风速夹角、距地高度，以及套型层高、窗墙比、进深面宽比，保持某个变量不变，然后在不同条件下测试室内平均风速值，记录试验数据后利用SPSS对试验结果进行分析并得出影响湘北地区室内风速的主次要因子和其正负相关性。

2 试验有效性检验

利用多功能手持微压差计，在现场抽样套型的进风口和出风口进行风压值测试，9-A套型南进风口测量值为-2.375 682Pa，北出风口模拟值-4.158 353Pa，9-A的南进风口模拟值为-2.496 627Pa，北出风口模拟值-4.234 521Pa，偏差值分别为5.09%和7.61%。再利用风速计对抽样套型室内平均进行测试，取得平均值为0.295 285m/s，Phoenics测试结果如图3所示，模拟平均值为0.339 021m/s，数据偏差12.8%，满足试验有效性要求，可进行下一步影响因子的模拟研究试验。

图3 室内风速有效性检验

3 试验过程

3.1 样本概况

通过实地测量与信息的整理，对比各住宅套型的建筑特征信息。选取其中9-A套型样本进行阐述。

3.2 试验步骤

运用实地测量的住宅信息建立模型，将模型导入Phoenics进行室内风环境模拟，通过不断改变模型数据，求得室内风环境最优良时的参数概况。

3.3 CFD模拟试验

本文分别取层高、窗墙比、风向夹角、进深面宽比、距地高度5个因子，以单一变量原则进行试验。

先采用原始数据，使用层高为3.0m，窗墙比为0.264，风向夹角为0，进深面宽比为0.505，距地高度为30m的模型进行室内风环境模拟，得到室内平均风速为0.339 021m/s，室内风速云图如图4所示。

图4 初始套型风速云图

3.3.1 层高

现保持其窗墙比、风向夹角、进深面宽比、距地高度不变，增加其层高至3.1m，室内平均风速为0.342 500m/s；增加层高至3.2m，室内平均风速为0.341 417m/s。

初步判断室内平均风速随着建筑层高的增加而增加。为验证此关系，再将层高调节至2.8m，得到室内平均风速为0.329 831m/s。测试结果如图5所示，可看出室内平均风速与层高成正相关关系。

图5 不同层高工况下室内风速云图

3.3.2 窗墙比

在不改变层高、风向夹角、进深面宽比、距地高度的情况下，调整套型窗墙比，分别将窗墙比调至0.277与0.33，得到平均室内风速分别为0.354 924，0.331 638m/s。测试结果如图6所示。因此得出结论，室内平均风速与窗墙比没有相关性。

图6 不同窗墙比下的风速云图

3.3.3 风向夹角

同样通过单一变量的试验方法，在不改变其他变量的情况下，分别调整风向夹角为30°和45°的套型模型进行室内风速模拟，得到室内平均风速分别为0.465 254，0.502 419m/s。测试结果如图7所示。由此推断，室内平均风速随着风向夹角的增大，整体呈缓慢上升趋势。

图7 不同风向夹角下的风速云图

3.3.4 进深面宽比

在不改变其他因子的情况下，改变进深面宽比，分别设置0.453和0.544两个变量，可得到在比值为0.453时，室内平均风速为0.351 876m/s，比值为0.544时室内平均风速为0.339 021m/s。测试结果如图8所示，由此可看出，室内平均风速随进深面宽比的增大逐渐减小，呈负相关关系。

图8 不同深面宽比下的风速云图

3.3.5 距地高度

通过控制单一变量的试验方法，在距地高度上分2组试验，通过室外风压测量，保持每个通风口风压一致，分别对距地高度24m和36m的标准套型进行室内风速测试，得到室内平均风速分别为0.293 864m/s与0.339 021m/s。可看出，将距地高度调至24m时，室内平均风速明显减小，调至36m时，平均风速与30m时相差无几。测试结果如图9所示，由此可看出，室内平均风速与距地高度呈正相关，在30m之后趋于平缓。

图9 不同距地高度下的风速云图

4 试验结果

通过对试验结果对比与分析，可得出室内平均风速与层高呈正相关，与窗墙比无明显相关性，与风向夹角呈正相关，与进深面宽比呈负相关，据此提出对湘北地区高层住宅室内风环境改善的建议。针对湘北地区高层住宅室内风环境，层高与进深面宽比对室内平均风速影响较大，风向夹角与距地高度影响较小，窗墙比与室内风速无相关性。因此在设计高层住宅时优先考虑增加层高与减小进深面宽比，其次考虑风向夹角与距地高度，从而在节能减排方面达到最优解。