基于CFD某住宅区的风环境模拟分析

2022-03-22张泽超贾云鹏

黑龙江科学 2022年4期

张泽超，贾云鹏，林鑫

(中建八局第四建设有限公司，山东青岛 266000)

建筑室外风环境是城市微环境的重要组成部分[1]，能极大地影响行人的安全和舒适度[2]，已引起了人们的高度重视[3]。德国工程师协会于20世纪发布了标准VDI13787，提出了城市风环境评估方法及策略[4]。日本建立了综合评价体系CASBEE，将建筑通风及城市通风纳入了评价体系[5]。我国对于建筑室外风环境的研究起步较晚，暂无通用的风环境统一标准。昝池[6]等对徐州市某小区进行了冬季建筑风环境评价，蔡丽蓉等[7]基于CFD技术进行了赣南地区住宅风环境模拟系统设计研究。

建筑室外风环境的测评方法一般包括风洞试验、模型试验及CFD数值模拟，其中风洞试验和模型试验的成本较高，耗时较长。随着计算机技术的发展，计算流体力学在建筑通风模拟领域的应用变得越来越广泛，采用CFD数值模拟技术对建筑室外风环境进行测评可极大地降低测试成本，缩减评价周期。以潍坊市某常规板式住宅区为研究对象，采用CFD工具模拟计算其室外风环境，依据绿建手册进行一定的评价。

1 研究内容

1.1 模型构建

本项目位于潍坊市某小区，共有六栋26层住宅建筑，最高高度为80 m，容积率为2.5。从气候分区来看，潍坊市属于寒冷地区、温带季风气候。使用HYBPA2019软件中的风模块进行外部风环境的模拟分析。进行建筑模型建模时，在综合考虑建模准确性与计算时间耗时的前提下，仅进行大体轮廓建模，保留建筑外部形体的凹凸变化。计算域方面，根据绿建计算标准中对计算域设置的相关规定，来流区域设置为4 H距离，侧流区域为2 H距离，尾流区域为6 H距离，顶部区域3 H距离，其中H为建筑群中最高建筑高度。

1.2 参数设置

来流梯度风采用指数函数梯度风；地面粗糙度指数取0.3；计算域两侧边界与计算域顶部边界均选定为为滑移边界；湍流模型采用标准 k-ε模型；算法方面采用SIMPLE算法；压力松弛因子为0.3，速度、湍动能、湍动能耗散率的松弛因子为0.7，空气龄的松弛因子为1.0；迭代次数为2 000次。

2 模拟结果分析

2.1 夏季模拟结果

软件计算完成后，输出所有报表，图片中由蓝到红表示数值逐渐增大。

夏季1.5 m高度处风速云图及风速放大系数图如图1、图2所示。依据《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019，在潍坊市典型风速和风向参数条件下，从云图上可以看出，Z=1.5 m人行高度区域风速在 0.00～4.43 m/s，风速小于5 m/s区域占比100%，不会影响室外正常活动，无风区域很少，有利于污染物的扩散，其风速放大系数均小于2，依据绿建标准可评分为3分；从云图3上可以看出，夏季所有建筑前后表面静压差均在0.5 Pa以上，符合绿建规范，有利于室内良好的自然通风，在一定程度上减少了空调能耗，依据绿建标准，可评分为2分；从图4上可以看出，空气龄数值良好，空气无明显的滞留，夏季通风状况良好；汇总所有建筑的迎背风面风压分布，如图5、6，依据绿建标准进行达标判断，总体风压分布达标率为98.71%，仅有极少数的位置风压差未达标，总体上的结果基本符合《绿色建筑评价标准》中对于风压差的规定。

图1 风速云图

图2 风速放大系数图

图3 风压云图

图4 空气龄图

图5 迎风面压力分布

图6 背风面压力分布

2.2 冬季模拟结果

从云图7、8可得，1.5 m人行高度处风速在 0.00～7.22 m/s，约有7%的区域出现了风速大于5 m/s的情况，多集中于楼体边角处，形成边角大风现象，风速过大，会影响人的室外正常活动；风速放大系数最大值为2.4，从图中可知，约有10%的区域出现了风速放大系数大于2的情况，依据绿建标准，评分为1.5分左右；从云图9上可以看出，除建筑迎风面第一排建筑外，其余建筑前后表面静压差也有大面积大于5 Pa的现象，影响居民的居住舒适度，加大采暖能源的消耗，评分为0.5分；从云图10上则可以看出，除建筑背风面受尾流影响，空气龄数值较大外，其余地点空气龄分布较为平缓，空气无明显滞留，通风效果良好；汇总所有建筑的迎背风面风压分布，如图11、12，依据绿建标准进行达标判断，总体风压分布达标率为37.65%，小区冬季风压达标结果很差，需要采取相关措施进行改善。