绿色建筑与风环境设计融合的计算流体力学模拟技术应用研究

关键词：计算流体力学；绿色建筑；风环境；数值模拟

前言

随着全球气候变化的加剧和人们对可持续发展理念的深入认识，绿色建筑已成为现代建筑设计的重要趋势。绿色建筑不仅关注建筑的功能性和美观性，更注重在全生命周期内对环境的影响和资源的高效利用。其中，风环境设计作为绿色建筑的关键组成部分，对于提高建筑的能效、改善室内空气质量、减少能源消耗具有重要意义。然而，绿色建筑的设计和实施过程中，风环境的影响往往被忽视。实际上，风环境对建筑能耗、室内环境质量以及绿色植物的生长等方面有着重要的影响。因此，将风环境因素纳入绿色建筑的设计中，是实现绿色建筑的关键环节。计算流体力学（ComputationalFluid Dynamics，CFD）作为一种数值模拟分析手段，能够模拟空气流场，预测建筑围护结构的各项热工与空气动力性能，为绿色建筑与风环境设计提供科学依据。因此，在这一背景下，研究创新性地将计算流体力学模拟技术应用于绿色建筑与风环境的融合设计中，并对绿色建筑周围的空气流动进行精细模拟，以研究风环境对建筑热环境、空气质量以及植物生长的影响。同时，研究开展参数化分析，讨论建筑几何形态、开窗位置等因素对室内外风环境的影响规律，以期提高绿色建筑的生态效益。

1基于绿色建筑与风环境的融合设计

1.1绿色建筑布局对风环境的影响

风环境是指建筑物周围或室内外的空气流动状况，它对建筑物的环境舒适、视线景观、建筑空间利用等各方面都产生重要影响。风环境问题主要涉及风速过大、气流组织不良、风向问题等，如果不注意风环境，可能会影响人们的舒适感和健康。因此，在建筑设计中，需要综合考虑各种因素，设计合理的风环境，以提高人们的生活质量。风速与行人舒适度的相关性见表1。

从建筑选址的微观角度考虑，为了实现冬季防风和夏季及过渡季节的通风舒适，应选择地形和周边环境优良的选址，通过道路、绿地、湖泊和河流等空间将风引向建筑区域内部，以避免地形等因素导致的空气滞留或风速过大。另外，空气流动受温差的影响很大，因此，可以通过适当配置建筑周围不同表面温度的区域，比如水面、绿地等不同的地面覆盖物。除了考虑建筑周边的环境，建筑地形的选择也对建筑选址和风环境营造有着紧密的关系。在条件优越的地形条件下，可以通过最大化地优化建筑布局来实现风环境的优化设计。

1.2融合绿色建筑与风环境的设计

1.2.1融合绿色建筑水面与风环境的设计

水体因其独特的热容特性在建筑环境中扮演着重要角色。由于水体与建筑区域内其他物体形成不同的温度场，这就导致周围空气产生热压差，进而影响气流。在阳光辐射强烈的白天，水体的热容量大于石头和土壤，导致建筑和地面快速升温。这会在地面上方形成密度较小的热空气，使得水体上方的空气向地面流动，形成水陆风。到了夜晚，水体的降温速度小于建筑和地面，地面上密度较大的空气便会向水体流动。这种由水体形成的水陆风，不仅影响了建筑的风环境，还调节了建筑周围的温度场。水面对建筑选址以及风环境的影响主要有两方面：一是水面对空气湿度的调节作用；二是水面对地面气温的调节作用。水面的蒸发能够增加空气湿度，从而改善干燥的气候环境。同时，水面具有巨大的热容量，可以在日间吸收大量热量，夜间慢慢释放，从而调节地面气温，减小地面与空气之间的温差，改善风环境。因此，绿色建筑设计时需要充分考虑水体的存在，利用对风环境的调节作用，改善建筑的微气候环境。例如，可以在建筑附近设置水体，如湖泊、池塘、喷泉等，或者在建筑的屋顶或阳台设置绿色屋顶和雨水收集系统，以利用雨水对建筑进行冷却和湿度调节。

1.2.2融合绿色建筑地形与风环境的设计

地形，如山地和坡地等非平原地形，在风环境的影响中起着重要的角色。这种影响主要体现在两个方面：主导风向与地形的关系以及山地热压差形成的山谷风效应。对于山地来说，常常可以区分为迎风坡和背风坡。迎风坡是面向主导风向的山坡，这里的风速通常大于背风坡，并在山脊处达到峰值。这是由于气流被截面挤压，进而增加压力，导致风速加快。山脊因其截面面积小，从而导致气流速度增大，这就是文丘里现象。反之，背风坡位于主导风向的下风向，这里通常会形成涡流区。与此同时，山地也会与水体一样，受到阳光和地形的综合影响，形成热压差。这就导致了所谓的山谷风效应。白天，向阳坡受到太阳辐射的影响，温度升高，气流顺着山坡向高处移动，形成上升山谷风。而在夜晚，由于缺少太阳辐射，地表降温，山坡上方的冷空气顺势下沉至山谷，形成下降山谷风。在绿色建筑的设计和选址中，地形的影响是不能忽视的。一方面，地形可以形成风向和风速的变化，这有助于空气污染物的扩散和迁移，保证建筑的室内空气质量。另一方面，利用地形变化，可以节省土方工程，形成高低错落的优美布局，提高建筑的观赏性，符合绿色建筑的理念。因此，充分融合地形与风环境的设计，是实现绿色建筑与环境和谐共处的重要手段。

2基于流体力学模拟的融合绿色建筑与风环境设计的验证

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一种运用数值分析和算法来研究和解决流体动力学问题的科技手段。在建筑领域，CFD可以模拟和分析建筑物群体及其周边环境的风场情况，预见风速、风向和涡流等特性，为建筑设计提供科学依据。因此，此研究将采用CFD模拟技术，模拟并分析不同设计方案下的风环境效应，从而验证设计方案的合理性和优势。研究选择了并列式、错列式、斜列式、围合式和自由式五种建筑布局方式作为五种不同的工况，通过CFD技术模拟出了各工况下的风环境，并进行了比较。不同工况下的风环境对比如图1所示。从图1（a）中可以看出，在五种不同的工况下，平均风速都低于1.02m/s，这属于人体舒适的风速范围。在自由式的布局中，最大风速比达到1.94，相较于并列式、错列式、斜列式和围合式的布局方式，分别提升了6.18%、8.24%、7.21%和4.63%。从图l（b）中可以看出，在自由式布局中，舒适风区面积的占比最大，达到了71.02%，相较于并列式、错列式、斛列式和围合式的布局方式，分别提升了12.64%、15.78%、11.15%和18.95%。综上所述，从舒适性的角度考虑，在绿色建筑风环境设计中，自由式建筑布局的表现最佳。

为了分析验证地形对风环境的影响，针对四种不同的建筑布局：行列式、错列式、斜列式和围合式，研究设置了平原地形和山地地形两种场景，模拟了在这些不同地形下的风速，不同地形下的风速相对变化比如图2所示。从图2中可以看出，平均风速的曲线与室外风速放大系数的曲线几乎一致。其中错列式地形的平均风速相对变化比最大，达到了31.25%。与行列式、斜列式以及围合式地形相比，分别提高了6.88%、6.25%和11.58%。从最大风速角度来看，错列式地形的最大风速相对变化比也是最大的，为28.50%。相较于行列式、斜列式以及围合式地形，分别提高了1.70%、5.74%和8.83%。

为了更清晰地观测不同地形影响下建筑布局的风环境，研究对各地形下建筑布局的风速进行了统计，不同地形下的建筑布局风速对比如表2所示。从表2中可以看出，在山地地形中，无论是平均风速、最大风速还是室外风速放大系数，都显著大于平坦地形。对于平均风速，以围合式地形在山地环境中的风速最为明显，达到了1.35m/s。而在最大风速方面，行列式地形在山地环境中的风速最大，数值为2.36m/s。在室外风速放大系数方面，围合式地形在山地环境中的放大系数最高，值为1.23。因此，考虑平均风速和室外风速放大系数，在山地环境中的围合式地形将是更合适的选择。

3结束语

为了优化绿色建筑的性能和生态效益，分析了绿色建筑布局对风环境的影响。针对水面和地形与风环境的关联进行研究，使用了CFD进行模拟验证。结果显示，自由式布局在风速方面表现最佳，最大风速比达到1.94，较其他布局方式提升了4.63%至8.24%。舒适风区面积占比最大，达到71.02%，较其他布局方式提升了11.15%至18.95%。在所有地形中，错列式地形的风速相对变化比最大，平均风速相对变化比达到31.25%，最大风速相对变化比达到28.50%，分别较其他地形提升了1.70%至11.58%。围合式地形在山地环境中的风速表现优异，平均风速最大，达到1.35m/s；室外风速放大系数最高，达到1.23。行列式地形在山地环境中的风速最大，达到2.36m/s。绿色建筑与风环境设计的融合，对提升风环境的舒适度和安全性有积极效果。