邯郸市高层居住区室外风环境数值模拟研究

田 芳 吕臣洋

(河北工程大学建筑与艺术学院，河北 邯郸 056038)

0 引言

就我国现阶段而言，政府对城市高层居住区风环境欠缺关注，建筑规划设计者对高层建筑风环境认识不足，从而在设计过程中忽略了室外风环境的影响。建筑室外风环境不仅对人们的身体健康、人身安全有重要影响，而且是居住环境舒适度、建筑节能的重点考虑因素。优良的室外风环境有利于加强污染物扩散，提高居住环境舒适度及室内自然通风质量，高层居住区风环境评价越来越被人们所关注。

1 邯郸市某高层小区概况

整个地块基本为平行四边形布局(见图1)，综合容积率3.26，绿化率35.8%。小区内共布置了10栋住宅，其中最高的住宅层数为32层(高97 m)，最低住宅层数为26层(高80 m)。

2 邯郸市气候特征

邯郸属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，春季、夏季、秋季盛行南风，而冬季则盛行北风。在中国建筑气候区划中，邯郸属于寒冷地区，建筑风环境应满足冬季防风，夏季通风的要求。由于风具有脉动特征，以瞬时风速作为参考具有一定局限性。因此，本文采用平均风速来进行研究，选取风频最高的风向作为模拟风向。

根据中国气象数据网对邯郸地区1981年—2010年的风速、风向统计，春季(3月～5月)是一年中平均风速最大的季节，平均风速可达3.1 m/s；夏季(6月～8月)平均风速为2.4 m/s；秋季(9月～11月)平均风速为2.2 m/s；冬季(12月～2月)平均风速为2.1 m/s。因此，根据邯郸地区1981年—2010年风向和风速的统计结果，确定了2个模拟工况(见表1)。

表1 模拟工况

3 高层居住区室外风环境模拟步骤

3.1 模拟软件的选取

随着计算流体力学(CFD)以及计算机的快速发展，常用的CFD模拟软件有Fluent,Phoenics,Star-CD,Airpak等。与其他软件相比，Phoenics具有功能强大、可信度高、模拟结果可视化、计算效率高等优势。因此，本文采用Phoenics 2015软件作为小区室外风环境的模拟工具。

3.2 计算模型的选择

标准k-ε湍流模型在低速湍流数值模拟中应用广泛，模拟精度较高，在室外风环境模拟方面具有较好的适用性。因此，本文选用标准k-ε湍流模型作为计算模型。

3.3 计算区域设定

选取计算域顶部与目标建筑顶部之间的距离为5H(H为建筑群中最高建筑的高度)；建筑群边界与侧边界距离为5H；入流边界与建筑边界距离为5H；出流边界与建筑边界距离为10H。建筑覆盖区域小于3%；最大阻塞率小于3%。

3.4 网格划分

采用由密变疏的渐变式网格划分方式，建筑表面划分较密集的网格，最大尺寸不超过3.5 m。从建筑所在区域至计算域边界，网格尺寸按照1.1的尺寸比逐渐增加，人行高度处网格在地面以上第3个网格以内，计算网格数量为1 224 250个。

3.5 边界条件

1)来流面梯度风。

本文采用指数律风剖面来描述风速变化规律。其表达式为:

其中，z为距离地面的高度；z0为参考高度(一般取10 m)；u为高度z处的平均风速；u0为参考高度z0处的风速；α为地面粗糙度指数，根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范规定，地面粗糙度指数取0.22。

2)出口边界：由于出流面的风场流动已充分发展，所以将出口压力设置为大气压。

3)两侧与上空边界：采用自由滑移表面。

4)建筑壁面与下垫面：建筑壁面与下垫面采用无滑移边界,由于壁面附近层流粘性作用影响加强，通过壁面函数法对标准k-ε模型进行修正。

3.6 迭代收敛标准

1)迭代残差减小到10-4以下。

2)流场中有代表性监视点的值恒定或变化不明显。

4 高层居住区室外风环境评价标准

评价风环境优劣主要是根据人的感受来确定的，根据GB/T 50378—2014绿色建筑评价标准中第4.2.6条，场地内的风环境要对室外行走、建筑自然通风以及活动舒适有利。其中风环境评价的总分值为6分，根据以下规则分别评分、累计：

冬季典型风速、风向条件下，按照下面的规则分别评分、累计：

1)建筑四周人行区域的风速低于5 m/s，同时室外的风速放大系数低于2，获得2分；

2)除了迎风面第一排建筑以外，其他建筑迎风面和背风面的风压差不超过5 Pa，获得1分。

在夏季及过渡季的典型风速、风向条件下，按下面的规则分别评分、累计：

1)若场地内的活动区域没有静风区或者涡旋存在，获得2分；

2)一半以上的可开启外窗的室内外表面的风压差超过0.5 Pa，获得1分。

5 高层居住区室外风环境模拟评价

5.1 冬季工况

5.1.1风速分布云图

冬季工况下(北风2.1 m/s)1.5 m高度处风速分布图见图2。小区室外人行高度处风速基本在3 m/s以内，北出入口风速明显，最大可达3.28 m/s，满足要求。

但小区北出入口风速放大系数为2.37，室外风速放大系数超过2。因此，行人可能会在北出入口因风速突变而产生不舒适感。

5.1.2建筑表面风压分布图

研究表明，随着建筑前后风压差越来越大，冷风渗透造成的采暖负荷也随之增加，不利于节约采暖能耗。根据冬季工况下(北风2.1 m/s)建筑迎风面与背风面风压分布图(见图3,图4)，住宅迎风面与背风面风压差基本在5 Pa以内，但处于迎风第一排的1号，2号楼风压差较大。

5.2 夏季工况

5.2.1风速分布图与风速矢量图

邯郸夏季炎热，加强通风是提高室外环境舒适度的必然选择。根据小区夏季工况下(南风2.4 m/s)1.5 m高度处风速分布图(如图5所示)，小区东北部绿地基本处于风阴影区，风速在1 m/s以下，人几乎感觉不到风的存在。

从小区风速矢量图(如图6所示)来看，东北部绿地有涡旋出现，影响污染物消散，可能会对居民身体健康造成一定影响。

5.2.2风压分布图

自然通风对缓解室内热环境有重要作用，良好的自然通风有利于营造舒适的物理环境，节约制冷能耗。通常，建筑前后风压差越大越有利于室内自然通风。小区夏季工况下(南风2.4 m/s)迎风面与背风面风压分布图见图7，图8。住宅前后压差基本大于0.5 Pa，其中，4号，5号，8号，10号楼风压差较大，自然通风效果更好。

6 结语

本文结合邯郸地区实际情况，对高层居住小区室外风环境进行研究，运用Phoenics 2015软件模拟了小区冬季、夏季的风速与风压，分析了小区风环境优劣情况，主要得到以下结论：

1)居住区室外风环境状况直接影响着居民的生活，它不仅与当地气候有关，而且与建筑形体和规划布局等有紧密联系。从模拟分析可以看出，居住区规划布局不仅需要建筑师有丰富的规划设计经验，而且还需要结合CFD模拟。

2)冬季小区室外风环境基本满足舒适性要求，但由于北出入口形成了峡谷效应，可能会因风速突变的缘故 令行人感到不舒适，应引起规划设计者的重视。

夏季小区东北部绿地不仅通风不好，而且产生了涡旋，导致污染物扩散困难。室内自然通风基本满足要求，其中，4号，5号，8号和10号楼自然通风效果更好。

3)这个居住小区的风环境有不足之处，需要在分析评价的基础上，做进一步的优化设计，从而在一定程度上弥补该住宅小区恶劣的风环境，提高人居环境舒适度，实现保护环境的目标。

经过综合考虑，建议在小区北出入口处种植高大的乔木；提高1号和2号楼门窗的气密性，并加固玻璃、窗框和遮阳设施；划分风速区域，然后放上警示牌来提醒行人尽可能在风速舒适区域活动。

[1] GB/T 50378—2014,绿色建筑评价标准[S].

[2] 郭 威，张 悦.计算风工程中模型的边界条件研究[J].空气动力学学报，2016，34(4):530-535.

[3] 李魁山，王 峰，赵 彤，等.城市超高层建筑群人行区风环境舒适性研究[J].绿色建筑，2012(5):16-18.

[4] 李晓颖，顾祥红，赵剑峰.大连市某医院建筑室外风环境的数值模拟分析[J].大连大学学报，2016，27(3):1-6.

[5] 庄 智，余元波，叶 海，等.建筑室外风环境CFD模拟技术研究现状[J].建筑科学，2014,30(2):108-114.