基于CFD模拟的高层住宅通风效果比较研究——以香港穗禾苑为例

杨 娟，王之昊，田 真

（苏州大学 金螳螂建筑学院，江苏 苏州 215123）

1 香港穗禾苑

巴马丹拿事务所成立于1938年，是东南亚地区内历史最悠久、规模最庞大的建筑及工程事务所。香港穗禾苑住宅小区是由该事务所于1980年设计的经济适用高层公屋住宅，该小区位于沙田东南面山坡上，俯瞰整个沙田市中心，该公屋住宅类似国内的经济适用住宅或者公共租赁住宅，小区内户型可租可售。穗禾苑小区占地9.1万m2，总建筑面积18.3万m2，是香港20世纪70年代末期开始的“居者有其屋”计划下设计最理想的屋苑之一[1]。

如图1所示，穗禾苑建筑群由9栋高层住宅楼、幼儿园、学校、活动中心及商场等组成，每栋住宅楼均为36层。建筑组群采取每3栋住宅楼形成一个组团，3个组团的建筑布局形式相近，采用品字型布局，但品字型开口不同，分别面向东西两个方向开口。9栋高层住宅基本上面向主导风向。各个组团中心庭院的布景形式不同。北边的组团布置了一个健身公园，中间的组团是一个带喷水池的公园，南边的组团设计了一个锦鲤池。微风徐来，花香扑鼻，景色宜人，水声潺潺，提升了建筑的空间品质。

高层住宅的标准层平面每层8户，整个建筑单体平面呈风车状。在每个楼梯间里，走廊端部的两户与走廊边上的一户错开半层。如图1平面图所示，3、6、9、12四户在一个标高上，剩下的八户在一个标高上，错层设计，避开了相邻几户的干扰，营造了私密的入户空间。电梯每三层停靠一次，提高了电梯的工作效率。每层中间的走廊不是封闭的，中间有一个大的公共平台（见图2），可供人们室外活动。在电梯不停靠的两层，楼梯走廊挡板处设置了大圆洞，可供不同楼层间的人们相互对望，增加生活的情趣[2]。作为政府公屋，户型套内建筑面积约37.3～56.6 m2，为2室2厅1厨1卫，或3室2厅1厨1卫设计，户型设计相当经济和紧凑。

穗禾苑设计方案在1981年荣获香港建筑师学会“银奖”。穗禾苑小区虽落成已经近40 a，但由于良好的维护与定期整修，整个小区运行情况良好，完全看不出是一个楼龄接近四十年的经济适用房小区。过渡季节及初夏，小区及室内凉风习习，几乎不用开空调也能达到较好的热舒适度，为人所称道。

图1 穗禾苑总平面图及单体建筑标准层平面示意图

图2 穗禾苑外观及单元公共空间

2 香港穗禾苑风环境分析

根据香港气象数据，夏季工况主导风向为东南风，东偏南22.5°，参考高度处（H=10 m)风速2.7 m/s。冬季工况取主导风向东北风，东偏北 22.5°，参考高度处（H=10 m)风速 2.9 m/s。运用ladybug对香港的气象数据进行分析，探讨香港自然通风的潜能。分析结果如图3所示，在风速大于1 m/s，温度小于32℃，相对湿度处于30%～80%的条件下，香港全年40.82%的时间段具有自然通风的潜能，即在全年8 760 h中有3 576 h可以通过自然通风调节室内温湿度。采用计算流体动力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）的方法对建筑周围风环境状况进行模拟评价，本次模拟采用的是绿建斯维尔公司开发研制的Vent软件 （Open Foam计算核心）。在计算软件Vent进行三维流动数值模拟从而得到建筑周边的流场和建筑表面的压力分布。为了简化模型，对模型做了适当的简化，忽略了部分对风压分布影响较小的建筑构件。为评价不同组团开口对风环境影响，分别对南部的东向开口组团及中部的西向开口组团进行单独分析。

图3 香港自然通风潜力分析图

2.1 Vent CFD 模拟软件

目前CFD计算方法方法主要采用有限差分法和有限体积法。一般情况下，两者的数学本质及其表达是相同的，只是物理含义有所区别，有限差分基于微分的思想，有限体积基于物理守恒的原理。Vent2016软件采用有限体积法，同时采用压强校正法（SIMPLE）处理连续性方程，将运动方程的差分方程代入连续性方程建立起基于连续性方程代数离散的压强联系方程，求解压强量或压强调整量。Vent CFD计算需要将CFD数学模型中的高度非线性的方程离散为可用于求解的方程，这个过程需要用到差分方法。Vent采用二阶迎风格式对方程进行离散，二阶迎风格式的准确性可满足一般流体模拟计算的要求[3]，同时满足《建筑通风效果测试与评价标准（JGJ/T 309-2013）》对于模拟算法的要求。

2.2 香港穗禾苑建筑组群通风效果分析

速度场主要是查看人行高度处风速分布情况，根据评价要求，方便评价是否有超过5 m/s的情况。该项目模拟结果如图4-图7所示。

图4 南部组团东向开口夏季东南风速度矢量及风速系数放大图

图5 中部组团西向开口夏季东南风速度矢量及风速系数放大图

图6 南部组团东向开口冬季东北风速度矢量及压强云图

从夏季的模拟结果来看，东向开口组团及西向开口组团建筑周边行人高度处夏季室外风速有小部分区域低于0.5 m/s，场地风速均低于5 m/s，场地内各栋建筑交界处因为峡谷风效应，使得风速较快，风速放大系数可能大于2。模拟中未包括小区绿化树木模型，实际情况下小区内部绿化环境优美，可通过乔木与灌木结合能够合理引导风的流动，减小风速放大系数，消除不利情况。从结果对比情况来看，东开口组团由于迎向夏季东南风向，使得各栋建筑室外都有较好的风环境，静风区域较小，而西开口组团因为最北面建筑处于东南及南面两栋建筑的影响，静风区域较大。在各栋单体建筑中，因为风车型的平面布局，使得中部的开口及边翼的展开起到了较好的“捕风”功能，促进了夏季风的流动。另外建筑建筑师设计了一条南北方向的主要风廊以及东西向次要的风廊，以此通过风廊来进一步导风到各个住宅户型单元。

在室外活动场所，每个组团都增添水景设施或者采用渗水路面或者绿化砖，减少了局部热岛效应[4]。大部分建筑前后存在一定压差，满足《绿色建筑评价标准》中的夏季建筑前后风压压差大于0.5 Pa的规定[5]。

压力场主要通过不同高度处的压力分布等值线图以及建筑表面风压分布图来进行评价和计算建筑迎风面和背风面的压力差。从冬季的模拟结果来看，整体上室外行走空间风速不超过5 m/s，大量的乔木与灌木结合能够合理引导风的流动，减小风速，消除不利情况。由于香港主导风向是东风，穗禾苑布局排列方式造成9栋高层建筑都是迎风建筑。所以在冬季建筑迎风面和背风面压差较大，不利于冬季保温，不可以确保冬季建筑前后压差不大于5 Pa，因此应重视东侧建筑和高层建筑的东向外窗气密性。西部开口组团南侧建筑因处于背风处，整体风速较低。从夏季及冬季建筑组团分析情况来看，东向开口3栋建筑均处于可迎风情况，而西向开口冬夏季总有一栋建筑处于背风处。因而东向开口整体室外风速较为均匀而且风速放大系数较小而占优，但是优势并不明显，因此整体上两种组群布置方式差别不大。

2.3 穗禾苑建筑组群通风方案比较

由于穗禾苑小区属于政府公屋，在整体上需要节省用地并降低成本，因此如何实现最小占地以及最小的公摊面积的要求使得建筑师创造性地设计了一个风车型的建筑平面，同时利用公共走道连接各户型。整体上，穗禾苑的平面布局能够改善空气质量，提高室内外新鲜空气的流通，促进自然风循环，营造出高品质的通风环境。错层设计使建筑各个方向均匀设有开口，不仅避免了相邻几户的相互干扰，而且中间的公共平台与通风廊道起到了引导风向的作用。穗禾苑的建筑平面设计中有一条南北向主要通风廊道，可以通过改变通风廊道的方向，分别通过旋转平面的最简单方式来调整通风廊道的方位来评估其他方案的优劣。方案一，将平面镜像，使通风廊道的进风方向和出风方向与现有情况恰好相反；方案二，把平面顺时针旋转90°，使主通风廊道呈东西向布置，与该区域冬季主导风向几乎保持一致。

从图8图9与图4对比看，旋转90°后夏季室外通风情况为最佳，室外风速放大系数最小。其主要原因在旋转后东南角通风开口与风廊道最大，侧翼展开距离也最大，因而通风潜力与“捕风”能力也最大，在室外可提供更好的通风环境。另外从图9风速矢量图可以看出，呈品字型排列的三栋建筑内风廊处风速流向比较统一，而现有设计及镜像方案中三栋建筑通风廊道内风速流向各异。

从图10、图11与图6对比看，方案一与方案二均比现有设计更好。主要原因是通过现有平面的镜像或者旋转90°，使得建筑组团东北角面向东北风的开口更大，因而冬季的主导风可通过风廊顺利输送到建筑下风侧，可以减少迎风面风压，从而减少冬季迎风面门窗的冷风渗透。

图8 方案一夏季东南风速度矢量图

图9 方案二夏季东南风速度矢量图

图10 方案一冬季东北风压强云图

图11 方案二冬季东北风压强云图

3 穗禾苑建筑单体室内风环境分析

从以上模拟结果可知，整体上穗禾苑具有良好的自然通风效果，但也存在着夏季局部区域风速偏低，同时各栋建筑冬季东北风风压较大。现有设计与方案二（旋转90°）相对镜像方案更佳。现有设计与旋转方案的室内风环境云图与空气龄图见图12、图13。

从图12图13模拟结果和图14室内换气次数统计结果，可得出如下主要结论：

（1）现有设计与旋转方案夏季室内主要空间通风状况良好，空气换气次数高。在夏季室外风速为东南风2.7 m/s的情况下，12个户号室内换气次数为39～181 ACH，平均换气次数达到了89 ACH。

（2）无论是现有设计还是旋转方案，建筑西北角即图1平面图中的户号10、11和12因为处于整个户型平面的负压区，虽然建筑平面设置了连廊作为风廊，但是因为所处的位置不佳因而换气次数比其他户号小。户号3与6亦因东南侧被遮挡，换气次数低于迎风侧户号。

（3）整体而言，现有设计与旋转方案在夏季室内通风情况差距较小，但旋转方案冬季室外整体风压较小。通过对各户的夏季室内换气次数比较（见图14），可以发现，旋转户型90°后，提升了部分换气次数较低户号的室内换气次数(户号1、6、8、11、12)，因而在风速较小的条件下可提升室内通风换气量，因而比现有设计更优。

图12 设计方案夏季东南风室内风速云图与室内空气龄图

图13 旋转90°方案夏季东南风室内风速云图与室内空气龄图

图14 现有及旋转方案夏季各户号室内换气次数

4 结语

巴马丹拿设计的风车形的穗禾苑户型，住宅楼内部都有一条通风廊道。从CFD模拟结果可以看出，通风廊道的设计比以往设计方案中的封闭走廊，室内外通风效果要增强很多。针对风车形户型平面，可通过户型平面凹入与凸出，利用通风廊道，采用的“通风”与“捕风”的方法来组织高层住宅走廊的气流，减少风影区的覆盖区域，使得建筑周围获得相对较好的自然通风环境。这种布局能够引导气流斜向进入建筑群内部，减少气流的阻力，能够使气流流线间距拉长，有利于高层住区的通风，加强了室外的自然通风能力。同时，如果让通风廊道与冬季室主导风向一致，东北风不会在建筑墙面向上大量聚集，使外墙压强减小，减少冷风渗透量，有利于冬季的保温防寒效果。

从对比方案的模拟结果来看，当住宅楼内部主要通风廊道与该区域主导风向在一个方位上，可改善建筑组群内风环境，加强室内自然通风，因此采用旋转后的公共风廊道布局方式比现有方案更优。当然该建筑建于上个世纪八十年代，当时基于CFD计算的分析方法还未开始，而在今天通过基于CFD模拟的住宅风环境比较与优化方法获得了更为广泛的认可。

自然通风是高层住宅设计中改善室内环境舒适度的一种有效手段，不同的规划布局、窗口布置、窗户选型以及室外绿化都会对小区和室内的风环境产生一定的影响[6]。因此，在进行方案设计时，通过CFD模拟分析与比较，可更好地将自然通风与建筑设计相结合，有利于实现更好的建筑室内外自然通风。