青岛市某小区室外风环境模拟及评价

文/山东建筑大学热能工程学院 张泽超 杨 冬

中建八局第四建设有限公司 林 鑫 贾云鹏

0 引言

随着城市化进程加速，住宅小区建设迅速推进，人们越来越追求生活舒适度，关注点集中于建筑布局与风、光、热、声环境。目前，我国正全力推进绿色城市、低碳城市建设，而建筑风环境是室外物理环境品质的重要指标[1]，良好的外部风环境有助于自然通风[2]，降低环境污染，提高空气品质，保障居民健康。建筑风环境影响人们在室外环境的舒适度，王艺[3]基于CFD软件对济南市某小区进行风环境中的模拟研究，昝池等[4]对住宅区进行冬季建筑风环境分析，但上述研究多基于单个季节的风环境分析，未结合小区整体冷期与热期的风环境考量，故有必要对小区建筑外部风环境展开全面研究。

传统风洞试验和模型试验花费较多且试验周期较长，利用计算机软件进行风环境模拟（CFD）是近年来新兴且极重要的风环境研究办法，具有方便快捷的优势，能极大节约试验时间与成本，排除人工采集试验数据的影响，可使试验结果更精确。

目前针对住宅小区风环境的研究较少，本文通过CFD软件对沿海城市青岛市某典型住宅小区进行冬夏两季室外风环境模拟研究，针对试验结果进行建筑外风环境分析，验证小区设计合理性，并提出少许改善建议，为类似工况的建筑外部风环境考量提供一定依据。

1 研究内容

1.1 项目概况

项目位于山东省青岛市即墨城区西出入口，地理位置为北纬36°，东经120°，地块形状为通风效果较好的矩形地块[5]，容积率2.50。规划建设20栋住宅建筑，1栋物业用房与1栋幼儿园建筑，建筑高度与层数如表1所示，项目鸟瞰如图1所示。

表1 建筑高度与层数

图1 项目鸟瞰

1.2 模拟软件

研究基于HY-CFD软件，HY-CFD是以BIM或CAD模型为基础，以计算流体力学类库OpenFoam作为模拟引擎的室内外环境模拟分析类软件，可用于优化设计方案，复杂的计算流体力学知识转变为简单的按钮操作和参数输入。

1.3 小区模型构建

建立模型时对小区表面进行简化，仅保留形体外部凹凸变化[6]；计算域选取过大或过小均会导致计算结果出现偏差，在综合考虑计算时间与流场发展的情况下[7-8]，参照JGJ／T 449-2018《民用建筑绿色性能计算标准》中建模域与计算域的确定原则[9]，x，y，z方向上放大倍数均取4H，取得计算域尺寸大小1257.51m×1123.98m×409.25m（长×宽×高），最终得到的网格总数为2209385。

1.4 环境条件设置

采用山东省青岛市气象资料，依据G B 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中的气象参数，如表2所示。

表2 青岛市气象参数

1.5 其他计算参数设置

选择合适的湍流模型可最大限度模拟真实的流场数值，本次选择RNGk-ε湍流模型，原因在于住宅小区空气流动为低速湍流[10]，空气可视为不可压缩，气流与建筑物形成限制流，而RNGk-ε模型对于有壁面约束的限制流预测结果较为准确，试验结果更吻合风洞试验；梯度风类型选择为指数型，地面粗糙度指数为0.22，步长设置为1，迭代次数设置为1000次。

2 模拟结果分析

2.1 冬季模拟结果

导出软件模拟数据，得到该小区距地面1.5m处人行区的风速云图、风速放大系数图、风压图及空气龄图，图中颜色由蓝到红代表数值的逐渐增大（见图2～5）。

图2 冬季风速

图3 冬季风速放大系数

图4 冬季风压

图5 冬季空气龄

根据模拟结果可见，在青岛市冬季典型风气象参数下，正迎风面建筑表面及2栋楼体中间过道处出现“角部效应”和“狭管效应”，风速较大，这些区域不适宜人员长期逗留。小区距地面1.5m处人行区，约有87%的区域风速小于5.0m/s，人行高度区域通风顺畅，冬季风环境较好，这些区域满足标准要求，基本不影响人体舒适度；大部分区域风速处于1.0～3.0m/s与4.0～4.5m/s之间，处于人体舒适度范围要求内，不需采取控制措施。由图3可知，计算域内绝大多数区域的风速放大系数均小于2，风速放大系数超越2的区域面积占比不足1%，依据GB/T 50378-2019《绿色建筑评价标准》得1分[11]。除冬季迎风面建筑前后压差较大外，其余建筑迎背风面压差均小于5Pa，依据标准得1分。根据图5，可得出该建筑群空气龄分布较均匀，空气无明显滞留，空气品质良好。

为保证冬季防风保暖要求，街区内部风速相对保持较低水准，同时为保证污染物及垃圾异味的疏通，须保持在1m/s以上的风速，经综合考虑，以1～5m/s的风速区间为优，该小区风速区间在1～5m/s的区域约占总面积的78%。该小区冬季风速较大区域均出现于建筑迎风面2栋楼之间的过道与楼角处，原因为来流叠加所形成的湍流风；总体约9%区域出现风速小于1m/s状况，主要集中于建筑背风面楼体中部位置，这些区域因建筑物本身阻挡了冬季寒风，但风速过小导致区域排风不顺畅。

2.2 夏季模拟结果

导出软件模拟数据，得到该小区距地面1.5m处人行区的夏季风速云图、风速放大系数图、风压图及空气龄图，图中颜色由蓝到红代表数值的逐渐增大（见图6～9）。

图6 夏季风速

图7 夏季风速放大系数

图8 夏季风压

图9 夏季空气龄

在青岛市夏季风气象参数下，1.5m处人行高度区域风场较流畅，建筑物周边人行区的风速均小于5.00m/s，最大风速4.97m/s，处于合理范围内，弱风区较少，较适合室外活动，且1.5m处的风速放大系数均小于2.0，满足《绿色建筑评价标准》要求，得2分。夏季最多风向情况下建筑前后静压差均大于5Pa，有利于夏季通风换气，改善室内热环境，一定程度上降低夏季空调能耗，满足50%以上外窗室内外风压差大于0.5Pa，得1分。建筑区域内空气品质良好，空气龄分布均匀。

从总体上看，约7%区域会出现风速小于1m/s状况，主要集中于建筑物背风面两侧，这些区域的存在导致通风不顺畅，影响行人舒适度，在风速较小情况下，区域热岛效应增强，积热增多，使该区域的夏季空调能耗增大，导致能源浪费，可通过建立微型通风廊道的方式，将附近风流引入无风区，改善该区域的通风效果，同时可减弱区域热岛效应，在一定程度上降低夏季空调能耗负荷，增加该区域住户的舒适度。小区内C1，C5，C9，B1，B4，B5号楼迎风角部及楼与楼之间的狭窄街区易出现较大风速，原因是夏季南向平行来风遇障碍楼体风速减小，水平方向来流与下行气流相互叠加于建筑物表面形成迎风面的湍流风，出现“边角大风现象”。最大风速出现于C1，C5两楼之间的狭窄过道，依据文丘里效应，流体通过狭窄的断面会导致流速增大，因此在两楼狭窄过道处风速达到峰值，此处风速较大，不适于人员长时间逗留。小区C9，B5楼西侧为较宽阔的大路，因此气流更易抵达，而这两栋楼东侧有楼体阻挡气流，因此楼外风速分布出现西大东小的特点。

3 结语

本文通过使用计算机进行CFD模拟仿真，对青岛市即墨区某小区住宅建筑外部风环境进行模拟评价，得出以下结论。

1）从模拟结果可知，该小区总体风环境良好，冬季与夏季皆可保持区域内部85%以上的风速区间处于1～5m/s，冬夏时间无风区域占比小于2%，在常规冬夏季室外风环境参数下，除迎风面外，其余区域并未出现明显的高风速或风流漩涡，表明该小区结构布局相对合理。

2）该小区冬季建筑北向迎风面楼体边角与楼间过道风速较大，基于此，有必要采用在小区北向增加实心围墙、种植树木、增加建筑保温层的措施，控制风速，减少冬季冷风对住户的影响。该建筑室外风环境基本满足规范要求，评分为5分。

3）构筑优秀的建筑外部风环境是改善居民舒适度的重要方法，通过CFD软件对建筑外部风环境进行仿真模拟，可在设计之初为建筑群的布局提供一定参考，为建设舒适节能的住宅建筑区提供理论依据。