Study on the Wind Environment Simulation and Optimization Based on the Evaluation Standard for Greening Building —Taking the Commercial District in Baise City of Guangxi Province as an Example

管毓剛 陳 宏 甘月朗

GUAN Yugang, CHEN Hong, GAN Yuelang

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從《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》看建筑風(fēng)環(huán)境模擬與優(yōu)化的思路*——以廣西百色某商業(yè)綜合體為例

Study on the Wind Environment Simulation and Optimization Based on the Evaluation Standard for Greening Building —Taking the Commercial District in Baise City of Guangxi Province as an Example

管毓剛 陳 宏 甘月朗

GUAN Yugang, CHEN Hong, GAN Yuelang

摘 要運(yùn)用流體模擬計(jì)算軟件Fluent對(duì)廣西百色地區(qū)某商業(yè)綜合體進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬，并結(jié)合《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/ T50378-2014）進(jìn)行分析判定，對(duì)于夏季工況風(fēng)環(huán)境不佳的狀態(tài)提出優(yōu)化思路，以期為類似項(xiàng)目的綠色設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞CFD；風(fēng)環(huán)境；綠色建筑；性能模擬；環(huán)境優(yōu)化；建筑設(shè)計(jì)

管毓剛, 陳宏, 甘月朗. 從《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》看建筑風(fēng)環(huán)境模擬與優(yōu)化的思路——以廣西百色某商業(yè)綜合體為例[J]. 西部人居環(huán)境學(xué)刊, 2016, 31(01): 119-123.

* 華中科技大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金資助項(xiàng)目（2015QN057）

Abstract:Fluent, a CFD software, could be used to calculate wind environment simulation of a commercial district in Baise city of Guangxi Province. The results are analyzed based on the Evaluation Standard for Greening Building. The simulation method is discussed in detail, and some suggestions for wind environment optimization are put forward, which might be helpful for similar research.

Keywords:CFD; Wind Environment; Green Building; Performance Simulation; Environment Optimization; Building Design

0 引 言

城市下墊面人工化現(xiàn)象嚴(yán)重，城市中心區(qū)雜亂無(wú)章的建筑次序，嚴(yán)重影響城市內(nèi)自然通風(fēng)。城市內(nèi)部較好的自然通風(fēng)有助于緩解城市“熱島效應(yīng)”。本文運(yùn)用流體模擬計(jì)算軟件Fluent對(duì)廣西百色地區(qū)某商業(yè)綜合體進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬，并結(jié)合《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50378-2014）[1]進(jìn)行分析判定，對(duì)于夏季工況風(fēng)環(huán)境不佳的狀態(tài)提出優(yōu)化思路，以期為類似項(xiàng)目的綠色設(shè)計(jì)提供參考。

建筑群將改變風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。建筑群的外形、尺寸及地形關(guān)系與周邊風(fēng)環(huán)境關(guān)系密切。如果建筑群設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致，風(fēng)速放大系數(shù)過(guò)大，將使人感覺(jué)不舒適。如果風(fēng)速放大系數(shù)過(guò)大的區(qū)域出現(xiàn)在建筑物的出入口、通道、樓臺(tái)等區(qū)域，則會(huì)使得附近行人的極度不舒適。如果建筑周邊的風(fēng)場(chǎng)，存在較大渦流區(qū)或無(wú)風(fēng)區(qū)，則在該建筑周圍由于汽車尾氣、空調(diào)外機(jī)等產(chǎn)生的廢氣、廢熱則得不到緩解，城市熱島效應(yīng)則會(huì)加劇。因此，在建筑與規(guī)劃初期，應(yīng)對(duì)建筑群體周邊的風(fēng)環(huán)境狀況進(jìn)行模擬與分析，優(yōu)化建筑及規(guī)劃的布局情況[2]。

在《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50378-2014）中，規(guī)定了風(fēng)環(huán)境優(yōu)化的具體要求，可以作為風(fēng)環(huán)境優(yōu)化的指導(dǎo)性意見，具體條文如下。

“第4.2.6條 場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)環(huán)境有利于室行走、活外動(dòng)舒適和建筑的自然通風(fēng)評(píng)價(jià)，總分值為6分，并按下列規(guī)則分別評(píng)分并累計(jì)：

在冬季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，按下列規(guī)則分別評(píng)分并累計(jì)：

（1）建筑物周圍人行區(qū)風(fēng)速小于5m/s，且室外風(fēng)速放大系數(shù)小于 2，得 2分；

（2）除迎風(fēng)第一排建筑外，建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面表面風(fēng)壓差不大于5Pa，得1分；

過(guò)渡季、夏季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下， 按下列規(guī)則分別評(píng)分并累計(jì)：

（1）場(chǎng)地內(nèi)人活動(dòng)區(qū)不出現(xiàn)渦旋或無(wú)風(fēng)區(qū)，得 2 分；

（2）50%以上可開啟外窗室內(nèi)外表面的風(fēng)壓差大于 0.5Pa，得1分。

本文中以廣西百色地區(qū)某大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目為例，討論在綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下的風(fēng)環(huán)境優(yōu)化思路，以期為類似項(xiàng)目提供參考[3]。

1 技術(shù)路線

本文主要對(duì)百色地區(qū)某商業(yè)綜合體項(xiàng)目周邊的風(fēng)環(huán)境狀況進(jìn)行模擬與分析，并結(jié)合《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/ T50378-2014）提出設(shè)計(jì)修正思路。

1.1 預(yù)測(cè)手段

目前，對(duì)于風(fēng)環(huán)境的預(yù)測(cè)的主要采用方法有風(fēng)洞試驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)法及數(shù)值模擬計(jì)算的方法。風(fēng)洞試驗(yàn)存在著諸如模型制作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，難以同時(shí)研究不同的建筑設(shè)計(jì)方案等缺點(diǎn)，而且縮小尺寸的試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒉豢偸悄芊从橙壤Y(jié)構(gòu)的各方面特征，另外，在測(cè)點(diǎn)布置、同步測(cè)壓等一系列問(wèn)題上也有很多不足有待解決[4-6]。網(wǎng)絡(luò)法主要用于自然通風(fēng)建筑設(shè)計(jì)初期的風(fēng)量預(yù)測(cè)。它利用質(zhì)量、能量守恒等方程計(jì)算風(fēng)壓和熱壓作用下的自然通風(fēng)量[7]。進(jìn)入數(shù)字時(shí)代后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算已成為評(píng)價(jià)方法的主流。

對(duì)該項(xiàng)目采用計(jì)算流體力學(xué)的手段對(duì)百色地區(qū)某商業(yè)綜合體項(xiàng)目的微環(huán)境進(jìn)行模擬分析，評(píng)價(jià)室外流場(chǎng)分布狀況。計(jì)算軟件選擇商用軟件Fluent，該軟件有較好的收斂速度與求解精度[8]。本報(bào)告根據(jù)建筑周圍環(huán)境以及其他相關(guān)資料建立百色鼎盛中央城項(xiàng)目的室外風(fēng)環(huán)境模擬模型。分析模型包括百色鼎盛中央城和其周邊可能對(duì)風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生影響的建筑物，項(xiàng)目周邊建筑物高度根據(jù)總圖進(jìn)行設(shè)置。模型外場(chǎng)尺寸選擇主要以不影響建筑群邊界氣流流動(dòng)為準(zhǔn)，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)并做模擬試算后，確定設(shè)置外場(chǎng)計(jì)算尺寸為1800m× 1400m×450m（長(zhǎng)×寬×高），模型及網(wǎng)格效果分別如圖1-2所示。

圖1　百色某商業(yè)綜合體模型效果圖Fig.1 the model picture for the project

圖2　百色某商業(yè)綜合體模型網(wǎng)格效果圖Fig.2 the grid image for the project

1.2 參數(shù)設(shè)定

（1）來(lái)流邊界條件

根據(jù)目前計(jì)算流體力學(xué)的研究理論，來(lái)流風(fēng)速與地表的形態(tài)有很大的關(guān)系，其大小沿著豎向高度會(huì)呈指數(shù)倍數(shù)增加，稱之為梯度風(fēng)，指數(shù)大小與地表粗糙度關(guān)系較大[9]。指數(shù)的選擇方式,如圖3所示。

圖3　不同地形大氣邊界層曲線圖Fig.3 different terrain atmospheric boundary layer graph

因此，風(fēng)速與豎向高度的關(guān)系可以用如下公式描述：

Vh=V0（h/h0）n

在上述公式中：

Vh代表豎向高度為h處的風(fēng)速（m/s）；

V0代表基準(zhǔn)高度h0處的風(fēng)速（m/s），一般取10m處的風(fēng)速；

h0代表梯度指數(shù)。一般情況下，在市區(qū)梯度指數(shù)值取0.20～0.50；在空曠地區(qū)n值取0.14左右。百色鼎盛中央城項(xiàng)目處于廣西中心區(qū)，模擬計(jì)算時(shí)梯度指數(shù)取0.25。

（2）出風(fēng)口邊界條件設(shè)定

出風(fēng)口按照理想狀況考慮，即湍流發(fā)展充分,設(shè)定為自由出口。

（3）收斂判斷

CFD數(shù)值模擬代數(shù)方程的終止標(biāo)準(zhǔn)按連續(xù)性方程與能量方程殘差為1.0E-4以下，收斂曲線及觀測(cè)點(diǎn)的值如圖4所示。

圖4　 CFD計(jì)算的收斂曲線Fig.4 CFD calculation convergence curve

1.3 模擬工況

（1）氣候狀況

百色氣候特點(diǎn)是亞熱帶季風(fēng)氣候，根據(jù)《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[10]和中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)將其室外用氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1。

表1　設(shè)計(jì)用室外氣象參數(shù)Tab.1 outdoor meteorological parameters

從上表可見，無(wú)論是冬季、夏季及全年，風(fēng)向均為SE，僅由于季節(jié)的不同，風(fēng)速略有不同，因此在進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬時(shí)，取兩個(gè)工況，即夏季工況與冬季工況，對(duì)于全年最多風(fēng)向，如若夏季風(fēng)滿足要求，那么全年工況也應(yīng)自然滿足要求。模擬工況設(shè)定見表2。

工況1主要對(duì)夏季主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速條件下，建筑前后壓差、建筑周圍風(fēng)環(huán)境情況進(jìn)行分析，判斷自然通風(fēng)情況，周邊是否會(huì)形成渦流、滯風(fēng)區(qū)域從而影響周邊空氣品質(zhì)。工況2主要對(duì)冬季主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速條件下，建筑周邊周邊流場(chǎng)、風(fēng)速進(jìn)行分析，判斷是否會(huì)影響形成風(fēng)速過(guò)大區(qū)域[11]。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 工況1模擬結(jié)果與優(yōu)化分析

工況1設(shè)定為夏季工況，風(fēng)向?yàn)镾E（南偏東45°），風(fēng)速為1.8m/s。

2.1.1 1.5m處風(fēng)速云圖及優(yōu)化思路

圖5為夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾E時(shí)平均風(fēng)速條件下，百色某商業(yè)綜合體周邊1.5m高度處的風(fēng)速云圖。圖中主要街道空間風(fēng)環(huán)境良好，建筑街道走向及區(qū)域劃分較為合理。局部區(qū)域風(fēng)環(huán)境較差，較差區(qū)域已在圖中用紅色方框圈出，由于夏季主導(dǎo)風(fēng)向及全年主導(dǎo)風(fēng)向均為東南風(fēng)（SE方向），那么在區(qū)域體形的塑造上需要降低東南向迎風(fēng)面密度，降低有效迎風(fēng)面寬度，減小背后風(fēng)影區(qū)，在圖中1號(hào)區(qū)域右上角體塊可適當(dāng)調(diào)整，一字型排開，南側(cè)預(yù)留開敞空間，可做集中活動(dòng)場(chǎng)地，左上角體塊?？稍跂|南側(cè)適當(dāng)開口，減小迎風(fēng)面密度，下部?jī)蓚€(gè)體塊右側(cè)部分可適當(dāng)更改開口方向，開口向右。2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)區(qū)域可以在東南側(cè)預(yù)留適當(dāng)風(fēng)口。3號(hào)區(qū)域可以適當(dāng)更改開口方向，并在中間聯(lián)系體部分適當(dāng)預(yù)留風(fēng)口。

圖5　夏季主導(dǎo)風(fēng)向距地1.5 m 高度風(fēng)速云圖Fig.5 summer wind speed image of 1.5 m level

2.1.2 5.7m處風(fēng)速云圖及優(yōu)化思路

圖6為夏季風(fēng)向?yàn)镾E時(shí)平均風(fēng)速條件下百色某商業(yè)綜合體周邊5.7m高度處的風(fēng)速云圖。圖中可見二層商業(yè)部分風(fēng)環(huán)境整體較好，弱風(fēng)區(qū)較少，三處較差部分的風(fēng)環(huán)境受一層的影響較大，通過(guò)一層的體塊調(diào)整，二層風(fēng)環(huán)境會(huì)有所改善。

圖6　夏季主導(dǎo)風(fēng)向距地5.7 m高度風(fēng)速云圖Fig.6 summer wind speed image of 5.7 m level

2.1.3 12m處風(fēng)速云圖及優(yōu)化思路

圖7為夏季風(fēng)向?yàn)镾E時(shí)百色某商業(yè)綜合體周邊12m高度處的風(fēng)速圖，上部高層區(qū)域遮擋較少，整體風(fēng)環(huán)境較好，不用考慮體型優(yōu)化問(wèn)題。圖8為夏季風(fēng)向?yàn)镾E時(shí)百色某商業(yè)綜合體在縱剖面上的風(fēng)速云圖，從剖面圖中不難發(fā)現(xiàn)，風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化重點(diǎn)在商業(yè)裙房部分，作為裙房之上的板式高層，間距較大，且與來(lái)流風(fēng)向呈一定角度，風(fēng)影區(qū)、渦流區(qū)較小。

圖7　夏季主導(dǎo)風(fēng)向距地12m高度風(fēng)速云圖Fig.7 summer wind speed image of 12 m level

2.1.4 迎風(fēng)面與背風(fēng)面風(fēng)壓統(tǒng)計(jì)與室內(nèi)通風(fēng)潛力判定

從建筑物能耗角度來(lái)看，合理運(yùn)用自然通風(fēng)一般有兩種目標(biāo)：一是加強(qiáng)自然通風(fēng)以達(dá)到降溫除濕的目的；二是防風(fēng)以減少熱損失。就某一建筑或建筑群而言，可能著重于加強(qiáng)自然通風(fēng)或防風(fēng)，也可能需要在不同時(shí)段實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)。而對(duì)于中國(guó)大部分地區(qū)而言，常常需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：一是在夏季、溫和季和過(guò)渡季加強(qiáng)自然通風(fēng)；二是在冬季合理防風(fēng)。那么在工況1中，需要判定建筑前后壓差大小來(lái)確定通風(fēng)潛力。從圖9及圖10中可以看出，上部板式高層建筑迎風(fēng)面及背風(fēng)風(fēng)壓差大于1.5Pa，具有良好的通風(fēng)潛力，但在底部裙房部分，建筑迎風(fēng)面遮擋較為嚴(yán)重，需要重新組織商業(yè)裙房部分的建筑形體。

圖8　夏季主導(dǎo)風(fēng)向縱剖面風(fēng)速云圖Fig.8 summer wind speed image of profile

圖9　夏季主導(dǎo)風(fēng)向下迎風(fēng)面風(fēng)壓圖Fig.9 summer wind pressure image of the former

圖10　夏季主導(dǎo)風(fēng)向下背風(fēng)面風(fēng)壓圖Fig.10 summer wind pressure image of the back

2.2 工況2模擬結(jié)果與優(yōu)化分析

工況2設(shè)定為冬季工況，風(fēng)向?yàn)镾E（南偏東45°），風(fēng)速為2.1m/s。根據(jù)綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，冬季工況主要判定建筑周邊風(fēng)場(chǎng)及風(fēng)壓差[12]。

根據(jù)綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在冬季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，需要考量建筑物周圍人行區(qū)風(fēng)速及室外風(fēng)速放大系數(shù)與風(fēng)壓差[13]。所謂風(fēng)速放大系數(shù)即建筑物周圍離地面高1.5m處最大風(fēng)速與開闊地面同高度風(fēng)速之比。在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段可以看到，建筑周邊1.5m內(nèi)風(fēng)速最大為2.1m/s，風(fēng)速放大系數(shù)的最大值為1.05，符合設(shè)計(jì)要求，風(fēng)壓差的平均值約為3.1Pa，符合綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[14]。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述兩個(gè)工況的模擬，可以進(jìn)行總結(jié)與歸納。

圖11　冬季季主導(dǎo)風(fēng)向1.5m風(fēng)速云圖Fig.11 summer wind pressure image of 1.5 m level

圖12　冬季主導(dǎo)風(fēng)向1.5m風(fēng)壓云圖Fig.12 winter wind pressure image of 1.5m level

首先，對(duì)于建筑周邊風(fēng)環(huán)境的模擬與優(yōu)化，可以利用CFD的手段，進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)，并以Fluent為例，介紹了數(shù)值模擬軟件的邊界條件設(shè)定方法。

其次，詳細(xì)解析了《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50378-2014）關(guān)于風(fēng)環(huán)境模擬的判定方法，并以實(shí)際項(xiàng)目為例進(jìn)行解析。

最后，在設(shè)計(jì)階段風(fēng)環(huán)境優(yōu)化的思路角度來(lái)看，中國(guó)大部分地區(qū)而言，常常需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：一是在夏季、溫和季和過(guò)渡季加強(qiáng)自然通風(fēng)；二是在冬季合理防風(fēng)。本文的案例中，討論了在設(shè)計(jì)階段夏季風(fēng)優(yōu)化的可能性，即從迎風(fēng)面建筑密度及建筑覆蓋率兩個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化，減少風(fēng)影區(qū)，提升環(huán)境質(zhì)量[15]。

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圖表來(lái)源：

圖1-2, 4-12：作者繪制

圖3：劉念雄，秦佑國(guó). 建筑熱環(huán)境[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2005: 66.

表1-2：作者繪制

（編輯：申鈺文）

收稿日期：2015-11-06

作者簡(jiǎn)介管毓剛： 華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，講師，15308629977@163.com 陳 宏：華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，教授甘月朗： 華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，博士研究生

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20160121

文 章 編 號(hào)2095-6304(2016)01-0119-05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

中圖分類號(hào)TU-023