室外風環(huán)境實測及PHOENICS 模擬對比分析研究＊
——以徐州高層小區(qū)為例

段忠誠 方煥煥 李佳珺 王善行

1 中國礦業(yè)大學

2 江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心

在現(xiàn)有研究中，多數(shù)學者根據(jù)風在高層建筑周圍繞流情況，對高層建筑易引發(fā)的建筑下行風、大面積風影區(qū)、街道峽谷風等風環(huán)境問題進行過研究，也從高層建筑單體、建筑群布局、景觀綠化等方面提出了改善高層建筑室外風環(huán)境的設(shè)計策略。

Quan Yong、李傳承等人采用問卷調(diào)查和CFD模擬相結(jié)合的方法，研究了夏熱冬冷地區(qū)板式高層建筑冬季室外防風策略[1，2]；Zhang、王輝、馬劍、Blocken等人對高層建筑室外風環(huán)境進行了定量研究，分析了室外風環(huán)境的特征及成因，并提出相應改善措施[3-6]。目前對建筑室外風環(huán)境的研究方法主要有現(xiàn)場實測、風洞實驗以及CFD數(shù)值模擬技術(shù)三種。王福軍認為通過CFD數(shù)值模擬技術(shù)，可以得到極其復雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量分布以及這些物理量隨時間變化的情況，CFD數(shù)值模擬技術(shù)與CAD聯(lián)合還可以進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等[7]。歐洲COST、日本AIJ的研究機構(gòu)以及國內(nèi)的李魁山、莊智、韓沐辰等人研究了CFD模擬軟件中模型簡化、計算模型、網(wǎng)格處理、邊界設(shè)置、方程求解、模擬工具選擇等模擬技術(shù)要點[8-12]。

由此可見，國內(nèi)外已經(jīng)對建筑室外風環(huán)境進行了深入研究，然而大多數(shù)風環(huán)境研究采用CFD軟件模擬的方法，現(xiàn)場實測研究方法使用甚少。我們認為CFD軟件模擬是在理想狀態(tài)下進行的，而建筑室外風環(huán)境實際情況很復雜。因此，我們先對徐州地區(qū)阿爾卡迪亞、紫金東郡兩個小區(qū)室外風環(huán)境進行現(xiàn)場實測，定量分析各測點風速并對比軟件模擬結(jié)果，以探究現(xiàn)場實測法與軟件模擬法所得結(jié)果的差異與關(guān)聯(lián)。

1 研究對象

阿爾卡迪亞是以高層為主的居住社區(qū)，輔以部分小高層，該地塊建筑排列錯落有致，有利于住區(qū)內(nèi)部通風（圖1）。紫金東郡總建筑面積約45萬m2，綠化率約48%；紫金東郡二期內(nèi)部建筑以高層、小高層為主，且以行列式分布為主（圖2）。根據(jù)住區(qū)規(guī)模，每個住區(qū)選擇若干個測點，測點選擇原則：1）行人活動頻率較高的場所，如住區(qū)主入口、公共活動場地、主要交通道路等；2）容易產(chǎn)生不良風環(huán)境的場所，如高層建筑側(cè)面道路、建筑圍合度較高的場地等；3）影響建筑室外微氣候的區(qū)域，如景觀綠地區(qū)域。

2 研究方法

2.1 實測法

我們于2016年6月29、30日對阿爾卡迪亞、紫金東郡兩個小區(qū)開展室外風環(huán)境現(xiàn)場實測，測試儀器選擇了手持式熱式風速儀、GG-WDS2二維風速風向儀器與多通道風速風向記錄儀（顯示與記錄GG-WDS2二維風速風向測試儀獲取的風速風向）對住區(qū)各測點的風速風向進行了測試（圖3）。

儀器記錄方法：手持式熱式風速儀可顯示5s內(nèi)的平均風速，在實測的時間段內(nèi)，將儀器感應探針放置在1.5m高處記錄，測量同學每隔10min連續(xù)讀一組數(shù)據(jù)，每組120個數(shù)據(jù)，一共記錄10組共1 200個數(shù)據(jù)（圖4）。GG-WDS2二維風速風向儀器與多通道風速風向記錄儀可不間斷記錄測點風速與風向，測試過程中將GG-WDS2二維風速風向儀器同樣放置在1.5m高處。

1 阿爾卡迪亞各測點定位圖

2 紫金東郡各測點定位圖

3 測量儀器示意圖

4 手持式熱式風速儀實測現(xiàn)場

5 阿爾卡迪亞風環(huán)境實測數(shù)據(jù)

6 紫金東郡風環(huán)境實測數(shù)據(jù)

2.2 模擬法

對調(diào)研小區(qū)夏季室外風環(huán)境進行軟件模擬分析，嘗試探討實測與軟件模擬結(jié)果間的關(guān)系。模擬使用的風參數(shù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得，為6月29、30日現(xiàn)場實測時間段內(nèi)的大氣平均風速與主導風向，詳情如表1。

3 研究結(jié)果

3.1 現(xiàn)場實測結(jié)果

3.1.1 阿爾卡迪亞實測結(jié)果

2016年6月29日下午15:20～18:30對阿爾卡迪亞（A區(qū)）住區(qū)進行室外風速實測，通過中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得測試時間段內(nèi)大氣平均風速為2.4m/s。實測時對4個測點1.5m高處風速進行了同步測量。在15:20～18:30時間段內(nèi)對每個測點風速進行了10組測量，每組測量持續(xù)時間為10min，將每組120個數(shù)據(jù)取平均值，各測點可獲得10組平均風速（圖5），將獲得數(shù)據(jù)整理如表2。

對各測點數(shù)據(jù)整合后，運用風速大于1m/s的概率和平均風速兩個指標來比較各測點風速的情況。從表2中可以看出，測點1的10組數(shù)據(jù)中風速大于1m/s的概率僅為40%，平均風速僅為0.86m/s，該處風速不利于夏季空氣散熱和污染物排放，通風效果不佳；測點2和測點3處風速大于1m/s的概率皆為70%，且平均風速為1.35m/s和1.21m/s，滿足夏季基本通風需求；測點4風速大于1m/s的概率為0，平均風速為0.71m/s，該處風速不滿足夏季通風最低要求，通風效果較差。4個測點的通風效果為測點2>測點3>測點1>測點4。結(jié)合前期分析，我們認為測點1、2、3處通風效果皆受建筑布局影響，測點4處通風效果主要受植物景觀影響。

3.1.2 紫金東郡實測結(jié)果

2016年6月30日下午15:10～18:20對紫金東郡住區(qū)進行室外風速實測，通過中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得測試時間段內(nèi)大氣平均風速為2.1m/s。對4個測點1.5m高處風速進行同步收集，實測持續(xù)3h，每個測點收集了10組數(shù)據(jù)（圖6），將獲得數(shù)據(jù)整理得到表3。

將各測點數(shù)據(jù)整理后，以風速大于1m/s的概率和平均風速兩個指標來比較各測點風速的情況。通過表3可知，測點3風速大于1m/s概率為40%，測點2、4風速大于1m/s的概率為30%，但僅有測點3的平均風速大于1m/s，滿足夏季基本通風需求。測點1風速大于1m/s的概率為0，通風效果表現(xiàn)不佳。綜合來看，四個測點通風效果為測點3＞測點2>測點4>測點1。

3.2 軟件模擬結(jié)果

3.2.1 阿爾卡迪亞室外風環(huán)境模擬結(jié)果分析

通過軟件模擬發(fā)現(xiàn)，在當日風環(huán)境條件下阿爾卡迪亞大部分區(qū)域風速偏低，小區(qū)南部出現(xiàn)大面積低風速區(qū)域，僅東門入口廣場處和綜合樓周圍風速較理想（圖7）。由于風向為162°、南偏東，而最南側(cè)一排建筑8、9、10、11號樓樓層較高，分別為18層、17層、17層以及16層，高層建筑對來流風遮擋嚴重，導致小區(qū)南部大部分區(qū)域風速較低且出現(xiàn)大面積靜風區(qū)域（圖8，空白部分為靜風區(qū)域），而靜風區(qū)不利于空氣循環(huán)流通。

表1 實測當日風參數(shù)

表2 阿爾卡迪亞各測點風速情況

表3 紫金東郡各測點風速情況

7 阿爾卡迪亞夏季1.5m 處風速云圖

8 阿爾卡迪亞夏季1.5m 處靜風區(qū)域

9 阿爾卡迪亞實測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

10 紫金東郡室外1.5m 高度風速云圖

11 紫金東郡夏季1.5m 處靜風區(qū)域

12 紫金東郡實測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

再對實測結(jié)果和模擬結(jié)果進行對比。在實測中測點1位于南門處，測點2位于東門廣場上，測點3位于綜合樓與3號樓間的人行道處，測點4位于5號樓和8號樓間的景觀綠地中。將這些測點對應到模擬結(jié)果中，如圖7中紅點所示。模擬結(jié)果中測點1位于靜風區(qū)，風速最小為0.89m/s；測點2與測點3所在位置風速較好，分別為2.66m/s和2.34m/s；測點4風速為1.72m/s，小于測點2、3?？傮w情況為測點2>測點3>測點4>測點1。而實測結(jié)果為測點2>測點3>測點1>測點4，測點1和測點4的風速在模擬中結(jié)果不同于實測（圖9）。我們認為主要原因在于測點4位于景觀綠地中，四周植物對風速遮擋效果明顯，而模擬中并未考慮植物影響，導致測點4結(jié)果優(yōu)于測點1。從結(jié)果數(shù)據(jù)對比來看，模擬結(jié)果普遍大于實測結(jié)果，從各測點數(shù)值比較來看，模擬結(jié)果與實測結(jié)果存在一定相關(guān)性。

3.2.2 紫金東郡室外風環(huán)境模擬結(jié)果分析

通過模擬發(fā)現(xiàn)，紫金東郡在當日的風環(huán)境下小區(qū)內(nèi)部風速普遍很低，僅南側(cè)第一排建筑間風速較高（圖10）。由于主導風向為191°，建筑后方形成了大面積風影區(qū)。在建筑的影響下，整個小區(qū)北側(cè)都處在低速風的控制中，形成大面積靜風區(qū)（圖11）。

在實測中測點1位于西門停車庫東側(cè)，測點2位于小區(qū)北側(cè)主要活動場地中，測點3位于小區(qū)東部居民健身活動場地，測點4位于小區(qū)南側(cè)活動廣場上。將這些實測點對應到模擬結(jié)果中，如圖10中紅點所示。發(fā)現(xiàn)測點1完全處于靜風區(qū)中，測點2與測點4在靜風區(qū)邊緣，僅測點3處風速大一些。結(jié)合紫金東郡風環(huán)境軟件模擬圖得出，測點1風速為0.62m/s，測點2風速為1.12m/s，測點3風速為1.41m/s，測點4風速為1.09m/s（圖12）。模擬結(jié)果為測點3>測點2>測點4>測點1，與實測結(jié)果相同。對比二者結(jié)果數(shù)值可知，模擬結(jié)果普遍大于實測結(jié)果，但二者結(jié)果中各測點大小的關(guān)聯(lián)性是一致的。

3.3 優(yōu)化策略

從阿爾卡迪亞實測結(jié)果中可以看出，測點4通風效果較差是由于建筑周圍的綠化過多，不利于建筑的自然通風。應根據(jù)徐州的氣候特征選擇合適的樹種，并在形狀、高度方面進行配合。喬木、灌木與樹籬在引導氣流運動方面作用也各不相同，高大的喬木底部敞開，能使吹過的風向上移動。建筑的南側(cè)種植落葉喬木，在炎熱的夏季茂密的樹葉可遮擋太陽福射，而在寒冷的冬季也可保證良好的日照。

從紫金東郡實測結(jié)果中可以看出，夏季由于東風的作用，居住區(qū)內(nèi)部風壓呈現(xiàn)東大西小，導致測點1完全處于靜風區(qū)中，不利于空氣流動，容易發(fā)生污染物沉積。這種情況下，可通過調(diào)整建筑布局、間距、朝向使小區(qū)內(nèi)風速得到提高。

4 研究結(jié)論

通過對比阿爾卡迪亞與紫金東郡室外風環(huán)境的現(xiàn)場實測結(jié)果與軟件模擬結(jié)果，探索兩種結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)，得出以下結(jié)論：1）軟件模擬數(shù)值普遍大于實測數(shù)值，我們認為實測時數(shù)據(jù)結(jié)果會受到周圍植物遮擋、行人甚至操作者的影響導致數(shù)值偏小，而軟件模擬則在一個較為理想的條件中模擬出結(jié)果；2）實測與模擬結(jié)果具有關(guān)聯(lián)性。通過分析兩居住區(qū)的實測與模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各測點之間的大小關(guān)系基本是一致的；3）植物配置是改善風環(huán)境設(shè)計較為靈活的方式之一，植物可隨著季節(jié)的變化而生長改變，在不同的季節(jié)起到不同的作用，同時植被對氣流具有引導作用，高密度的植物分布能夠改變空氣氣流的運動方向，植物的合理布置可形成夾道，對風進行引導或者根據(jù)需要改變氣流路徑。