皖南高层住宅区室外风环境模拟与优化策略研究 (1).pdf
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1、第 卷第期 年月安徽工程大学学报J o u r n a l o fA n h u iP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t yV o l N o A p r 文章编号:()收稿日期:基金项目:安 徽 省 哲 学 社 会 科 学 规 划 基 金 资 助 项 目(AH S KQ D );安 徽 省 高 校 自 然 科 学 研 究 基 金 资 助 项 目(AH )作者简介:叶清(),女,安徽池州人,本科在读.通信作者:李茜(),女,安徽芜湖人,副教授,博士.皖南高层住宅区室外风环境模拟与优化策略研究叶清,李茜,郭方棚,刘辉(安徽工程大学 建筑工程学院,安徽 芜湖
2、 )摘要:随着城市建设进程的加快,逐渐引起人们对现代城镇的人居环境问题的重视,尤其是与人们的舒适性紧密相关的高层住宅区的室外风环境.本文选取皖南地区某高层住宅小区为研究对象,运用P HO E N I C S软件模拟验证其室外风环境的特征与规律,结合国家相关规范文件提出的评价标准对模拟结果进行比对评价,为住宅区风环境的优化提供依据.研究结果表明,因楼栋之间的间距和相互位置等因素的影响,室外风场呈现出不均匀分布特征.根据皖南地域夏热冬冷气候的特点,重点处理夏季通风换气和冬季抵御寒风的情形,分别给出底层架空、立面改造、景观布局、道路布局等优化策略,并基于实际情况提出预期改良方案,经过最终数值模拟的结
3、果比对,提出最优策略是局部底层架空和植物布局调整.关键词:皖南高层住宅区;室外风环境;P HO E N I C S软件;数值模拟;优化策略中图分类号:TU 文献标志码:A“十四五”规划纲要中明确指出,我国将大力推进绿色建筑建设.风环境、光环境、热环境、声环境是城市环境发展的重要组成部分.其中,风环境与人们的生产生活行为最为密切,直接影响着人们居住的舒适度.目前,居住区风环境的研究方法有现场实测、风洞实验和计算机模拟种,前两者的操作过程复杂、限制条件多、且经济成本较高,计算机模拟操作较为简便、结果精准.C F D是所有计算流体力学的简称,通过软件计算来显示和分析流场中的现象.本文选择P HO E
4、 N I C S进行模拟,该软件由英国CHAM公司开发,至今已有 多年的历史,具有计算准确、结果直观的优点,模拟过程主要包括前处理、计算、后处理个方面.研究选取皖南地区代表城市 安徽省芜湖市的某校园内住宅区作为研究对象.该地区季节分明,夏季闷热,冬季湿冷,城市环境需要满足夏季防热、通风降温的要求,冬季适当兼顾御寒.通过P HO E N I C S软件模拟,参照规范 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范G B 民用建筑绿色性能计算标准J G J/T 城市居住区热环境设计标准J G J 进行前期参数设置,获取实地风环境模拟结果,并结合 绿色建筑评价标准G B/T 中的评分项实施综合评价,为当地新建住
5、宅区的风环境优化建设提供理论与实践支撑.研究概述建筑风环境是近年来由建筑学与环境科学两个学科交叉衍生而来的研究领域,在人体舒适性、城市空间通风廊道建立及建筑设计等方面都有着重要意义.现阶段的风环境研究主要围绕着城市规划与建筑设计展开.国外研究成果 世纪 年代中期,国外对于风环境的研究已经开始,多个国家都建立了风环境研究中心.学者Om a r发现板式住宅组团在不同布局模式和风向角下的室外风环境特征.K e i t h深入研究了绿色植物对居住小区风环境的影响机制.V l a d i m i r等结合现场实测和C F D模拟的方法评估了建筑物周围人行高度处的风环境.Y o u等学者证实风向是改善居住
6、区风环境的重要因素.国内研究综述相较于国外,国内相关研究稍晚了一些,开始于 世纪 年代末,主要侧重点为建筑室内风环境和高层建筑抗风结构.杨丽得出运用C F D技术对住区规划的模拟分析具有应用价值.汪东升等 基于合肥市某居住区的风环境模拟来分析现存问题.姚昊翊 以不同容积率住宅小区布局模式为案例,总结夏热冬冷地区住宅区的通风防风策略和适宜的建筑组合方式.孙亮等 根据实地考察,总结现有徐州矿区居民点风环境问题.胡春等 研究得出,修建开放式通风廊道可以充分改善夏季住宅内部的通风效果.可见,高层建筑及周边区域的风环境特征值得深入研究.项目概况与模型建立本研究住宅区于近年新建而成,占地面积约 m,建筑布
7、局以行列式排布为主,总建筑面积约 m,东西向跨度为 m,南北向跨度为 m.基地内共 幢住宅楼,均为中高层住宅,其中 层住宅楼共计 幢,层住宅楼共计 幢.整体概况如图、所示.图住宅区三维空间模型图住宅区总平面概况图由于疫情管控期间的测量活动受限,研究对象重点参考住宅区内部的建筑群模型.同时,考虑到周边建筑楼层低矮,且在芜湖市主导风向上周边建筑物对本住宅区风环境产生的影响较小,故本研究未考虑住宅区的周边环境情况,但模拟数据和研究结论仍具有较强参考意义.数值模拟研究方法C F D模拟()物理模型.建筑区域内风的流动一般属于不可压缩、低速湍流.相较之下,在低速湍流中数值模拟运用较广泛的是k 模型(如表
8、所示),在计算过程中有着成本低、精准度高的优点,相关控制微分方程如下:湍流粘性系数:tck,()连续性方程:(ui)xi,()动量方程:(uiuj)xixie f fuixixjxie f fuixi,()K方程:(uik)xixitkkxitujxiuixjujxi,()安徽工程大学学报第 卷方程:(ui)xixitxickckujxiuixjujxi.()表标准k 模型中的系数ccck ()边界条件.来流面梯度风的选取.地表存在摩擦力,只有高度足够高的地方,风速才不受地表的影响,一般离地达到 m以上,可在大气梯度的作用下自由流动.来流面风速的变化规律以指数率表示为UZUZZ,()式中,UZ
9、为高度Z处的水平方向风速;U为参考高度Z处的风速;为由地形粗糙度所决定的幂指数.地形可分为类,不同地形的值如表所示.表不同地形的值分类地形A近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区 B田野、乡村、丛林、丘陵及房屋较稀疏的中小城及大城市郊区 C密集建筑群的城市市区D密集建筑群且房屋较高的城市市区注:本案例研究中取值 .出流面的边界条件.假定出流面上的流动已充分发展,流动已恢复为无建筑物阻碍时的正常流动,故其出口压力设为大气压.来流面梯度风的选取.当选定的计算区域较大时,可设为自由滑移表面.建筑壁面及下垫面的边界条件.选取的标准k 模型仅适用于离开壁面一定距离的完全湍流区域,在固体壁面附近,由于层流粘
10、性作用影响的加强,本研究采用壁面函数法对建筑物边界区进行修正.()计算区域的确定和网格划分.将建模完成的住区三维模型导入P HO E N I C S软件中,为了使计算结果更加精准、收敛速度加快,查阅 民用建筑绿色性能计算标准J G J/T 和比对多次计算结果后,将边界计算域在X、Y、Z方向的尺寸分别按照建筑群边缘的倍进行设置,即分别为 、m.网格的多少直接影响计算结果的准确程度和计算时间的长短.因此,要综合权衡多种因素,根据实际情况对网格进行调整.研究中采用非均匀化的网格划分形式,在X、Y方向计算域网格按照 m左右、p o w e r 标准进行排列.在调整Z方向的网格时,将地面至人行高度的网格
11、设置为个,如图所示.图数值模型的计算域第期叶清,等:皖南高层住宅区室外风环境模拟与优化策略研究评价标准由于安徽省与芜湖市暂时没有规范的风环境评估体系,本文的评价标准主要依托 绿色建筑评价标准G B/T 中 的评分项,对住区模拟进行风环境测定.室外风环境评价标准如表所示.表室外风环境评价标准按下列规则分别评分并累计:场地内风环境有利于室外行走、活动舒适和建筑的自然通风,评价总分值为 分.在冬季典型风速和风向条件下,按下列规则分别评分并累计:在过渡季、夏季典型风速和风向条件下,按下列规则分别评分并累计:建筑物周围人行区距地高m处风速m/s,户外休息区、儿童娱乐区风速m/s,且室外风速放大系数,得分
12、;除迎风第一排建筑外,建筑迎风面与背风面表面风压差P a,得分.场地内人活动区不出现涡旋或无风区,得分;以 上 可 开 启 外 窗 室 内 外 表 面 的 风 压 差P a,得分.风环境参数设置根据 民用建筑供暖通风与空气调节规范设计 内容,芜湖当地的全年风向特点记录如表所示.表芜湖市各季节的风速、风向和温度工况季节风速/(m/s)主导风向温度/夏季E S E 冬季E年最多风向E S E 据此设定好风速、风向、温度等相关数据,模拟计算得出结果,主要研究分析了风速云图和风压云图.结果与讨论工况:夏季模拟结果夏季建筑群m处风速云图如图所示.由图可知,住宅区内整体风速m/s.西北侧住房区域出现低风速
13、区甚至无风区.图中浅蓝色和绿色区域,均为行人在室外的大范围活动区域,不仅有碍于夏季的通风散热,且容易降低行人在室外活动的热舒适度,不利于户外休闲纳凉.夏季建筑群m处风压云图如图所示.由图可知,西北侧大部分住宅楼前后风压差P a,导致夏季住区内通风散热困难,大大增加了风扇、空调等电力设备的负荷能耗,对于节能环保也十分不利.图夏季建筑群m处风速云图图夏季建筑群m处风压云图工况:冬季模拟结果冬季建筑群m处风速云图如图所示.由图可知,住区内整体风速不超过m/s,故不存在因风速过大而存在安全隐患的问题.房屋的排列方向为南北方向,冬季最多的风向正好是正东方向,主导风向和建筑走向一致,导致建筑的山墙之间有一
14、定面积的风影区,见图中蓝色区域.同时,住区东部楼栋间出现局部m/s的较高风速区.冬季建筑群m处风压云图如图所示.由图可知,除了东侧第一排迎风面的住房外,大多数居住环境内的建筑物前后的风压差P a,不利于房屋内部空气的流通,特别是西部住宅楼前后的风压基本安徽工程大学学报第 卷没有差异.图冬季建筑群m处风速云图图冬季建筑群m处风压云图工况:年最多风向模拟结果年最多风向时建筑群m处风速云图如图所示.由图可知,住区内整体风速m/s.与夏季类似,西北侧住房区域出现低风速区甚至无风区,无法加快污染物等的流散和空气流通.且活动场所风速也较低,均m/s,户外人体舒适度有待提高.年最多风向时建筑群m处风压云图如
15、图所示.由图可知,与夏季情况比较类似,住宅楼前后风压差别不大,这就导致小区整体环境的通风不畅,且对北侧住区的风环境产生较大影响.图年最多风向时建筑群m处风速云图图年最多风向时建筑群m处风压云图综上所述,住宅区的风环境舒适性较差,楼栋之间的间距和位置不够理想;住宅内部的导风措施不够健全;南向住房的建筑体量过大;住区的整体布局围合度过高.因此,针对上述问题,将做出进一步的优化方案.优化策略基于目前住宅建成的现状,避免对现有住区进行过大幅度的调整和改变.本着可操作性、经济性等原则,给出以下优化策略,并提出预想方案模拟夏冬季节的风环境.住区室外风环境优化设计方法()架空层策略.架空层处理较为常见,具有
16、防潮通风等优势.在住宅区中,南向两排建筑可以底层架空处理,从而更好地在夏季引导风流,改善因楼栋密集排列、围合度高而导致的通风不畅问题.()立面改造策略.在不影响建筑立面造型美观性的前提下,可以在住宅楼立面增设导风板,来改善低风速区域自然通风的问题.对于改善室内自然通风,可以考虑改良窗洞口的开启位置,加设窗式通风器等.()景观布局策略.绿化有着屏障、净化空气的作用.在冬季,主导风向与建筑长边走向一致,若在住区东侧适当布置绿植,能借助枝叶对气流的阻碍作用,有效抵御寒风的侵袭.()道路布局优化.当道路的布局与主导风向一致时,自然风沿着道路的方向畅通无阻进入住宅区内部,因此道路方向与夏季主导风同向时,
17、有利于夏季室外通风顺畅.优化后模拟结果案例重点考虑景观布局和底层架空两种实施性较强的研究策略,为了得出精确的优化结果,再次运用第期叶清,等:皖南高层住宅区室外风环境模拟与优化策略研究P HO E N I C S软件模拟,对比前后方案的通风效果.因考虑到夏季风向与常年最多风向一致,结果主要记录布局模式变化后的夏、冬两季风速和风压云图(见表).表预想布局方案布局编号布局方案绿化布局a在住区东侧布置一列灌木和乔木,灌木:体积为mm m的立方体;乔木:高m,树冠部分为mmm的立方体,间距 m(为了操作方便,加快软件模拟计算时间,绿化全部采用立体抽象模型.)底层架空b将住区南侧、楼栋底层架空()方案a:
18、在住区东侧布置一列灌木和乔木,如图、所示.种植乔灌木较现状明显改善较大,无论在夏季通风引导,还是在冬季防风措施上都占有优势,不仅使夏季住宅静风区大面积减少,同时也削弱了冬季的冷风渗透.()方案b:将住区南侧、楼栋底层架空,如图、所示.局部底层架空有利于室外的自然通风,住宅区北侧楼栋的室外环境得到明显改善,弊端在于不利于冬季的防风.由于夏季、冬季的主导风向比较接近,从理论上说有利于夏季通风的措施可能影响冬季防风.因此,经过一系列模拟结果的比对,建议优化策略如下:将南侧的几栋楼进行底层架空的处理,同时,在住宅区东侧种植乔灌木,在选择植物时注意,植物最佳生长期最好选择在秋冬季节,让行人在夏冬两季都能
19、得到最好的户外活动体验感.图 a方案:夏季建筑群m处风速云图图 a方案:夏季建筑群m处风压云图图 a方案:冬季建筑群m处风速云图图 a方案:冬季建筑群m处风压云图图 b方案:夏季建筑群m处风速云图图 b方案:夏季建筑群m处风压云图安徽工程大学学报第 卷图 b方案:冬季建筑群m处风速云图图 b方案:冬季建筑群m处风压云图结论与展望以皖南地区典型区域的住宅小区作为研究对象,综合前期调研、中期模拟、后期分析等过程,重点关注风速和风压参数,归纳总结出高层住宅区的室外风环境特征.结合定性与定量分析,提出底层架空、立面改造、景观布局、道路布局等种优化策略.同时基于客观因素的考虑,对预想的改良方案进行模拟比
20、对,验证优化措施的可行性,结论显示通过架空局部建筑底层空间、合理布局景观树木,可以有效改善高层住宅区室外风环境的舒适性.本研究仅选取芜湖市某住宅区作为实证研究对象,后续研究可以在本次模拟数据的基础之上进一步深入,如将实地调查测量数据与模拟结果进行对比,筛选并收集皖南区域多个住宅区案例开展综合类比等.随着风环境模拟技术的发展和居住区规划建设进程的完善,以期将住宅环境建设中的风环境建设纳入住宅区建设的规划体系之中,为城市的低碳建设和居民的健康环境做出贡献.参考文献:民用建筑供暖通风与空气调节设计规范:G B S北京:中国建筑工业出版社出版,民用建筑绿色性能计算标准:J G J/T S北京:中国建筑
21、工业出版社出版,城市居住区热环境设计标准:J G J S北京:中国建筑工业出版社出版,绿色建筑评价标准:G B/T S北京:中国建筑工业出版社,A S F OUROS P r e d i c t i o no fw i n de n v i r o n m e n t i nd i f f e r e n tg r o u p i n gp a t t e r n so fh o u s i n gb l o c k sJ E n e r g ya n db u i l d i n g s,():S UN D E R L AN DK,WOO LM I N G TONT,B L A C K L
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