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

?

從《綠色建筑評價標準》看建筑風環(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 要運用流體模擬計算軟件Fluent對廣西百色地區(qū)某商業(yè)綜合體進行風環(huán)境模擬，并結(jié)合《綠色建筑評價標準》（GB/ T50378-2014）進行分析判定，對于夏季工況風環(huán)境不佳的狀態(tài)提出優(yōu)化思路，以期為類似項目的綠色設計提供參考。

關(guān)鍵詞CFD；風環(huán)境；綠色建筑；性能模擬；環(huán)境優(yōu)化；建筑設計

管毓剛, 陳宏, 甘月朗. 從《綠色建筑評價標準》看建筑風環(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)境學刊, 2016, 31(01): 119-123.

* 華中科技大學自主創(chuàng)新研究基金資助項目（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)象嚴重，城市中心區(qū)雜亂無章的建筑次序，嚴重影響城市內(nèi)自然通風。城市內(nèi)部較好的自然通風有助于緩解城市“熱島效應”。本文運用流體模擬計算軟件Fluent對廣西百色地區(qū)某商業(yè)綜合體進行風環(huán)境模擬，并結(jié)合《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）[1]進行分析判定，對于夏季工況風環(huán)境不佳的狀態(tài)提出優(yōu)化思路，以期為類似項目的綠色設計提供參考。

建筑群將改變風場結(jié)構(gòu)。建筑群的外形、尺寸及地形關(guān)系與周邊風環(huán)境關(guān)系密切。如果建筑群設計不合理，會導致，風速放大系數(shù)過大，將使人感覺不舒適。如果風速放大系數(shù)過大的區(qū)域出現(xiàn)在建筑物的出入口、通道、樓臺等區(qū)域，則會使得附近行人的極度不舒適。如果建筑周邊的風場，存在較大渦流區(qū)或無風區(qū)，則在該建筑周圍由于汽車尾氣、空調(diào)外機等產(chǎn)生的廢氣、廢熱則得不到緩解，城市熱島效應則會加劇。因此，在建筑與規(guī)劃初期，應對建筑群體周邊的風環(huán)境狀況進行模擬與分析，優(yōu)化建筑及規(guī)劃的布局情況[2]。

在《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）中，規(guī)定了風環(huán)境優(yōu)化的具體要求，可以作為風環(huán)境優(yōu)化的指導性意見，具體條文如下。

“第4.2.6條 場地內(nèi)風環(huán)境有利于室行走、活外動舒適和建筑的自然通風評價，總分值為6分，并按下列規(guī)則分別評分并累計：

在冬季典型風速和風向條件下，按下列規(guī)則分別評分并累計：

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

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

過渡季、夏季典型風速和風向條件下， 按下列規(guī)則分別評分并累計：

（1）場地內(nèi)人活動區(qū)不出現(xiàn)渦旋或無風區(qū)，得 2 分；

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

本文中以廣西百色地區(qū)某大型商業(yè)綜合體項目為例，討論在綠色建筑評價標準指導下的風環(huán)境優(yōu)化思路，以期為類似項目提供參考[3]。

1 技術(shù)路線

本文主要對百色地區(qū)某商業(yè)綜合體項目周邊的風環(huán)境狀況進行模擬與分析，并結(jié)合《綠色建筑評價標準》（GB/ T50378-2014）提出設計修正思路。

1.1 預測手段

目前，對于風環(huán)境的預測的主要采用方法有風洞試驗、網(wǎng)絡法及數(shù)值模擬計算的方法。風洞試驗存在著諸如模型制作費時費力，試驗周期較長，難以同時研究不同的建筑設計方案等缺點，而且縮小尺寸的試驗模型并不總是能反映全比例結(jié)構(gòu)的各方面特征，另外，在測點布置、同步測壓等一系列問題上也有很多不足有待解決[4-6]。網(wǎng)絡法主要用于自然通風建筑設計初期的風量預測。它利用質(zhì)量、能量守恒等方程計算風壓和熱壓作用下的自然通風量[7]。進入數(shù)字時代后隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值計算已成為評價方法的主流。

對該項目采用計算流體力學的手段對百色地區(qū)某商業(yè)綜合體項目的微環(huán)境進行模擬分析，評價室外流場分布狀況。計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目的室外風環(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風環(huán)境產(chǎn)生影響的建筑物，項目周邊建筑物高度根據(jù)總圖進行設置。模型外場尺寸選擇主要以不影響建筑群邊界氣流流動為準，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗并做模擬試算后，確定設置外場計算尺寸為1800m× 1400m×450m（長×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)設定

（1）來流邊界條件

根據(jù)目前計算流體力學的研究理論，來流風速與地表的形態(tài)有很大的關(guān)系，其大小沿著豎向高度會呈指數(shù)倍數(shù)增加，稱之為梯度風，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處的風速（m/s）；

V0代表基準高度h0處的風速（m/s），一般取10m處的風速；

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。百色鼎盛中央城項目處于廣西中心區(qū)，模擬計算時梯度指數(shù)取0.25。

（2）出風口邊界條件設定

出風口按照理想狀況考慮，即湍流發(fā)展充分,設定為自由出口。

（3）收斂判斷

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

圖4　 CFD計算的收斂曲線Fig.4 CFD calculation convergence curve

1.3 模擬工況

（1）氣候狀況

百色氣候特點是亞熱帶季風氣候，根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[10]和中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(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)計如表1。

表1　設計用室外氣象參數(shù)Tab.1 outdoor meteorological parameters

從上表可見，無論是冬季、夏季及全年，風向均為SE，僅由于季節(jié)的不同，風速略有不同，因此在進行風環(huán)境模擬時，取兩個工況，即夏季工況與冬季工況，對于全年最多風向，如若夏季風滿足要求，那么全年工況也應自然滿足要求。模擬工況設定見表2。

工況1主要對夏季主導風向平均風速條件下，建筑前后壓差、建筑周圍風環(huán)境情況進行分析，判斷自然通風情況，周邊是否會形成渦流、滯風區(qū)域從而影響周邊空氣品質(zhì)。工況2主要對冬季主導風向平均風速條件下，建筑周邊周邊流場、風速進行分析，判斷是否會影響形成風速過大區(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設定為夏季工況，風向為SE（南偏東45°），風速為1.8m/s。

2.1.1 1.5m處風速云圖及優(yōu)化思路

圖5為夏季主導風向為SE時平均風速條件下，百色某商業(yè)綜合體周邊1.5m高度處的風速云圖。圖中主要街道空間風環(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，由于夏季主導風向及全年主導風向均為東南風（SE方向），那么在區(qū)域體形的塑造上需要降低東南向迎風面密度，降低有效迎風面寬度，減小背后風影區(qū)，在圖中1號區(qū)域右上角體塊可適當調(diào)整，一字型排開，南側(cè)預留開敞空間，可做集中活動場地，左上角體塊?？稍跂|南側(cè)適當開口，減小迎風面密度，下部兩個體塊右側(cè)部分可適當更改開口方向，開口向右。2號、4號、5號區(qū)域可以在東南側(cè)預留適當風口。3號區(qū)域可以適當更改開口方向，并在中間聯(lián)系體部分適當預留風口。

圖5　夏季主導風向距地1.5 m 高度風速云圖Fig.5 summer wind speed image of 1.5 m level

2.1.2 5.7m處風速云圖及優(yōu)化思路

圖6為夏季風向為SE時平均風速條件下百色某商業(yè)綜合體周邊5.7m高度處的風速云圖。圖中可見二層商業(yè)部分風環(huán)境整體較好，弱風區(qū)較少，三處較差部分的風環(huán)境受一層的影響較大，通過一層的體塊調(diào)整，二層風環(huán)境會有所改善。

圖6　夏季主導風向距地5.7 m高度風速云圖Fig.6 summer wind speed image of 5.7 m level

2.1.3 12m處風速云圖及優(yōu)化思路

圖7為夏季風向為SE時百色某商業(yè)綜合體周邊12m高度處的風速圖，上部高層區(qū)域遮擋較少，整體風環(huán)境較好，不用考慮體型優(yōu)化問題。圖8為夏季風向為SE時百色某商業(yè)綜合體在縱剖面上的風速云圖，從剖面圖中不難發(fā)現(xiàn)，風環(huán)境的優(yōu)化重點在商業(yè)裙房部分，作為裙房之上的板式高層，間距較大，且與來流風向呈一定角度，風影區(qū)、渦流區(qū)較小。

圖7　夏季主導風向距地12m高度風速云圖Fig.7 summer wind speed image of 12 m level

2.1.4 迎風面與背風面風壓統(tǒng)計與室內(nèi)通風潛力判定

從建筑物能耗角度來看，合理運用自然通風一般有兩種目標：一是加強自然通風以達到降溫除濕的目的；二是防風以減少熱損失。就某一建筑或建筑群而言，可能著重于加強自然通風或防風，也可能需要在不同時段實現(xiàn)不同的目標。而對于中國大部分地區(qū)而言，常常需要實現(xiàn)兩個目標：一是在夏季、溫和季和過渡季加強自然通風；二是在冬季合理防風。那么在工況1中，需要判定建筑前后壓差大小來確定通風潛力。從圖9及圖10中可以看出，上部板式高層建筑迎風面及背風風壓差大于1.5Pa，具有良好的通風潛力，但在底部裙房部分，建筑迎風面遮擋較為嚴重，需要重新組織商業(yè)裙房部分的建筑形體。

圖8　夏季主導風向縱剖面風速云圖Fig.8 summer wind speed image of profile

圖9　夏季主導風向下迎風面風壓圖Fig.9 summer wind pressure image of the former

圖10　夏季主導風向下背風面風壓圖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設定為冬季工況，風向為SE（南偏東45°），風速為2.1m/s。根據(jù)綠色建筑評價標準，冬季工況主要判定建筑周邊風場及風壓差[12]。

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

3 結(jié) 語

通過上述兩個工況的模擬，可以進行總結(jié)與歸納。

圖11　冬季季主導風向1.5m風速云圖Fig.11 summer wind pressure image of 1.5 m level

圖12　冬季主導風向1.5m風壓云圖Fig.12 winter wind pressure image of 1.5m level

首先，對于建筑周邊風環(huán)境的模擬與優(yōu)化，可以利用CFD的手段，進行模擬與預測，并以Fluent為例，介紹了數(shù)值模擬軟件的邊界條件設定方法。

其次，詳細解析了《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）關(guān)于風環(huán)境模擬的判定方法，并以實際項目為例進行解析。

最后，在設計階段風環(huán)境優(yōu)化的思路角度來看，中國大部分地區(qū)而言，常常需要實現(xiàn)兩個目標：一是在夏季、溫和季和過渡季加強自然通風；二是在冬季合理防風。本文的案例中，討論了在設計階段夏季風優(yōu)化的可能性，即從迎風面建筑密度及建筑覆蓋率兩個角度進行優(yōu)化，減少風影區(qū)，提升環(huán)境質(zhì)量[15]。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. 綠色建筑評價標準 GB/T50378-2014[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2014.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. 中華人民共和國行業(yè)標準（JGJ/T 229-2010·備案號J 1125-2010）：民用建筑綠色設計規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2011.

[3] 馬京濤, 袁朵. 綠色辦公建筑創(chuàng)作研究——以南京某綠建大廈為例[J]. 生態(tài)城市與綠色建筑, 2011(01): 78-87.

[4] 趙鳳山, 聶梅生, 張雪舟, 等. 綠色低碳住區(qū)的節(jié)能優(yōu)化[J]. 生態(tài)城市與綠色建筑, 2011(01): 40-47.

[5] 李鹍, 余莊. 基于氣候調(diào)節(jié)的城市通風道探析[J]. 自然資源學報, 2006(06): 141-147.

[6] 唐毅, 孟慶林. 廣州高層住宅小區(qū)風環(huán)境模擬分析[J]. 西安建筑科技大學學報, 2001(04): 352-356.

[7] MURAKAMI S，DEGUCHI K. New criteria for windeffects on pedestrians[J]. Wind engineering ＆ industrial aerodynamics, 1981(01): 289-309.

[8] 陳宏. 建筑體型與布局對城市空間換氣效率的影響[J]. 武漢理工大學學報，2002(07): 44-46.

[9] NIKOLOPOULOU M，STEEMERS K. Thermal comfort and psychological adaptation as a guide for designing urban spaces[J]. Energy and Buildings, 2003(35): 95-101.

[10] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術(shù)科學系. 中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2005.

[11] 江步. 綠色建筑設計方法研究[D]. 武漢:華中科技大學, 2008.

[12] 林海燕, 程志軍, 葉凌. 國家標準《綠色建筑評價標準》GB/T50378-2014解讀[J]. 建設科技, 2014(16): 11-14.

[13] 萬一夢, 徐蓉, 黃濤. 我國綠色建筑評價標準與美國LEED比較分析[J]. 建筑科學, 2009, 25(08): 6-8.

[14] 唐燕. 生態(tài)住區(qū)的適宜技術(shù)研究[D]. 天津: 天津大學, 2013.

[15] 黃杉. 城市生態(tài)社區(qū)規(guī)劃理論與方法研究[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2012.

圖表來源：

圖1-2, 4-12：作者繪制

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

表1-2：作者繪制

（編輯：申鈺文）

收稿日期：2015-11-06

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

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20160121

文 章 編 號2095-6304(2016)01-0119-05

文獻標識碼B

中圖分類號TU-023