Application of CFD Technology-based Analysis on Outdoor Wind-heat Environment in A Large Commercial Building

杜晓磊，周书兵（中机中联工程有限公司，重庆　400060）



基于CFD技术的室外风热环境分析在某大型商业建筑中的应用

Application of CFD Technology-based Analysis on Outdoor Wind-heat Environment in A Large Commercial Building

杜晓磊，周书兵
（中机中联工程有限公司，重庆400060）

摘要：商业建筑的室外风、热环境不仅影响室外广场等人行区域的舒适与安全，更是室内空间进行物理环境设计时的外部条件。该文采用CFD数值模拟方法，对重庆市某大型商业综合体的室外风热环境进行了详细的分析与评价，并提出优化设计建议。该文的研究将为改善该项目的建筑风热环境品质提出有效的技术措施，并为类似工程问题提供参考。

关键词：建筑风热环境；CFD数值模拟；优化设计

Abstract:The outdoor wind-heat environment of the commercial building is not only an influencing factor on the comfort and safety of pedestrian area like outdoor square, but an external condition for the physical environment design of the indoor space. With CFD numerical simulation method, the outdoor wind-heat environment of a large commercial complex in Chongqing is analyzed and assessed in detail, with advice on optimization design presented. The study can offer some effective technological measures and some references for similar project as well.

Keywords:building wind-heat environment; CFD numerical simulation; optimization design

引言

城市空间的风热环境是在局部气象条件和城市化的人为因素共同作用下形成的。这些因素主要有：太阳辐射、气温、湿度、通风、降水（雪）、下垫面性质的改变、人为热、过量温室气体的排放以及大气污染等。由于上述因素的影响，建筑群内产生对流换热减弱，空气质量下降等不良状况，导致建筑群周围的生态环境恶化，对人体健康带来不利影响。随着人们对生活舒适度、身体健康、安全程度要求的进一步提高，良好的区域风热环境已然成为城市人居环境生态化的重要标志[1，2]。

图1　项目效果图

拟建项目位于重庆市渝北区，总用地面积为7.54万m2，总建筑面积74.6万m2。如图1所示，目标分析建筑为大型多层商业一栋，高层办公楼两栋及小型低层商业群落。建筑主要功能为商务办公、大型商业、小型商业、餐饮步行街等。图2显示为项目地块周边1km范围的主要建筑，其中右侧为大会堂、法院等公共设施，左侧为住宅小区；西北侧（通风来流方向）为高层办公建筑和低层商业综合体。本分析综合考虑风速、太阳辐射和温度等因素，对项目室外风热环境进行分析评价，为场地物理环境的优化提出策略性建议，以期提高户外场地的舒适度，并达到提高建筑周边人行区的热舒适度和节约建筑能耗的目的。

1　技术方案

1.1分析方法与计算模型

项目采用通用流场计算软件PHOENICS对拟建项目建筑周边风热环境进行模拟分析，计算室外风流场分布和评估项目建筑室外风环境是否满足标准要求。一般情况下，室外气流属于三维、非定常、不可压缩的湍流流动。本分析中采用标准k-ε湍流模型和IMMERSOL辐射模型模拟项目周边风热环境状况。

（1）风场分析参数设置

假定建筑来流方向风速为均匀分布，不同高度平面上的来流风速大小则沿建筑高度方向按梯度递增。分析项目室外风环境模拟按室外场地状况粗糙度指数n值设置为0.22。

（2）温度场分析参数设置

依据《城市居住区热环境设计标准》JGJ286-2013[3]中重庆地区夏季典型气象日的气象参数，设置项目SUN模型及相关参数。另根据项目实际设计的选材特点，为计算区域内的建筑、道路、绿化、水体等材质的太阳能得热系数、表面换热系数等参数赋值。

（3）建筑模型及网格划分

根据设计提供的建筑总平面图以及其他相关资料建立项目的室外风热环境模拟模型。计算区域设置为3600m×4500m×800m（长×宽×高），建筑覆盖区域置于计算区域的中心，针对重点观测人行区域进行局部加密，计算网格总数约为1573万。项目几何模型与水平方向网格划分效果分别如图2、图3所示。

图2　几何模型

图3　网络划分

1.2工况设置

（1）风环境分析工况

参考重庆市《绿色建筑评价标准》DBJ50/T -066 -2014[4]的分析工况设置要求，对《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[5]中重庆地区典型气象年的平均风速、风向频率等气象参数进行统计分析，得到夏季、过渡季节和冬季的工况设置边界条件如表1所示。

表1　风环境分析工况设置

（2）热环境分析工况

依据《城市居住区热环境设计标准》JGJ286-2013[3]中重庆地区夏季典型气象日的气象参数统计，分别取全天四个典型时刻（9:00、12:00、15:00、18:00）的温度、太阳辐射、风速等气象参数作为模拟工况的边界条件（表2）。

表2　热环境分析工况设置

2　风环境分析

模拟夏季平均风速、过渡季平均风速、冬季10％大风等三种工况条件下建筑周边流场分布状况，重点分析内容：建筑周围人行区1.5m高处风速及分布；建筑周围人行区1.5m高处风速放大系数分布；建筑表面风压分布及压差情况。

2.1风速

项目各工况风速分析结果如图4-图7所示。通过分析可以得出：主导风向条件下，气流从西北侧吹向项目建筑，建筑周边无明显的滞风现象；周边市政道路与项目地块的建筑布局均能很好迎合本地过渡季节主导风向，有利于场区内部的通风和污染物消散；但在低层商业内区、两侧等区域风速小于0.5m/s，不利于夏季场地蓄积的热量和污染物的消散；冬季工况条件下，建筑周围风速基本处于0.1～3.5m/s，人行区风速低于5m/s，不会对建筑周边的行人舒适性造成不利影响；夏季和冬季工况条件下，项目风速放大系数均保持在0.1～1.8之间，而在过渡季大风工况局部如高层办公建筑两侧风速放大系数均已达到或超过标准限值，应采取适当措施进行防风导风。

2.2风压

对项目过渡季和冬季工况建筑表面风压进行分析，结果如图8-图9所示。通过分析可以得出：项目商业建筑迎背风面压力条件有利于组织建筑室内过渡季间歇性的自然通风。项目高层建筑前后表面风压约在3.0～10.0Pa之间，且随着高度增高，压差也随之加大。建筑高区组织自然通风，应防止通风速度过大带来的不利影响；过渡季节主导工况因建筑布局与主导风向平行且建筑高度较低，项目低层商业建筑正立面前后压差较小，建议在过渡季节适当增加侧向开窗面积以提高自然通风利用效率；冬季工况项目高层建筑前后表面约在2.0～25.0Pa之间，室外风环境深刻影响建筑室内风环境，故应注重冬季防风，减少气流渗透，有效降低采暖能耗。

3　热环境分析

3.1人行区温度

对项目9、12、15、18时场地热环境进行分析，其中各工况分析结果如图10-图13所示。通过分析可以得出：9点工况项目人行区温度基本都在27.0～33.0℃左右，温升情况在行人体感温度接受范围内；由于低层商业附近通风条件较差，可以看出此时起场区热量即开始蓄积，温度约在31.0～37.0之间；12点工况和15点工况项目人行区温度基本在31.0～35.0℃左右，低层商业局部通风条件较差的区域温度可以达到39.0左右，此时的场区的热舒适度较差，建议采取活动遮阳或增加水景等措施改善热环境；18点工况项目人行区温度基本都在26.0～28.0℃左右，整个场区温度波动幅度较小，此时行人感觉较为舒适。

3.2建筑表面温度

对项目9、12、15、18时建筑表面热环境进行分析，其中各工况分析结果如图14-图17所示。通过分析可以得出：9点工况场地表面温度在28～38℃之间，建筑表面温度在30～48℃之间，场地表面温度有一定幅度升高，道路和场地内硬质铺装呈现出的差异较为明显；12点工况和15点工况项目场地表面温度在30～45℃之间，建筑表面温度在39～55℃之间，低层大商业建筑屋顶接受的太阳辐射较多，风速相对于高层建筑屋顶低，故表面温度较高，不适宜进行室外活动或做外摆位开发；18点工况场地表面温度在26～28℃之间，建筑表面温度在28～34℃之间，场地与建筑表面温度升高幅度较小，说明风速变大后，场地温度降低效果明显。

4　结论及建议

根据以上风热环境分析可知，项目室外风环境设计基本能够满足有关风速、风压及风速放大系数的要求；公共建筑受制于其周边绿化、铺装条件，项目场地热环境不尽人意，经分析提出以下建议：

3.2.3 注射前排尽空气执行率低 《中国糖尿病药物注射技术指南2011版》［8］中明确要求:为保证药液通畅并消除针头死腔，应按厂家说明书推按注射笔按钮，确保至少1滴药液挂在针尖上。表3显示，患者对"注射前缺乏再次排气"操作步骤的执行效果较差，仅有29.7% 的患者做到。该结果与国内同类研究［9，11-12］的结果相一致。这说明患者对排气的意识极其淡薄，这一不规范操作将造成注射剂量不准，从而影响治疗效果。

（1）夏季户外活动场地应有遮阳。

建议布置位置：项目低层商业地块内区、沿街商业入口处、及距建筑外立面周边3～5m范围内，另需结合项目立面效果进行整体设计。

建议遮阳方式：采用固定式棚、架、膜结构等构筑物遮阳方式，或采用绿化和构筑物混合遮阳方式。

（2）合理设计屋顶绿化或垂直绿化改善场区热环境。

建筑布置位置：多层大型商业顶部空间、低层商业西侧和南侧立面。

建议绿化方式：屋顶绿化宜采用生命力强、易于管理的植物；墙面绿化宜采用叶片重叠覆盖率较高的爬藤植物。

（3）采取蒸发降温以改善场地热环境。

建议设计方式：扩大项目水景面积、室外休憩停留场所中午时段采用人工雾化降温。停车场地和人行道路等建议考虑有雨水渗透和蒸发能力的地面铺装。

参考文献：

[1]杨易，金新阳，杨立国.高层建筑群行人风环境模拟与优化设计研究[J].建筑科学，2011（1）.

[2]王翠云.基于遥感和CFD技术的城市热环境分析与模拟——以兰州市为例[D].兰州：兰州大学，2008.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ286-2013城市居住区热环境设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[4]重庆市城乡建设委员会.DBJ/T50-066-2009绿色建筑评价标准[S].重庆：2014.

[5]中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社，2005：147-148

责任编辑：孙苏

信息快读

住房城乡建设部印发指导意见推进BIM应用

为满足发展需要，住房城乡建设部工程质量安全监管司于2012年开始组织有关协会学会、高校、设计和施工单位开展相关课题研究，在总结研究成果基础上，着手起草有关文件，并充分征求吸收各方意见，形成了《指导意见》。

《指导意见》明确了BIM应用的基本原则，即“企业主导，需求牵引；行业服务，创新驱动；政策引导，示范推动”。

《指导意见》同时提出了发展目标：到2020年年底，建筑行业甲级勘察、设计单位以及特级、一级房屋建筑工程施工企业应掌握并实现BIM与企业管理系统和其他信息技术的一体化集成应用。以国有资金投资为主的大中型建筑以及申报绿色建筑的公共建筑和绿色生态示范小区新立项项目勘察设计、施工、运营维护中，集成应用BIM的项目比率达到90％。

《指导意见》强调BIM的全过程应用，指出要聚焦于工程项目全生命期内的经济、社会和环境效益，在规划、勘察、设计、施工、运营维护全过程普及和深化BIM应用，提高工程项目全生命期各参与方的工作质量和效率，并在此基础上，针对建设单位、勘察单位、规划和设计单位、施工企业和工程总承包企业以及运营维护单位的特点，分别提出BIM应用要点。要求有关单位和企业要根据实际需求制订BIM应用发展规划、分阶段目标和实施方案，研究覆盖BIM创建、更新、交换、应用和交付全过程的BIM应用流程与工作模式，通过科研合作、技术培训、人才引进等方式，推动相关人员掌握BIM应用技能，全面提升BIM应用能力。

此外，《指导意见》还提出了7项保障措施，包括宣传BIM理念、意义、价值，梳理、修订、补充有关法律法规，建立BIM应用标准体系，自主研发适合我国国情的BIM应用软件，培育BIM应用产业化示范基地和产业联盟，培训BIM应用人才，研究基于BIM的工程监管模式。

《指导意见》为进一步推动BIM在我国建筑领域的应用，支撑建筑行业技术升级，变革生产方式，创新管理模式奠定了坚实的基础。可以预见，随着《指导意见》的贯彻落实，我国建筑领域将进一步掀起BIM应用的热潮，不断推动我国建筑业转型升级和健康持续发展。（住建部门户网）

作者简介：杜晓磊（1988-），男，河南禹州人，研究生，助理工程师，主要从事绿色建筑咨询工作。

收稿日期：2015-10-16

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.01.017

中图分类号：TU111

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）01-0017-04