小區(qū)風(fēng)場(chǎng)對(duì)建筑微氣候的影響

祖豐

摘 要：建筑小區(qū)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布以及污染物濃度分布狀況不僅對(duì)建筑規(guī)劃產(chǎn)生影響，而且在建筑節(jié)能、環(huán)保等方面影響深遠(yuǎn)。為了具體探求小區(qū)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布與影響，文章應(yīng)用實(shí)地測(cè)量與計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬的方法研究了現(xiàn)實(shí)生活中小區(qū)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)強(qiáng)度分布特點(diǎn)，并研究小區(qū)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)與溫度場(chǎng)的相互關(guān)系。研究結(jié)果表明，在小區(qū)入口處，樓宇之間以及建筑物拐角處風(fēng)速較大，在風(fēng)速較大區(qū)域建筑外墻溫度較低；局部地方外墻溫度的差異，嚴(yán)重影響了室內(nèi)供暖負(fù)荷的差異和熱濕環(huán)境，又影響著室外各種污染物的傳播與擴(kuò)散。

關(guān)鍵詞：風(fēng)場(chǎng)；溫度場(chǎng)；建筑布局；微氣候

引言

人類(lèi)的安居環(huán)境與室外氣流運(yùn)動(dòng)（主要指大氣層底層）密切相關(guān)。風(fēng)溫度場(chǎng)以及污染物濃度分布不僅對(duì)建筑規(guī)劃產(chǎn)生影響，而且在建筑節(jié)能、環(huán)保等方面影響深遠(yuǎn)，尤其是當(dāng)今城市建筑群（住宅小區(qū)），常年的主導(dǎo)風(fēng)向在固定的建筑布局中形成諸多問(wèn)題：建筑物之間距離不合理引起了強(qiáng)烈的巷道風(fēng)效應(yīng)，同時(shí)降低外墻溫度，會(huì)增加建筑的熱損失；工廠(chǎng)或鍋爐房排煙系統(tǒng)位于主導(dǎo)風(fēng)上游，擴(kuò)散的污染物彌漫整個(gè)小區(qū)；分體式空調(diào)機(jī)的大量應(yīng)用等問(wèn)題使室外熱環(huán)境急劇惡化，不僅影響室內(nèi)熱舒適性，而且增加了建筑能耗。倘若能使室外氣流運(yùn)動(dòng)與居民小區(qū)規(guī)劃相協(xié)調(diào)，不僅能使上述問(wèn)題迎刃而解，而且會(huì)改善住宅小區(qū)的內(nèi)外部環(huán)境。

本研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及算流體力學(xué)（CFD）模擬的方法研究小區(qū)內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布；研究小區(qū)內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)對(duì)建筑外表面墻體溫度的影響及其對(duì)建筑熱負(fù)荷的影響。

1 研究對(duì)象及研究方法

本研究選定了一所高檔住宅小區(qū)為研究對(duì)象，占地約15公頃，建筑面積18萬(wàn)平方米，三面環(huán)山，一面望海。此區(qū)域一共有16棟居民樓。四周與其他的建筑物有一定的距離，可以近似獨(dú)立出來(lái)研究。

本文采用了實(shí)地測(cè)量與CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探求小區(qū)風(fēng)場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布。在實(shí)地測(cè)量時(shí)為了探究小區(qū)的風(fēng)場(chǎng)與溫度場(chǎng)，以及其可能產(chǎn)生的影響，我們測(cè)量的參數(shù)包括空地處離地面1.5米高的風(fēng)速，墻體離地面1.5米處的溫度與風(fēng)速。并且盡量選擇避開(kāi)陽(yáng)光直射的點(diǎn)，降低太陽(yáng)輻射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2 測(cè)量結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬

根據(jù)實(shí)測(cè)時(shí)的天氣情況，在運(yùn)用CFD數(shù)值計(jì)算時(shí)，其邊界條件按照實(shí)際風(fēng)速與溫度來(lái)定義，并且做一些理想假設(shè)。假設(shè)一，假設(shè)地面處于水平狀態(tài)。假設(shè)二，認(rèn)為氣流各層面之間影響微小。假設(shè)三，實(shí)驗(yàn)區(qū)以外建筑對(duì)試驗(yàn)區(qū)域不產(chǎn)生影響?；谏鲜黾僭O(shè)，可將此模型設(shè)計(jì)為二維穩(wěn)態(tài)問(wèn)題近似處理。經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算收斂后即可得出小區(qū)的風(fēng)場(chǎng)如圖1所示。

從圖1中可以看到很多地方存在渦旋氣流，有風(fēng)影區(qū)和導(dǎo)風(fēng)巷。這些都不利于氣體污染物或一些可吸入懸浮顆粒的傳播與擴(kuò)散，嚴(yán)重影響室外的空氣品質(zhì)。同時(shí)在某些點(diǎn)風(fēng)速過(guò)大，這樣冬天不便于行人的外出活動(dòng)。

以上述數(shù)值模擬成果作為參照，本研究以實(shí)地測(cè)量為基本原則，研究建筑周?chē)L(fēng)場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)量所用儀器有熱球風(fēng)速儀和熱線(xiàn)風(fēng)速儀。本研究測(cè)量了單棟樓周?chē)娘L(fēng)速與溫度的分布。測(cè)點(diǎn)選取后，通過(guò)逐點(diǎn)測(cè)量得出一系列數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)綜合整理分析得出速度與溫度的關(guān)系。如圖2，3所示，可以看出由于三號(hào)樓的風(fēng)場(chǎng)與溫度場(chǎng)與七號(hào)樓相比變化顯著，風(fēng)速增加3m/s，外墻溫度降低0.6℃，因?yàn)?號(hào)樓靠近園區(qū)外側(cè)，風(fēng)速變化大，7號(hào)樓在園區(qū)內(nèi)，存在樓宇之間存在遮擋，使7號(hào)樓周?chē)L(fēng)速和溫度變化較小。同時(shí)從圖中可以看到，在風(fēng)速波動(dòng)點(diǎn)，溫度也有波動(dòng)，表面建筑周?chē)娘L(fēng)場(chǎng)直接影響建筑外墻溫度，進(jìn)而影響建筑的冷熱負(fù)荷。

通過(guò)上述過(guò)程可知小區(qū)風(fēng)場(chǎng)的存在，可導(dǎo)致建筑外墻體最大溫差可達(dá)0.6度。由傳熱計(jì)算公式Q=cm△t，建筑的熱負(fù)荷增加。由此可以看出，合理布局減小小區(qū)風(fēng)場(chǎng)對(duì)建筑外墻溫度的影響，能有效減少建筑能耗。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)測(cè)與數(shù)值仿真模擬計(jì)算相結(jié)合的方法客觀評(píng)價(jià)小區(qū)風(fēng)場(chǎng)對(duì)小區(qū)溫度場(chǎng)的影響。通過(guò)測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果類(lèi)比分析得到，在小區(qū)入口處，樓宇之間以及建筑物拐角處風(fēng)速較大，在風(fēng)速較大區(qū)域建筑外墻溫度較低；測(cè)量結(jié)果表明風(fēng)速增加3m/s，外墻溫度降低0.6℃，建筑能耗增加。通過(guò)合理布局可以有效降低小區(qū)風(fēng)場(chǎng)對(duì)小區(qū)微環(huán)境的影響，例如在風(fēng)速比較大的區(qū)域內(nèi)種植些植物特別是灌木叢，將大大降低區(qū)域內(nèi)風(fēng)速，從而減小風(fēng)對(duì)外墻溫度的影響，同時(shí)方便人們外出活動(dòng)；適當(dāng)增加墻體保溫能力，使用熱租大的材料進(jìn)行外墻保溫從而減小熱損失提高建筑節(jié)能效果；在小區(qū)風(fēng)場(chǎng)渦流區(qū)內(nèi)設(shè)置一些籬笆涼亭之類(lèi)的公共構(gòu)筑物不僅裝飾建筑，同時(shí)能降低渦流對(duì)附近的影響。

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