基于CFD模擬的高層住宅通風效果比較研究
——以香港穗禾苑為例

楊 娟，王之昊，田 真

（蘇州大學 金螳螂建筑學院，江蘇 蘇州 215123）

1 香港穗禾苑

巴馬丹拿事務所成立于1938年，是東南亞地區(qū)內歷史最悠久、規(guī)模最龐大的建筑及工程事務所。香港穗禾苑住宅小區(qū)是由該事務所于1980年設計的經濟適用高層公屋住宅，該小區(qū)位于沙田東南面山坡上，俯瞰整個沙田市中心，該公屋住宅類似國內的經濟適用住宅或者公共租賃住宅，小區(qū)內戶型可租可售。穗禾苑小區(qū)占地9.1萬m2，總建筑面積18.3萬m2，是香港20世紀70年代末期開始的“居者有其屋”計劃下設計最理想的屋苑之一[1]。

如圖1所示，穗禾苑建筑群由9棟高層住宅樓、幼兒園、學校、活動中心及商場等組成，每棟住宅樓均為36層。建筑組群采取每3棟住宅樓形成一個組團，3個組團的建筑布局形式相近，采用品字型布局，但品字型開口不同，分別面向東西兩個方向開口。9棟高層住宅基本上面向主導風向。各個組團中心庭院的布景形式不同。北邊的組團布置了一個健身公園，中間的組團是一個帶噴水池的公園，南邊的組團設計了一個錦鯉池。微風徐來，花香撲鼻，景色宜人，水聲潺潺，提升了建筑的空間品質。

高層住宅的標準層平面每層8戶，整個建筑單體平面呈風車狀。在每個樓梯間里，走廊端部的兩戶與走廊邊上的一戶錯開半層。如圖1平面圖所示，3、6、9、12四戶在一個標高上，剩下的八戶在一個標高上，錯層設計，避開了相鄰幾戶的干擾，營造了私密的入戶空間。電梯每三層?？恳淮?，提高了電梯的工作效率。每層中間的走廊不是封閉的，中間有一個大的公共平臺（見圖2），可供人們室外活動。在電梯不停靠的兩層，樓梯走廊擋板處設置了大圓洞，可供不同樓層間的人們相互對望，增加生活的情趣[2]。作為政府公屋，戶型套內建筑面積約37.3～56.6 m2，為2室2廳1廚1衛(wèi)，或3室2廳1廚1衛(wèi)設計，戶型設計相當經濟和緊湊。

穗禾苑設計方案在1981年榮獲香港建筑師學會“銀獎”。穗禾苑小區(qū)雖落成已經近40 a，但由于良好的維護與定期整修，整個小區(qū)運行情況良好，完全看不出是一個樓齡接近四十年的經濟適用房小區(qū)。過渡季節(jié)及初夏，小區(qū)及室內涼風習習，幾乎不用開空調也能達到較好的熱舒適度，為人所稱道。

圖1 穗禾苑總平面圖及單體建筑標準層平面示意圖

圖2 穗禾苑外觀及單元公共空間

2 香港穗禾苑風環(huán)境分析

根據(jù)香港氣象數(shù)據(jù)，夏季工況主導風向為東南風，東偏南22.5°，參考高度處（H=10 m)風速2.7 m/s。冬季工況取主導風向東北風，東偏北 22.5°，參考高度處（H=10 m)風速 2.9 m/s。運用ladybug對香港的氣象數(shù)據(jù)進行分析，探討香港自然通風的潛能。分析結果如圖3所示，在風速大于1 m/s，溫度小于32℃，相對濕度處于30%～80%的條件下，香港全年40.82%的時間段具有自然通風的潛能，即在全年8 760 h中有3 576 h可以通過自然通風調節(jié)室內溫濕度。采用計算流體動力學（CFD，Computational Fluid Dynamics）的方法對建筑周圍風環(huán)境狀況進行模擬評價，本次模擬采用的是綠建斯維爾公司開發(fā)研制的Vent軟件 （Open Foam計算核心）。在計算軟件Vent進行三維流動數(shù)值模擬從而得到建筑周邊的流場和建筑表面的壓力分布。為了簡化模型，對模型做了適當?shù)暮喕?，忽略了部分對風壓分布影響較小的建筑構件。為評價不同組團開口對風環(huán)境影響，分別對南部的東向開口組團及中部的西向開口組團進行單獨分析。

圖3 香港自然通風潛力分析圖

2.1 Vent CFD 模擬軟件

目前CFD計算方法方法主要采用有限差分法和有限體積法。一般情況下，兩者的數(shù)學本質及其表達是相同的，只是物理含義有所區(qū)別，有限差分基于微分的思想，有限體積基于物理守恒的原理。Vent2016軟件采用有限體積法，同時采用壓強校正法（SIMPLE）處理連續(xù)性方程，將運動方程的差分方程代入連續(xù)性方程建立起基于連續(xù)性方程代數(shù)離散的壓強聯(lián)系方程，求解壓強量或壓強調整量。Vent CFD計算需要將CFD數(shù)學模型中的高度非線性的方程離散為可用于求解的方程，這個過程需要用到差分方法。Vent采用二階迎風格式對方程進行離散，二階迎風格式的準確性可滿足一般流體模擬計算的要求[3]，同時滿足《建筑通風效果測試與評價標準（JGJ/T 309-2013）》對于模擬算法的要求。

2.2 香港穗禾苑建筑組群通風效果分析

速度場主要是查看人行高度處風速分布情況，根據(jù)評價要求，方便評價是否有超過5 m/s的情況。該項目模擬結果如圖4-圖7所示。

圖4 南部組團東向開口夏季東南風速度矢量及風速系數(shù)放大圖

圖5 中部組團西向開口夏季東南風速度矢量及風速系數(shù)放大圖

圖6 南部組團東向開口冬季東北風速度矢量及壓強云圖

從夏季的模擬結果來看，東向開口組團及西向開口組團建筑周邊行人高度處夏季室外風速有小部分區(qū)域低于0.5 m/s，場地風速均低于5 m/s，場地內各棟建筑交界處因為峽谷風效應，使得風速較快，風速放大系數(shù)可能大于2。模擬中未包括小區(qū)綠化樹木模型，實際情況下小區(qū)內部綠化環(huán)境優(yōu)美，可通過喬木與灌木結合能夠合理引導風的流動，減小風速放大系數(shù)，消除不利情況。從結果對比情況來看，東開口組團由于迎向夏季東南風向，使得各棟建筑室外都有較好的風環(huán)境，靜風區(qū)域較小，而西開口組團因為最北面建筑處于東南及南面兩棟建筑的影響，靜風區(qū)域較大。在各棟單體建筑中，因為風車型的平面布局，使得中部的開口及邊翼的展開起到了較好的“捕風”功能，促進了夏季風的流動。另外建筑建筑師設計了一條南北方向的主要風廊以及東西向次要的風廊，以此通過風廊來進一步導風到各個住宅戶型單元。

在室外活動場所，每個組團都增添水景設施或者采用滲水路面或者綠化磚，減少了局部熱島效應[4]。大部分建筑前后存在一定壓差，滿足《綠色建筑評價標準》中的夏季建筑前后風壓壓差大于0.5 Pa的規(guī)定[5]。

壓力場主要通過不同高度處的壓力分布等值線圖以及建筑表面風壓分布圖來進行評價和計算建筑迎風面和背風面的壓力差。從冬季的模擬結果來看，整體上室外行走空間風速不超過5 m/s，大量的喬木與灌木結合能夠合理引導風的流動，減小風速，消除不利情況。由于香港主導風向是東風，穗禾苑布局排列方式造成9棟高層建筑都是迎風建筑。所以在冬季建筑迎風面和背風面壓差較大，不利于冬季保溫，不可以確保冬季建筑前后壓差不大于5 Pa，因此應重視東側建筑和高層建筑的東向外窗氣密性。西部開口組團南側建筑因處于背風處，整體風速較低。從夏季及冬季建筑組團分析情況來看，東向開口3棟建筑均處于可迎風情況，而西向開口冬夏季總有一棟建筑處于背風處。因而東向開口整體室外風速較為均勻而且風速放大系數(shù)較小而占優(yōu)，但是優(yōu)勢并不明顯，因此整體上兩種組群布置方式差別不大。

2.3 穗禾苑建筑組群通風方案比較

由于穗禾苑小區(qū)屬于政府公屋，在整體上需要節(jié)省用地并降低成本，因此如何實現(xiàn)最小占地以及最小的公攤面積的要求使得建筑師創(chuàng)造性地設計了一個風車型的建筑平面，同時利用公共走道連接各戶型。整體上，穗禾苑的平面布局能夠改善空氣質量，提高室內外新鮮空氣的流通，促進自然風循環(huán)，營造出高品質的通風環(huán)境。錯層設計使建筑各個方向均勻設有開口，不僅避免了相鄰幾戶的相互干擾，而且中間的公共平臺與通風廊道起到了引導風向的作用。穗禾苑的建筑平面設計中有一條南北向主要通風廊道，可以通過改變通風廊道的方向，分別通過旋轉平面的最簡單方式來調整通風廊道的方位來評估其他方案的優(yōu)劣。方案一，將平面鏡像，使通風廊道的進風方向和出風方向與現(xiàn)有情況恰好相反；方案二，把平面順時針旋轉90°，使主通風廊道呈東西向布置，與該區(qū)域冬季主導風向幾乎保持一致。

從圖8圖9與圖4對比看，旋轉90°后夏季室外通風情況為最佳，室外風速放大系數(shù)最小。其主要原因在旋轉后東南角通風開口與風廊道最大，側翼展開距離也最大，因而通風潛力與“捕風”能力也最大，在室外可提供更好的通風環(huán)境。另外從圖9風速矢量圖可以看出，呈品字型排列的三棟建筑內風廊處風速流向比較統(tǒng)一，而現(xiàn)有設計及鏡像方案中三棟建筑通風廊道內風速流向各異。

從圖10、圖11與圖6對比看，方案一與方案二均比現(xiàn)有設計更好。主要原因是通過現(xiàn)有平面的鏡像或者旋轉90°，使得建筑組團東北角面向東北風的開口更大，因而冬季的主導風可通過風廊順利輸送到建筑下風側，可以減少迎風面風壓，從而減少冬季迎風面門窗的冷風滲透。

圖8 方案一夏季東南風速度矢量圖

圖9 方案二夏季東南風速度矢量圖

圖10 方案一冬季東北風壓強云圖

圖11 方案二冬季東北風壓強云圖

3 穗禾苑建筑單體室內風環(huán)境分析

從以上模擬結果可知，整體上穗禾苑具有良好的自然通風效果，但也存在著夏季局部區(qū)域風速偏低，同時各棟建筑冬季東北風風壓較大?，F(xiàn)有設計與方案二（旋轉90°）相對鏡像方案更佳?，F(xiàn)有設計與旋轉方案的室內風環(huán)境云圖與空氣齡圖見圖12、圖13。

從圖12圖13模擬結果和圖14室內換氣次數(shù)統(tǒng)計結果，可得出如下主要結論：

（1）現(xiàn)有設計與旋轉方案夏季室內主要空間通風狀況良好，空氣換氣次數(shù)高。在夏季室外風速為東南風2.7 m/s的情況下，12個戶號室內換氣次數(shù)為39～181 ACH，平均換氣次數(shù)達到了89 ACH。

（2）無論是現(xiàn)有設計還是旋轉方案，建筑西北角即圖1平面圖中的戶號10、11和12因為處于整個戶型平面的負壓區(qū)，雖然建筑平面設置了連廊作為風廊，但是因為所處的位置不佳因而換氣次數(shù)比其他戶號小。戶號3與6亦因東南側被遮擋，換氣次數(shù)低于迎風側戶號。

（3）整體而言，現(xiàn)有設計與旋轉方案在夏季室內通風情況差距較小，但旋轉方案冬季室外整體風壓較小。通過對各戶的夏季室內換氣次數(shù)比較（見圖14），可以發(fā)現(xiàn)，旋轉戶型90°后，提升了部分換氣次數(shù)較低戶號的室內換氣次數(shù)(戶號1、6、8、11、12)，因而在風速較小的條件下可提升室內通風換氣量，因而比現(xiàn)有設計更優(yōu)。

圖12 設計方案夏季東南風室內風速云圖與室內空氣齡圖

圖13 旋轉90°方案夏季東南風室內風速云圖與室內空氣齡圖

圖14 現(xiàn)有及旋轉方案夏季各戶號室內換氣次數(shù)

4 結語

巴馬丹拿設計的風車形的穗禾苑戶型，住宅樓內部都有一條通風廊道。從CFD模擬結果可以看出，通風廊道的設計比以往設計方案中的封閉走廊，室內外通風效果要增強很多。針對風車形戶型平面，可通過戶型平面凹入與凸出，利用通風廊道，采用的“通風”與“捕風”的方法來組織高層住宅走廊的氣流，減少風影區(qū)的覆蓋區(qū)域，使得建筑周圍獲得相對較好的自然通風環(huán)境。這種布局能夠引導氣流斜向進入建筑群內部，減少氣流的阻力，能夠使氣流流線間距拉長，有利于高層住區(qū)的通風，加強了室外的自然通風能力。同時，如果讓通風廊道與冬季室主導風向一致，東北風不會在建筑墻面向上大量聚集，使外墻壓強減小，減少冷風滲透量，有利于冬季的保溫防寒效果。

從對比方案的模擬結果來看，當住宅樓內部主要通風廊道與該區(qū)域主導風向在一個方位上，可改善建筑組群內風環(huán)境，加強室內自然通風，因此采用旋轉后的公共風廊道布局方式比現(xiàn)有方案更優(yōu)。當然該建筑建于上個世紀八十年代，當時基于CFD計算的分析方法還未開始，而在今天通過基于CFD模擬的住宅風環(huán)境比較與優(yōu)化方法獲得了更為廣泛的認可。

自然通風是高層住宅設計中改善室內環(huán)境舒適度的一種有效手段，不同的規(guī)劃布局、窗口布置、窗戶選型以及室外綠化都會對小區(qū)和室內的風環(huán)境產生一定的影響[6]。因此，在進行方案設計時，通過CFD模擬分析與比較，可更好地將自然通風與建筑設計相結合，有利于實現(xiàn)更好的建筑室內外自然通風。