大型工業(yè)建筑群室外風環(huán)境優(yōu)化設計探索與實踐*

張 華 陳 冰 張 華 熊明惠

(1.湖州師范學院， 浙江湖州 313000； 2.西交利物浦大學， 江蘇蘇州 215123；3.中色科技股份有限公司蘇州分公司， 江蘇蘇州 215026)

工業(yè)建筑在其使用過程中會產(chǎn)生大量的余熱與有害氣體，需要及時排至室外，并依靠室外的自然通風盡快驅(qū)散，才能保持良好的室內(nèi)外環(huán)境[1]。良好的自然通風可以有效避免室外工業(yè)污染物的聚集，進而提升工業(yè)建筑室內(nèi)外環(huán)境。目前與工業(yè)建筑通風設計相關的研究中，多是對室內(nèi)的通風進行數(shù)值模擬分析，并提出設計優(yōu)化建議，如曹毅然對上海世博園區(qū)重型裝配車間的室內(nèi)改造設計進行了通風數(shù)值模擬，并提出了局部改造設計意見[2]；曹為學運用數(shù)值模擬技術對汽車生產(chǎn)車間的自然通風進行分析，優(yōu)化改造車間的工作環(huán)境[3]；張康以蘇州地區(qū)某機械加工廠房為例，通過數(shù)值模擬的結果改善了廠房通風設計，提升了車間的舒適度[4]；劉撫英等利用數(shù)值模擬技術分析，提出在工業(yè)建筑中合理利用中庭空間來加強自然通風，改善室內(nèi)熱環(huán)境[5]；劉敏等采用多區(qū)域網(wǎng)絡模型法和CFD方法，在工業(yè)建筑改造中提出了改善通風開口面積及位置的建議[6]。也有室外風環(huán)境分析的相關研究，如賀芳等利用數(shù)值模擬技術分析了漳州廠房項目兩種布局方案的室外風環(huán)境，優(yōu)選了較好的布局形式[7]；Zhou Jie等采用數(shù)值模擬的方法分析了建筑物布局及不同設計情況下的室內(nèi)風環(huán)境，為食品加工工廠的設計提供建議[8]。多數(shù)研究是采用數(shù)值模擬的方法，對比分析幾個不同工業(yè)建筑設計方案的優(yōu)劣，或通過數(shù)值模擬的結果對設計方案提供建議。工業(yè)建筑數(shù)值模擬中的網(wǎng)格劃分、物理模型設置等步驟，不僅需要大量的時間，也需要較多空氣動力學知識，而工業(yè)建筑規(guī)劃及建筑設計人員缺乏這方面的知識[9]。但目前的研究中較少見到提升數(shù)值模擬方法及對設計方案多次優(yōu)化的案例。本文借助數(shù)字技術，構建了工業(yè)建筑數(shù)值模擬中常用的計算模塊，實現(xiàn)了數(shù)值模擬中重復步驟的自動運行，簡化了工業(yè)建筑數(shù)值模擬優(yōu)化的過程；最后以包裝材料工廠為例，針對精整車間各分區(qū)之間的間距進行了優(yōu)化，并在建成后進行了測試，基本滿足了工廠室外通風的需求。

1 數(shù)值模擬方法

常用的風環(huán)境數(shù)值模擬軟件有PHOENICS、Airpak、STAR-CCM+、Fluent等，部分軟件開發(fā)了針對建筑的風環(huán)境計算模塊，但同時也限制了軟件的擴展功能。本文選用具有強大自定義功能的STAR-CCM+軟件進行數(shù)值模擬。該軟件中的場函數(shù)、報告等工具便于對軟件的功能進行擴展，軟件的多面體網(wǎng)格對大小不同的建筑空間具有較好的適應性。借助數(shù)字技術對數(shù)值模擬的過程進行簡化處理，探索快捷、準確的建筑設計方案優(yōu)化方法。

1.1 常用計算模塊的設定

針對工業(yè)建筑通風數(shù)值模擬的特點，對模擬中常用的計算模塊分別進行設定，后續(xù)的模擬可以直接調(diào)用，提升數(shù)值模擬的效率。分析工業(yè)建筑通風數(shù)值模擬的過程，篩選出常用的風速剖面、室外風速放大系數(shù)、舒適風速區(qū)比率、靜風區(qū)比率四個計算模塊進行設定。

1.1.1風速剖面

平均風速隨著離地面高度的變化而變化，其變化規(guī)律稱作風速剖面，變化規(guī)律有指數(shù)律模型、對數(shù)律模型，李秋勝等通過實測得知指數(shù)律模型、對數(shù)律模型在100 m以下均與實測風速接近，指數(shù)律模型形式簡單且被世界上大部分國家的建筑規(guī)范所采用[10]，本文選用指數(shù)律模型，計算式如下：

Vz=V10(z/10)α

(1)

式中：α為地面粗糙度指數(shù)，取值參考GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》，根據(jù)不同的地形條件進行取值[11]；V10為10 m高處來流風的風速；z為計算域內(nèi)任一點的高度；Vz為該點的風速。

1.1.2室外風速放大系數(shù)

建筑周圍的風速是時刻變化的，風速并不能完全反映建筑周圍的風環(huán)境，本文引入室外風速放大系數(shù)的概念，建筑四周距離地面1.5 m高處的風速與來流風方向開闊處同高度風速的比值，稱為室外風速放大系數(shù)，室外風速放大系數(shù)更能體現(xiàn)建筑周圍的風環(huán)境狀況，其計算式如下：

W=V0/V1.5

(2)

式中：V0為計算域內(nèi)任一點1.5 m高度的風速;V1.5為來流風方向開闊處1.5 m高度的風速。

1.1.3舒適風速區(qū)比率

建筑周圍舒適風速的面積占評價區(qū)域總面積的比值，稱作舒適風速區(qū)比率，以此作為風環(huán)境的評價因子之一，計算式如下：

CW=SC/S

(3)

式中：SC為舒適風速區(qū)域的面積，舒適風速參考已有的研究(夏季室外風速在0.7～2.9 m/s之間的為舒適風速，冬季室外風速在0.5～2.0 m/s之間為舒適風速)[12-13];S為評價區(qū)域總面積；CW為舒適風速區(qū)比率。

1.1.4靜風區(qū)比率

建筑周圍靜風區(qū)域面積占評價區(qū)域總面積的比值，稱作靜風區(qū)比率，以此作為風環(huán)境的評價因子之一，計算式如下：

SW=SS/S

(4)

式中：SS為靜風區(qū)域的面積，靜風風速參考已有的研究(室外風速在0～0.5 m/s之間為靜風風速)[12-13]；SW為靜風區(qū)比率。

1.2 重復運行步驟的運行簡化

優(yōu)化設計需要多次進行數(shù)值模擬，本文在初次數(shù)值模擬的基礎上，對模擬的步驟進行分解，篩選出重復運行的計算步驟，借助軟件中的“宏”工具，分別用程序語言設定并導出，在后續(xù)的數(shù)值模擬中直接調(diào)用導出的文件，以此簡化數(shù)值模擬的過程。簡化操作步驟的內(nèi)容將在本文2.2小節(jié)中進一步描述。

2 大型工業(yè)建筑群通風優(yōu)化設計

本文以中鋁瑞閩股份有限公司高端電子和環(huán)境友好型包裝材料智慧工廠為例，探討大型工業(yè)建筑群通風設計優(yōu)化。該項目位于閩臺(福州)藍色經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園，占地面積約80萬m2，主要包含熔鑄車間、熱軋一車間、熱軋二車間、壓延一車間、壓延二車間、精整一車間、精整二車間、汽車板車間、原料堆場以及檢測中心、宿舍樓、食堂等生產(chǎn)和配套設施，見圖1。

圖1 包裝材料工廠總平面 mFig.1 The general plan of the packaging material plant

廠區(qū)的車間運行期間產(chǎn)熱量較大，因為生產(chǎn)工藝的要求，部分車間距離也比較近，需要較好的自然通風帶走大量的余熱。本文在已有設計方案的基礎上，進行典型工況(冬季、夏季)的風環(huán)境分析，并根據(jù)典型工況的計算結果優(yōu)化原設計方案。

2.1 工業(yè)建筑群數(shù)值模擬條件設置

2.1.1簡化模型

為了便于進行數(shù)值模擬分析及設計優(yōu)化，對選取的案例進行簡化建模；保留工業(yè)建筑群中的主要建筑物，去除區(qū)域內(nèi)的臨時建筑和構筑物，此次優(yōu)化分析是針對大面積建筑群體，不考慮門窗等細節(jié)，簡化后的模型見圖2。

a—西北視角； b—東北視角。圖2 簡化的模型Fig.2 The simplified model

2.1.2設定計算區(qū)域

參考日本建筑學會等國際學術組織的研究成果，建筑覆蓋率要小于整個數(shù)值計算區(qū)域的3%，且目標建筑距離入流邊界不小于10H(H為目標建筑的最高高度)，距離側(cè)邊界不小于15H，距離出流邊界不小于30H，距離區(qū)域頂部不小于5H。本次數(shù)值模擬目標建筑最高高度為30 m，目標建筑距離入流邊界、出流邊界、側(cè)邊界、頂部分別為300，900，450，150 m[14]。

2.1.3網(wǎng)格劃分與設置

網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣影響數(shù)值模擬計算的速度與精度。本文選用計算精度較好的多面體網(wǎng)格，初步設定以后，可以自動劃分網(wǎng)格。首先設定網(wǎng)格的基準值，建筑和近建筑的地面選用較小的網(wǎng)格尺寸，保證每個邊界有十個以上的網(wǎng)格單元，地面和建筑增選邊界層網(wǎng)格[14]。網(wǎng)格劃分從大到小進行多次嘗試，在建筑背風面和側(cè)邊分別布置10個監(jiān)測點，直至網(wǎng)格變小監(jiān)測點的風速不再出現(xiàn)明顯變化為止。最后確定網(wǎng)格基準值為20 m，建筑網(wǎng)格的相對目標尺寸為1.6 m，網(wǎng)格劃分的情況見圖3，整個計算區(qū)域劃分為約550萬個網(wǎng)格。

a—局部建筑網(wǎng)格； b—剖切面局部網(wǎng)格。圖3 網(wǎng)格劃分情況Fig.3 Mesh generation

2.1.4物理模型設置

本文設定計算域內(nèi)為定常、恒密度的氣體。湍流模型選用可實現(xiàn)的k-Epsilon兩層模型[12]，選用單元質(zhì)量校正進行計算。

2.1.5邊界條件設置

參考GB 50736—2016《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》[15]，夏季采用福州地區(qū)風向頻率最多的東南偏南風，風速取3.0 m/s，冬季采用福州地區(qū)風向頻率最多的西北偏北風，風速取2.4 m/s。

采用以上數(shù)值模擬條件對典型工況進行模擬計算。

2.2 數(shù)值模擬過程簡化

為了簡化數(shù)值模擬的工作，對數(shù)值模擬的工作步驟進行分解，分解后共17個步驟，所有的步驟見圖4。分析所有的步驟，其中表面重生成、體網(wǎng)格劃分、設定計算物理條件、設定停止計算標準、設定室外風速放大系數(shù)、設定舒適風速區(qū)比率、設定靜風區(qū)比率、風速壓強云圖導出、計算風速平均值、計算風速放大系數(shù)平均值、計算舒適風速區(qū)比率、計算靜風區(qū)比率12個步驟在所有的數(shù)值模擬中操作相同。借助軟件中的“宏”工具，在第一次數(shù)值模擬時，分別用程序語言設定操作相同的步驟并導出，后續(xù)可以直接調(diào)用，實現(xiàn)數(shù)值模擬的自動運行[12]。

圖4 數(shù)值模擬工作的步驟Fig.4 Steps of numerical simulations

按照簡化后的數(shù)值模擬方法對冬季的工況進行分析，夏季工況原來用時約為24 h才可以完成，冬季工況用12 h即可以完成；其中迭代計算的時間約為8 h，人工操作的時間從約16 h壓縮到約4 h，人工操作的時間約縮短到原來的25%，大大提高了工作效率。

2.3 計算結果分析

2.3.1夏季工況計算結果

將廠房區(qū)域1.5 m高的平面作為評價區(qū)域(圖2)，利用計算模塊對評價區(qū)域內(nèi)的評價因子進行求解，得知評價區(qū)域內(nèi)平均風速約為1.55 m/s，平均室外風速放大系數(shù)為0.69，風速舒適區(qū)比率約為77.1%，靜風區(qū)比率約為11.1%。

由1.5 m高的風速云圖(圖5)可見，由于廠房單體面積大且布置集中，局部出現(xiàn)了靜風區(qū)，對區(qū)域內(nèi)的通風不利，特別是中間部分緊密布置的精整車間，中間狹窄的通道風速較小。由1.5 m高的壓強云圖(圖6)可知，迎風區(qū)的熔鑄車間、熱扎二車間、壓延二車間前后的壓強差較大，有利于通風；中間精整車間部分周圍壓強差較小，不利于建筑通風。

圖5 夏季風速云 m/sFig.5 Wind speed contours in summer

2.3.2冬季工況計算結果

利用計算模塊對評價因子進行求解，可知冬季工況評價區(qū)域內(nèi)的平均風速約為1.18 m/s，平均風速放大系數(shù)為0.65，風速舒適區(qū)比率約為71.6%，靜風區(qū)比率約為16.4%。由1.5 m高的風速云圖(圖7)可知，中間精整車間部分以及大體量建筑的背風面，局部出現(xiàn)了靜風區(qū)，不利于通風。由1.5 m高的壓強云圖(圖8)可知，迎風區(qū)的建筑前后均有一定的壓強差，精整二車間、壓延二車間、熔鑄車間等背風區(qū)大體量建筑前后的壓強差較小，不利于通風。

圖8 冬季壓強云 PaFig.8 Pressure contours in winter

2.3.3計算結果分析與優(yōu)化

分析評價區(qū)域內(nèi)夏季、冬季典型工況的風環(huán)境，除廠區(qū)的背風區(qū)之外，距離較近的建筑之間也存在較多靜風區(qū)，特別是精整一車間、精整二車間各區(qū)之間狹窄的通道，靜風區(qū)較多，可以進行優(yōu)化提升。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，各區(qū)之間的通道寬度可以加寬，加寬的幅度不宜超過3 m；設定通道的寬度為自變量，原來的寬度為H，變化范圍為H～H+3；設定舒適風速區(qū)比率和靜風區(qū)比率為因變量，采用數(shù)值模擬的方法，求出夏季和冬季因變量隨自變量變化的情況，計算結果見圖9。

a—夏季數(shù)值模擬結果； b—冬季數(shù)值模擬結果。舒適風速區(qū)比率； 靜風區(qū)比率。圖9 優(yōu)化設計計算結果Fig.9 Calculation results of optimization design

分析自變量、因變量變化的情況，在通道寬度增加1 m的時候，夏季的風速舒適區(qū)比率達到最大值78.7%；在通道寬度增加2 m的時候，冬季的風速舒適區(qū)比率達到最大值72.1%，同時夏季靜風區(qū)比率達到最小值10.3%，冬季靜風區(qū)比率也達到最小值16.0%。綜合比較來看，在通道寬度變化為H+2 m時，工廠區(qū)域的室外風環(huán)境相對較好，設計方案最終選取通道寬度為H+2 m的方案進行建設。

2.4 建成后測試

包裝材料工廠分兩期進行建設，一期工程2018年6月完成，二期工程2019年7月完成(圖10)。為了解建成后廠房室外的風環(huán)境，于2019年8月在廠區(qū)內(nèi)選取了20個測試點進行了測試(圖2)。測試選用熱球式風速儀，測試時手持風速儀距離地面1.5 m，逐點進行測試，等風速較為穩(wěn)定時讀取風速值，每個測試點測試3次，風速取3次測試的平均值，風速測試平均值見表1。

表1 風速測試值Table 1 Test values of wind speeds m/s

圖10 建成后的包裝材料工廠Fig.10 The packaging materia plant after completion

對比20個測點的測試風速值和模擬風速值(圖11)，結合夏季1.5 m高的風速云圖來看，風速等高線較為稀疏的地方風速差值偏小，風速等高線密集的地方風速差值稍大；因為現(xiàn)場測試時風速具有瞬時性，且等高線密集的地方風速變化也較大，測試風速值較容易發(fā)生變化，導致個別測試風速值與模擬風速值差別稍大，但總體來看，測試風速值與模擬風速值大小的趨勢基本一致，數(shù)值模擬的結果具有一定的可靠性。

圖11 模擬風速和測試風速Fig.11 Wind speeds of simulated and test

從測試的風速結果來看，廠區(qū)室外風環(huán)境整體尚好，80%的測點風速值在0.7～2.9 m/s之間，10%的測點風速值在0.5 m/s以下，沒有0.3 m/s以下的風速，基本滿足廠區(qū)室外通風的要求?？梢?，設計階段的風環(huán)境優(yōu)化起到了一定作用，避免了建成后的大面積靜風區(qū)，提高了廠區(qū)的室外環(huán)境質(zhì)量。

3 結束語

通過對中鋁瑞閩股份有限公司包裝材料工廠室外風環(huán)境的分析，結論如下：

1)借助數(shù)字技術設定了常用的計算模塊，并實現(xiàn)了數(shù)值模擬過程中重復步驟的自動運行，縮短了數(shù)值模擬優(yōu)化中人工操作的時間。本文中工廠案例的數(shù)值模擬時間縮短到原來的50%，人工操作時間縮短到原來的25%。

2)本文引入舒適風速區(qū)比率、靜風區(qū)比率等評價指標對不同的方案進行比選，可以快速比較不同的方案，優(yōu)選出較好的方案。經(jīng)對建成后的工廠實際測試可知，優(yōu)選的方案具有較好的風環(huán)境，舒適風速區(qū)比率、靜風區(qū)比率可以用來篩選設計方案。

3)從數(shù)值模擬的實際案例來看，工業(yè)建筑群及大型聯(lián)合廠房在總平面布置時要充分考慮通風的需求，在滿足工藝生產(chǎn)的同時，盡量把產(chǎn)生余熱的車間距離變大，車間距離應在數(shù)值模擬的基礎上進行調(diào)整，在滿足生產(chǎn)工藝的基礎上使靜風區(qū)達到最小。