尹東衡，張九鵬，黃春華，劉曉紅

(1.南華大學(xué) 建筑學(xué)院，湖南 衡陽 421001； 2. 融創(chuàng)中國青島有限公司，山東 青島 266000； 3.湖南省健康城市工程技術(shù)研究中心，湖南 衡陽 421001 )

湘南地區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)區(qū)域，夏季住宅室內(nèi)溫度與濕度較高，采取適宜的氣候設(shè)計(jì)措施極為必要.自然通風(fēng)具有提高建筑舒適性、降低建筑運(yùn)行能耗等優(yōu)點(diǎn)，成為兼顧經(jīng)濟(jì)與節(jié)能、健康與舒適的最佳選擇[1].

室內(nèi)風(fēng)環(huán)境是城市住宅熱環(huán)境的重要組成部分[2].高層住宅占城市住宅建筑總量的78%以上[3]，研究表明：高層住宅的室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)效果受到諸多因素的制約和影響[4].因此，對(duì)室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)與相關(guān)因素間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究，揭示高層住宅的室內(nèi)自然風(fēng)場(chǎng)調(diào)控機(jī)理，不僅有助于提升室內(nèi)熱舒適質(zhì)量，而且能在最大程度上為城市住宅熱環(huán)境的改善奠定基礎(chǔ).

當(dāng)前研究建筑風(fēng)環(huán)境的方法主要包括實(shí)測(cè)研究、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬研究3種[5].由于實(shí)測(cè)研究對(duì)室外天氣的要求較高且周期較長(zhǎng)，難以對(duì)影響建筑風(fēng)環(huán)境的各個(gè)因素進(jìn)行一一實(shí)驗(yàn)來得到其規(guī)律；而風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)則花費(fèi)昂貴，難以廣泛應(yīng)用于實(shí)際研究中；目前比較流行的研究方法是計(jì)算機(jī)流體力學(xué)數(shù)值模擬 (CFD) 的方法[6].當(dāng)前國內(nèi)外諸多學(xué)者在住宅CFD領(lǐng)域開展了研究，如Per Hejselberg、AJajn Bastjde、M. A .Hassan等人研究了在窗戶的不同開啟方向、不同開口形狀以及不同的窗戶大小、位置等情況下的室內(nèi)通風(fēng)情況[7-9]；Leila Moosavi等對(duì)建筑物中庭在不同氣候條件下的自然通風(fēng)效果進(jìn)行了研究，分析了建筑中庭自然通風(fēng)保持高效的影響因素參數(shù)[10]；石峰等以福建歷史民居為例，選取天井面寬進(jìn)深比和檐口高度兩個(gè)影響因子為控制變量，運(yùn)用CFD模擬的方法歸納出天井幾何形態(tài)特征與建筑風(fēng)環(huán)境之間的關(guān)系[11].胡曉軍等以一梯多戶高層住宅內(nèi)天井不同的平面開口尺寸、平面開口方式及自身平面尺寸為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法，得出內(nèi)天井自身進(jìn)深尺寸存在的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境最優(yōu)值[12].

綜上研究，發(fā)現(xiàn)以下問題：(1)主要集中在室內(nèi)通風(fēng)效果評(píng)估與空間特征分析等方面，缺少對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響機(jī)理與綜合效應(yīng)的研究；(2)大多停留CFD風(fēng)場(chǎng)模擬階段，對(duì)數(shù)值進(jìn)行后期回歸分析的并不多見；(3)缺少對(duì)具體氣候條件下的高層住宅室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的研究.針對(duì)上述問題，本研究以湘南地區(qū)高層住宅為研究對(duì)象，運(yùn)用 CFD 模擬的方法研究夏季室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)與主要影響因子間的關(guān)聯(lián)性，在數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，建立室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)與影響因子之間的回歸模型，探索影響因子對(duì)室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的作用機(jī)理，以期為湘南地區(qū)高層住宅室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的評(píng)估提供借鑒.

1 建筑風(fēng)環(huán)境模擬

1.1 樣本概況

選取湘南地區(qū)某住宅小區(qū)高層住宅樓戶型作為研究對(duì)象(圖1).通過實(shí)地測(cè)量與記錄，得到樣本住宅的建筑特征信息(表1).

圖1 建筑樣本平面圖Fig.1 Floor plan of the sample building

表1 樣本住宅建筑的基本特征數(shù)據(jù)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證Tab.1 Basic characteristics of sample residential buildings

1.2 模擬步驟

根據(jù)高層住宅樣本的信息建立建筑模型，運(yùn)用軟件Phoenics進(jìn)行室外風(fēng)環(huán)境模擬，得到建筑外 立面表面的風(fēng)壓值[13].依據(jù)風(fēng)壓值進(jìn)行住宅室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬，將模擬得到的風(fēng)速數(shù)據(jù)值與實(shí)測(cè)的風(fēng)速.

1.3 模擬設(shè)置

計(jì)算域的尺寸設(shè)置會(huì)對(duì)計(jì)算精度產(chǎn)生直接的影響[14].本模擬采用日本建筑協(xié)會(huì) AIJ的研究建議，即建筑模型與模擬區(qū)域邊緣的距離在水平方向至少5倍于建筑模型高度，高度方向3倍于建筑模型高度.最終確定本研究計(jì)算域的長(zhǎng)度為500 m，是建筑高度的10倍；寬度為500 m，是建筑高度的10倍 ；高度為150 m，是建筑高度的3倍(表2).網(wǎng)格劃分設(shè)置為137 m×91 m×53 m，對(duì)建筑所在區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密處理，以獲得較準(zhǔn)確的模擬數(shù)值.

由于地表摩擦作用的影響，風(fēng)速存在著梯度變化，即接近地表的風(fēng)速隨著離地高度的減小而降低，風(fēng)速與高度的關(guān)系通常采用指數(shù)律，即

(1)

式中：Vh為高度為h處的風(fēng)速；V0為基準(zhǔn)高度h0處的風(fēng)速；n為與地面粗糙度有關(guān)的指數(shù).根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》 可知，湘南衡陽地區(qū)夏季盛行偏南風(fēng)，風(fēng)向頻率為85%，平均風(fēng)速V0=2.3 m·s-1，代表10 m高度處2.3 m·s-1的偏南風(fēng).根據(jù)模型計(jì)算要求，應(yīng)依據(jù)建筑周圍的實(shí)際環(huán)境，采用相應(yīng)的地面粗糙指數(shù).考慮場(chǎng)地周邊是密集的高層住宅建筑小區(qū)，即計(jì)算認(rèn)定的建筑周圍存在高大障礙物的工況，因此地面粗糙指數(shù)n設(shè)定為0.5.

二方程標(biāo)準(zhǔn) K-ε 模型計(jì)算成本低，在數(shù)值計(jì)算中波動(dòng)小、精度高，在低速湍流模擬中應(yīng)用較為廣泛[15].在考慮計(jì)算成本與精度的前提下，本研究在室外風(fēng)場(chǎng)模擬中采用標(biāo)準(zhǔn) K-ε 模型描述湍流.

在軟件Phoenics中，按照表2中的參數(shù)條件要求進(jìn)行設(shè)置，經(jīng)計(jì)算收斂后得到樣本建筑外立 面風(fēng)口表面的風(fēng)壓值(圖2).為樣本住宅建立模型，依據(jù)計(jì)算得到的建筑室外表面風(fēng)壓值，采用改進(jìn)型RNG K-ε湍流模型對(duì)住宅室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，可以得到室內(nèi)各坐標(biāo)點(diǎn)的精確風(fēng)速值(圖3).

表2 風(fēng)壓模擬設(shè)置參數(shù)Tab.2 Setting parameters of wind pressure simulation

圖2 建筑外立面表面的風(fēng)壓值Fig.2 Wind pressure values on the facade of the building

圖3 住宅風(fēng)場(chǎng)模擬云圖與室內(nèi)測(cè)點(diǎn)Fig.3 Simulated cloud image of residential wind field and indoor measuring points

1.4 對(duì)比驗(yàn)證

本研究采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)值進(jìn)行對(duì)比的方法，以檢驗(yàn)?zāi)M研究結(jié)果的準(zhǔn)確程度.實(shí)地測(cè)試時(shí)間為2019年7月15日，測(cè)試時(shí)段為09∶00—15∶00.經(jīng)測(cè)試，室外風(fēng)速平均值為2.34 m·s-1，與模型所采用的來流風(fēng)速值偏差為1.7%，且風(fēng)速為南向，與軟件中的風(fēng)向設(shè)定一致，完全符合室外風(fēng)速的測(cè)試條件.測(cè)試期間窗戶處于全開啟狀態(tài)，且無人在家逗留，以保證測(cè)試準(zhǔn)確度.測(cè)點(diǎn)分布情況見圖1.主要測(cè)試室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)距室外地面28.2 m(距室內(nèi)地面1.2 m處，人體坐姿頭部位置 )處的平均風(fēng)速，風(fēng)速每5 min采集一次.

圖4為各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)速實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比圖，可知對(duì)模型進(jìn)行軟件模擬得到的風(fēng)速值與實(shí)測(cè)所得結(jié)果相近，其R2=0.839，顯示模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有高度相關(guān)性.

圖4 各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)速模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖Fig.4 Comparison between the simulated and measured average wind speed of each measuring point

2 室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)影響因子研究

一個(gè)完整的自然通風(fēng)體系包括進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)道與出風(fēng)口[16].在風(fēng)壓通風(fēng)的工況下，高層住宅室內(nèi)通風(fēng)效果受到室外風(fēng)速大小、進(jìn)風(fēng)角度、前后開口的尺寸大小與形狀、風(fēng)道長(zhǎng)度、樓層高度、室內(nèi)障礙遮擋情況和布局形式等諸多因素的影響[17].根據(jù)公式(1)，在采取梯度風(fēng)求解的情況下，室內(nèi)通風(fēng)狀況與房間所處的離地高度密切相關(guān).為了直觀地揭示風(fēng)場(chǎng)與空間影響因子間的關(guān)聯(lián)性，本研究暫不考慮室內(nèi)障礙遮擋與布局的情形.從空間形態(tài)特征可控視角出發(fā)，將上述影響因素轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的定量化風(fēng)場(chǎng)因子：風(fēng)向角度(WDA)、樓層高度(FH)、進(jìn)風(fēng)向窗墻面積比(WWAR)、進(jìn)出風(fēng)口面積比(FRAR)、進(jìn)深開間比(DOR)和距地高度(HAG).

平均風(fēng)速(AIWS)是對(duì)室內(nèi)通風(fēng)進(jìn)行評(píng)估的重要指標(biāo)之一，平均值的高低直接體現(xiàn)了室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的整體通風(fēng)效果[18].改變室內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)因子，通過運(yùn)用CFD模擬風(fēng)場(chǎng)，可以得到風(fēng)場(chǎng)因子發(fā)生變化后的室內(nèi)平均風(fēng)速值，從而歸納出室內(nèi)平均風(fēng)速與影響因子的關(guān)系.

2.1 風(fēng)向夾角(WDA)

在不改變樣本住宅的距地高度、層高、進(jìn)風(fēng)向窗墻面積比、進(jìn)出風(fēng)口面積比和開間進(jìn)深比的情況下，調(diào)整住宅南向窗戶開口與風(fēng)向的夾角.設(shè)定室外風(fēng)速為2.3 m·s-1， 以30°角為單位，分別模擬風(fēng)向夾角為-60°、-30°、0°、30°、60°時(shí)的住宅室內(nèi)風(fēng)速云圖(圖11).由圖5可以看出，當(dāng)風(fēng)向由負(fù)向夾角轉(zhuǎn)為正向夾角的過程中，模型的室內(nèi)平均風(fēng)速開始逐漸增大，在風(fēng)向夾角為30°時(shí)室內(nèi)平均風(fēng)速達(dá)到最大值；而隨著正向夾角的繼續(xù)增大，平均風(fēng)速值開始回落；室內(nèi)平均風(fēng)速值整體呈現(xiàn)先變大后變小的趨勢(shì).

圖5 不同風(fēng)向夾角時(shí)的室內(nèi)平均風(fēng)速值Fig.5 Average indoor wind speed at different angle

2.2 樓層高度(FH)

在不改變其他因子數(shù)值的情況下，僅改變住宅樓層的高度，設(shè)定室外風(fēng)速為2.3 m·s-1，分別模擬

不同層高條件下(目前高層住宅設(shè)計(jì)普遍采用的樓層高度)的室內(nèi)風(fēng)速云圖(圖12).由圖6可以看出，在模型的層高在最小值2.8 m時(shí)，室內(nèi)平均風(fēng)速達(dá)到最大值；隨著層高的逐漸增大，平均風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，在層高3.1 m時(shí)，室內(nèi)平均風(fēng)速值最?。欢S著層高的繼續(xù)增大，室內(nèi)平均風(fēng)速值不降反升.

圖6 不同樓層高度時(shí)的室內(nèi)平均風(fēng)速值Fig.6 Average indoor wind speed at different floor height

2.3 進(jìn)風(fēng)向窗墻面積比(WWAR)

在不改變其他因子數(shù)值的情況下，僅調(diào)整住宅的進(jìn)風(fēng)向窗墻面積比，設(shè)定室外風(fēng)速2.3 m·s-1，分別模擬不同窗墻面積比下的室內(nèi)風(fēng)速云圖(圖13).由圖7可以看出，在模型的窗墻比為0.30時(shí)，室內(nèi)平均風(fēng)速值最小；隨著窗墻比的逐漸增大，室內(nèi)平均風(fēng)速也依次變大，兩者之間呈正相關(guān)線性關(guān)系.

圖7 不同窗墻面積比時(shí)的室內(nèi)平均風(fēng)速值Fig.7 Average indoor wind speed at different window-wall area ratios

2.4 前后風(fēng)口面積比(FRAR)

在不改變其他因子數(shù)值的情況下，僅改變住宅的前后風(fēng)口面積比，設(shè)定室外風(fēng)速為2.3 m·s-1，分別模擬不同層高下的室內(nèi)風(fēng)速云圖(圖14).由圖8可以看出，在模型的進(jìn)出風(fēng)口面積比為1.00時(shí)，室內(nèi)平均風(fēng)速達(dá)到最大值；當(dāng)進(jìn)出風(fēng)口面積比<1.00時(shí)，隨著面積比的變大，室內(nèi)平均風(fēng)速值同步變大；當(dāng)進(jìn)出風(fēng)口面積比>1.00時(shí)，隨著面積比的變大，室內(nèi)平均風(fēng)速值逐漸變小.

圖8 不同進(jìn)出風(fēng)口面積比時(shí)的室內(nèi)平均風(fēng)速值Fig.8 Average indoor wind speed values at different air inlet and outlet area ratio

2.5 距地高度(HAG )

在不改變其他因子數(shù)值的情況下，僅調(diào)整住宅與室外地面的距地高度，設(shè)定室外風(fēng)速為2.3 m·s-1，通過CFD分別模擬距地高度為16.2 m、22.2 m、28.2 m、34.2 m、40.2 m時(shí)的住宅室內(nèi)風(fēng)速云圖(圖15).由圖9可以看出，當(dāng)離地高度逐漸變大時(shí)，室內(nèi)平均風(fēng)速值同步變大，兩者之間呈正相關(guān)線性關(guān)系.

圖9 不同距地高度時(shí)的室內(nèi)平均風(fēng)速值Fig.9 Indoor average wind speed at different heights from the ground

2.6 進(jìn)深開間比(DOR)

在不改變其他因子數(shù)值的情況下，僅調(diào)整住宅進(jìn)深開間比.設(shè)定室外風(fēng)速為2.3 m·s-1，模擬不同進(jìn)深開間比下的室內(nèi)風(fēng)速云圖(圖16).由圖10可以看出，在模型的進(jìn)深開間比為1.00時(shí)，室內(nèi)平均風(fēng)速達(dá)到最大值；當(dāng)進(jìn)深開間比<1.00時(shí)，隨著進(jìn)深開間比值的變大，室內(nèi)平均風(fēng)速值先變大后變??；當(dāng)進(jìn)出風(fēng)口面積比>1.00時(shí)，隨著進(jìn)深開間比的增大，室內(nèi)平均風(fēng)速值反向變小.

圖10 不同進(jìn)深開間比時(shí)的室內(nèi)平均風(fēng)速值Fig.10 Average indoor wind speed values atdifferent depth ratio

3 室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)影響因子與回歸分析

3.1 室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)影響因子的相關(guān)性分析

在實(shí)地測(cè)量的基礎(chǔ)上，結(jié)合上述風(fēng)場(chǎng)影響因子作用研究，對(duì)湘南地區(qū)(衡陽、郴州、永州)的7個(gè)城市小區(qū)不同戶型的高層住宅樣本進(jìn)行CFD模擬，共計(jì)得到210組數(shù)據(jù)信息.隨機(jī)抽取其中120組模型數(shù)據(jù)，在SPSS軟件中采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)確定室內(nèi)平均風(fēng)速與各風(fēng)場(chǎng)影響因子的相關(guān)性.由表3可見，室內(nèi)平均風(fēng)速與各風(fēng)場(chǎng)影響因子的密切程度由大到小依次為FRAR、WWAR、HAG、DOR、WDA、FH.其中，F(xiàn)RAR、WWAR和HAG呈現(xiàn)極顯著水平，相關(guān)值分別為-0.834、-0.712和0.513，這表明FRAR是風(fēng)場(chǎng)最主要的影響因子.同時(shí)，從表3看出，各風(fēng)場(chǎng)影響因子也并不是孤立存在，如FRAR與WWAR存在極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.872，HAG與WWAR也存在極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.597，因子間存在較高的多重共線性，說明如果利用多個(gè)因子來解釋室內(nèi)平均風(fēng)速的變化會(huì)存在一定不確定性.

圖11 不同風(fēng)向夾角時(shí)的室內(nèi)風(fēng)速云圖Fig.11 Indoor wind speed cloud images of different wind angles

圖12 不同樓層高度時(shí)的室內(nèi)風(fēng)速云圖Fig.12 Indoor wind speed cloud images of different floor heights

圖13 不同窗墻面積比時(shí)的室內(nèi)風(fēng)速云圖Fig.13 Indoor wind speed cloud images of different window-to-wall area ratios

圖14 不同進(jìn)出風(fēng)口面積比時(shí)的室內(nèi)風(fēng)速云圖Fig.14 Indoor wind speed cloud images of different air inlet and outlet area ratios

圖15 不同距地高度時(shí)的室內(nèi)風(fēng)速云圖Fig.15 Indoor wind speed cloud images of different heights from the ground

圖16 不同進(jìn)深開間比時(shí)的室內(nèi)風(fēng)速云圖Fig.16 Indoor wind speed cloud images of different depth to depth ratios

表3 室內(nèi)平均風(fēng)速與各空間影響因子的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of indoor average wind speed and various spatial influence factor

3.2 室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)與影響因子間的多元線性回歸

為進(jìn)一步探討FRAR、WWAR、HAG、DOR、WDA、FH等6個(gè)空間影響因子對(duì)室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的綜合效應(yīng)，先對(duì)上述影響因子和室內(nèi)平均風(fēng)速的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以解決各因子間量綱和單位不同造成的影響，然后采用逐步回歸法將各因子的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)與室內(nèi)平均風(fēng)速進(jìn)行多元線性回歸，去除偏回歸系數(shù)不顯著的因子，最終建立最優(yōu)擬合回歸方程式：

AIWS=0.801-0.096FRAR+0.004HAG

(2)

式(2)決定系數(shù)R2=0.732，并通過了p=0.01水平的顯著性檢驗(yàn).由式(2)可看出，與室內(nèi)平均風(fēng)速相關(guān)的6個(gè)影響因子中，僅有FRAR和HAG 保留下來，說明前后風(fēng)口面積比和距地高度是引發(fā)湘南地區(qū)高層住宅室內(nèi)平均風(fēng)速差異的主導(dǎo)因子，前后風(fēng)口面積比越大，室內(nèi)平均風(fēng)速就越低；離地高度越大，室內(nèi)平均風(fēng)速就越大.而從方程回歸系數(shù)大小來看，前后風(fēng)口面積比對(duì)室內(nèi)平均風(fēng)速的影響程度要大于距地高度.

通過隨機(jī)選取30組樣本數(shù)據(jù)，對(duì)上述回歸模型擬合方程式進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，最終有效率大于75%.因而，回歸方程式(2)能為湘南地區(qū)高層住宅夏季室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的評(píng)估提供可靠的依據(jù).

4 結(jié) 論

(1)室內(nèi)平均風(fēng)速隨著層高的逐漸增大呈下降趨勢(shì)，而在最低值出現(xiàn)后，隨著層高的繼續(xù)增大，室內(nèi)平均風(fēng)速值不降反升；室內(nèi)平均風(fēng)速與窗墻比和離地高度呈正相關(guān)關(guān)系；

(2)在前后風(fēng)口面積比=1.00時(shí)，室內(nèi)平均風(fēng)速達(dá)到最大值；當(dāng)進(jìn)出風(fēng)口面積比<1.00時(shí)，隨著面積比的變大，室內(nèi)平均風(fēng)速值同步變大；當(dāng)進(jìn)出風(fēng)口面積比>1.00時(shí)，隨著面積比的變大，室內(nèi)平均風(fēng)速值逐漸變??；

(3)當(dāng)模型的進(jìn)深開間比為1.00時(shí)，室內(nèi)平均風(fēng)速達(dá)到最大值；當(dāng)進(jìn)深開間比<1.00時(shí)，隨著進(jìn)深開間比值的變大，室內(nèi)平均風(fēng)速值先變大后變??；當(dāng)進(jìn)出風(fēng)口面積比>1.00時(shí)，隨著進(jìn)深開間比的增大，室內(nèi)平均風(fēng)速值反向變??；

(4)室內(nèi)平均風(fēng)速與各影響因子的密切程度由大到小依次為：進(jìn)出風(fēng)口面積比>進(jìn)風(fēng)向窗墻面積比>距地高度>進(jìn)深開間比>風(fēng)向角度>樓層高度；前后風(fēng)口面積比和離地高度是影響湘南地區(qū)高層住宅夏季室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的主導(dǎo)因子；前后風(fēng)口面積比越大，室內(nèi)平均風(fēng)速就越低；離地高度越大，室內(nèi)平均風(fēng)速就越大.