黑瞎子岛植物园建筑风环境分析

胡 洪 陆 扬 苏 骏

(1.上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041;2.上海现代建筑设计(集团)有限公司，上海 200041)

1 工程概况

黑龙江省黑瞎子岛植物园位于我国东北地区，黑龙江省抚远县黑瞎子岛主岛上，黑瞎子岛部分处于我国的最东方。本工程为岛上独立植物园，建筑面积约19 284m2，包括地上展览温室建筑面积约9 784m2，地下附属用房建筑面积约9 500m2。展览温室用以展示生长在不同地域和气候条件的植物及其生存环境。

2 地理与气象环境

黑瞎子岛位于 E134°27'，N48 °17'，海拔高度81.2m，夏季主导风向为西南风，2.9m/s，当地大气压力为 994.1kPa。

由于地球上各区域的不同纬度和太阳方位角使得其接受太阳辐射热量不同，再加上地球自转，大气环流形成，进而形成地球宏观气候;而近地面地区生物的生存、人对自然资源的利用与开发、各种建造活动等人为因素影响等，影响了区域性生态，改变了大气中各物质的组成结构，使局部气候状况出现变化，进而形成了特定地区的微观气候特征。而建筑的形成受宏观气候与区域微观气候的共同作用，气候差异性在不同地区建筑特征上呈现出一定的多样性[1-3]。

图1 黑瞎子岛地理位置

展览温室是由人工控制的、展示生长在不同地域和气候条件的植物及其生存环境的空间，而不同地域和气候条件下的植物要求不同的生存环境。为此，采用空气调节技术对展览温室内部环境进行调节，即通过科学技术手段，以空调、采暖、通风等技术措施来模拟展览植物原生长地的温度、相对湿度、通风状况和CO2浓度，再造展览植物的原长地生态环境，营造植物健康成长的室内环境，同时保证全年公众观园游览、学习认识的舒适性。

3 室外风环境

不同区域条件存在不同的风环境状况，室外风环境这一气候因子直接影响到建筑的布局、形体、围护结构的产生以及相关技术的选择[4]。为此，在建筑方案初期就充分考虑到建筑体得朝向，结合CFD技术来达到优化设计的目的。

建立了建筑体的BIM模型，并利用模型生成CFD需要的分析模型，导入CFD相关软件进行网格划分、边界条件指定和流场计算。并在计算过程中动态调整流场的建筑体的朝向，使建筑布局充分迎合当地夏季主导风向，以此加强建筑内部自然通风效果。计算所得的室外风场矢量图和云图如图2、图3所示。

从室外风速矢量图和风速云图来看，夏季的主导风西南风迎建筑西南面吹来，此时建筑下部窗户和ETFE膜同时开启，引导空气穿越为室内导风，很好地加强了室内自然通风效果;建筑外部椭球形表面使得室外风自然分流，绕建筑表面两侧前行，并在椭球中后部出现边界层分离，两股气流交汇前行。整个建筑外部区域没有出现大的旋涡和气流死角，这样很好地避免了热量在此堆积，及时将建筑外部余热带走，避免产生局部热堆积效应;同时也避免了旋涡区域空气停留聚集，加强了建筑外部通风换气，为建筑营造一个良好的室外通风环境。

4 室内平面通风与空气调节

4.1 室内平面通风

在夏季和过度季节，采用可开启ETFE膜进行自然通风，同时顶部适当遮荫，满足夏季植物区降温要求;在建筑下、中部设置可开启侧窗引风，顶部天窗排风，开窗面积为建筑面积14%，利用室外风力所造成的风压以及室内外温度差所造成的热压来实现自然通风换气，这一过程不仅引入了大量室外新风提高了室内舒适程度，同时使室外风通过温室植物区，带走温室热量，达到自然通风降温的目的，大大降低了建筑空调能耗。

从室内Z=1.5m标高平面自然通风矢量图来看，室外风通过外窗和可开启ETFE膜进入室内，外窗和可开启ETFE膜起到很好地导风作用，促使室外自然风进入室内各植物区，为植物呼吸带来新鲜空气的同时，带走了室内的热量，使得植物处于一个适宜的热湿风环境下，保证植物的健康成长;同时，室内各区域自然风在各植物区域流动畅通，没有出现大的旋涡和气流死角，这样很好地避免了污浊空气和粉尘在房间内聚集，及时将其排出室外，保证了植物区和人员活动区域的空气品质。

4.2 室内空气调节

展览温室是以热带、亚热带及其他具有特殊气候或地域的植物种类为主要对象，根据植物生长需求，夏季植物区温度保持35℃以下便可不影响其生长，所以从节约能源出发，并征询有关植物学专家意见，温室内空调仅对人行道进行局部区域空调，保证游人区域适当的舒适性。如图5中，热带植物区区域的人行道地面布置了空调送风口。人行道空调送风采用全新风机器露点送风，夏季新风处理到温度20℃。

1.5m高度是人体活动的重要范围，其范围内的温湿度直接关系到人体舒适，为此，此区域的风速和温度需要我们重点考虑。图中给出了1.5m标高处室内温度分布云图，从图中温度分布来看，人体主要活动的道路范围内，温度基本维持在23～26℃左右，这一范围正好能满足人体的舒适性需求;而道路两侧的温度相对较高一些，平均约为28～30℃左右，这一温度范围也是植物生产需求的合适温度区域。

从温度分布云图可以看出，路面下送风形式仅仅对温室内人体活动的小部分范围(道路)进行局部空气调节，保证人体舒适性，同时也达到满足植物生产的合适温度需求。这样设计的路面送风“置换式(通风)”形式不仅达到了设计得目的，而且起到了很好的节能效果。

5 剖面风与热环境

新鲜空气从开启的门窗进入，利用热压通风和风压通风实现自然通风，排出的空气在中庭上空汇合，从顶部可开启天窗拔出。中庭天窗出口空气在太阳直接辐射作用下温度进一步升高，同时反作用于出口处，加强了天窗拔风效果。

从剖面温度分布来看，路面下送风置换式通风形式取得的效果更为直观、更明显。室内出现了明显的温度分层，梯度十分明显。下部1～2m范围内为人体活动区域，其温度控制在23～26℃范围内;这一范围内空气在吸收室内余热余后温度升高、密度将小，热空气慢慢上浮，与室外风一起汇合从屋顶天窗导出。室内人体活动的范围形成了一个相对的“低温空气湖”，不仅很好地满足了人体的舒适性需求，同时达到了明显的节能效果。

6 总结

随着BIM技术的逐步发展，其在一些复杂造型复杂、超高层建筑等的应用中越来越受到重视。黑瞎子植物园在建筑设计初期就成功地引入了BIM技术。如今，CFD技术广泛运用于建筑群体风环境、室内自然通风、室内空调温度场以及热舒适性计算，这在很大程度上可以指导建筑总体布局、建筑朝向以及室内通风、空调系统设计等。在BIM技术日益推广和应用下，本文介绍了在BIM技术下，CFD技术的成功切入和应用。并对植物园室外风环境、室内自然通风、空调流场及热舒适性等进行了模拟计算。根据模拟的建筑室外风环境结果动态地调整和优化建筑布局和朝向，使建筑摆放充分迎合夏季主导风向，强化室内自然通风。同时，在暖通设计时，充分考虑到园区植物的生长条件和游人的舒适性需要，采用紧紧对游人所在的观赏道路上进行路面送风。同时，采用CFD技术对设计方案进行了模拟计算。根据CFD的室内温湿度场计算结果来看，这种设计方案能够满足植物的生长条件需求，又能保证游人区域的舒适性，同时还起到了良好的节能效果。

[1]周淑贞等.气象学与气候学[M].第三版.北京:高等教育出版社，1997.

[2]杨柳.建筑气候分析与设计策略研究[D].西安:西安建筑科技大学，2003.

[3] 周淑贞，束炯.城市气候学[M].北京:气相出版社，1994.

[4]陈飞.建筑风环境——夏热冬冷气候区风环境研究与建筑节能设计[M].北京:中国建筑工业出版社.2009.

[5]王旭，孙炳楠，陈勇，楼文娟.基于CFD的住宅小区风环境研究[J].土木建筑工程信息技术，2009，1(1):35-39.