混合住区风热环境模拟研究——以Fluent Airpak和Envi-met软件模拟对比为例

■ 王 薇 WANG Wei 朱珍英 ZHU Zhenying 胡 春 HU Chun

0 引言

对于建筑群体风环境模拟研究，现阶段有现场实观测、风洞实验法和计算机模拟法三种方式。与现场实测和风洞实验相比，计算机模拟方法可节省大量复杂的现场测试设备仪器和实验准备，排除了现场实测的不确定因素，节约实验设备的投资，具有高效性和经济性的优点，与理论分析方法相比，数值模拟能够求解更为复杂的流动和扩散问题，并且能对模拟流场和浓度场实现可视化显示，使模拟结果更加直观。CFD软件在工程上主要用于热、流相关产品与设施的研制设计过程，具有处理用户特定计算对象的能力，在我国有着广阔的应用前景[1]。周新华等通过对建筑群的模拟，分析比较了不同湍流模型对不同风环境模拟的影响[2]。段艳文通过对各类CFD软件工具进行一个综合分类测评，结合描述绿色植物的城市微气候问题，介绍Envi-met、Fluent Airpak和Phoenics等几个软件的计算原理及案例应用，总结内在特点和不足[3]。劳钊明等用Envi-met软件，从街区尺度定量分析城市建筑物和绿化设置对城市街区室外温度、风速和热舒适性的影响，探讨城市绿化可以显著降低城市温度，提高人体舒适度[4]。陈宇等用Envi-met软件，从建筑屋顶绿化角度，探讨不同植物配置类型对建筑屋顶室外热环境的优化[5]。曹利娟等则是通过城市居住区这个研究对象，运用相应的流体模拟手段，分析绿地对居住区热环境的改善效果[6]。

本研究以高密度混合住区空间形态为切人点，分析典型季节夏季工况下的风速和温度分布情况，结合图表对比分析两个软件之间的异同，得出适用于高密度混合住区风热模拟分析的软件，并归纳总结两个软件的适用范围，最后通过小区建成后优化方案，量化分析了高密度混合住区空间规划布局规律，并提出优化建议。

1 研究概况

1.1 研究对象

该项目位于安徽合肥市，北纬31.81°，东经117.24°，属于典型的夏热冬冷气候区。合肥市气象局近十年的气候资料统计记录显示，市年平均气温33℃，历史极端最高气温38℃。热量充足，降水丰沛，植物配置茂盛。项目建成于2012年，规划用地约5.2hm2，总建筑面积200 000m2，容积率3.2。现有14栋高层住宅楼，采用并列式布局，中心设置公共绿地；7栋4层高密度多层住宅位于居住区南面（图1）。

1.2 研究方法

1.2.1 Fluent Airpak软件

Fluent Airpak软件是CFD软件的一种，其中，CFD软件配有网格生成（前处理）和流动显示（后处理）模块，网格生成质量对计算精度和稳定性影响极大[1]。用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网络加速收敛技术，因此，Fluent能达到最佳的收敛速度和求解精度。作为本文主要的环境系统分析软件，它具有网格划分速度快、精度高、操作简单的优势。能够精确地实现研究对象中空气流动、传热性能和污染等物理现象；图像式地表达模拟物通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，一般多适用于室内环境，室外小范围研究也有实现，并依照ISO 7730标准提供舒适度，PMV、PPD等衡量室内空气质量（IAQ）的技术指标[7]。

1.2.2 Envi-met软件

德国美因茨大学Michael Bruse教授于 1988年开发了微气候模拟软件Envi-met（www.envi-met.com官网地址，目前已经更新到Envimet V4.2 Summer17，其 中last update是May 2017），主要用于模拟城市小尺度空间内地面、植被、建筑和大气之间的相互作用模拟分析，其中包含大气、辐射、土壤、植物和建筑5个子模块，最新Summer版的水平范围为0.1～1.0 km，竖直范围小于200.0 m，水平解析度为0.5～10.0 m，模拟时长小于4 d，时间步长最大为 10s，主要用于模拟城市小尺度空间内构筑物表面—植被—空气之间的相互作用[8]。Envi-met V4版本总共分四个板块，分别是建模板块、编程板块、计算板块和视图板块，内置地面、水体、植物等子模型，利用 CFD 软件和热力学联合求解（风/热/湿耦合模拟）、动态模拟（随时间变化，区别于一般的稳态模拟）、高分辨率（1～5 m），可精细描述建筑、道路、植物与实测对比验证，应用现状及前景上表现颇佳。

1.2.3 参数设置

Fluent Airpak软件主要采用非结构化网格技术，其划分网格包括多种形状，可以最大限度地把复杂下垫面表现出来，提高模式模拟的效果。此次数值模拟采用的是有限体积法进行离散，扩散项采用中心差分格式，对流项采用二阶迎风格式，压力与速度耦合采用SIMPLE算法。其中，环境温度和湿度取值合肥市常年平均温度和湿度，分别是33℃和37.38%。为方便计算，使得计算结果收敛，设置数值方式里模拟参数中湍流动能耗散率和湍流动能分别为0.3和0.7，模拟过程中一般采用残差收敛，计划迭代500次，经过计算，得到的收敛结果合格，其连续性方程、能量方程、动量守恒方程和各组分质量守恒方程均达到之前设定的收敛标准，收敛标准如图2。

图1 居住小区规划方案图和建成Google图

图2 建模网格一次收敛标准图

如 表1所 示，Fluent Airpak软件中，模型外场尺寸选择主要以不影响建筑群边界气流流动为主，要求以模型外界为基准水平向外扩大计算区域，来风方向不小于4～6H，其他方向不小于4H，计算区域高度不小于4H，其中H为小区模型的整体高度。同时，根据code标准，在建模过程中，考虑周边建筑对模拟小区建筑室外风环境的影响，将小区外围100m范围内有影响风环境的建筑纳入设置模型中，用有限的空间来模拟无限的环境影响。两个软件都会在网格划分局部加密，在建筑的每一边人行区1.5m高度划分至少10个网格，重点观测区域设置在地面第三个网格以上。

Envi-met软件主要采用的是多重嵌套型结构化四面体网格。根据模型特点，模型共设置60×60×70个网格，网格分辨率为dx=4，dy=4，dz=3(dx和 dy分别为水平方向X、Y的分辨率；dz为垂直方向Z的分辨率)。其中，Envi-met软件对三维模型的垂直高度要求为H≥2h（实际高度），小区内部最高建筑有98m，所以设置符合软件要求。

2 高密度混合住区室外风环境分析

为了研究计算方便简化模型，模拟切面为人行高度1.5m处的风环境情况，忽略了部分对结果分布影响较小的建筑构件和建筑形态的细微转角和突出形体。此次模拟设定绿色基础设施对风热环境没有影响，因此忽略不计，均不设置[9]。

目前住区内自然通风舒适度的评价，国内外还没有统一的标准，国内外研究人员在大量现场测量、调查统计与风洞试验的基础上，考虑平均风速与脉动风速之间的关系，提出了行人舒适感与风速之间的关系（表2）。根据Beaufort的风力等级，室外舒适风速的极限风力等级为4级，当住区内为轻风或微风时（风力等级2～3级），人们活动感觉较舒适。当住区内为和风以上时（风力等级4以上），造成的不安全因素会在一定程度上影响甚至威胁到人们的活动及出行，成为风害。

由表3可见，合肥春季多偏东南风，风向频率约为46.6%；夏季多偏南风，风向频率约为46.2%；秋季多偏东风、偏北风，其中偏东风的概率约占44.1%，偏北风的概率约占45.6%；冬季多偏东北风，风向频率约占48.4%。该项目主要考虑夏季盛行风，气温变化较为明显，风的来流方向为夏季盛行风正南风，风速大小为 2.9m/s，温度为33℃，设定为初始条件。

表1 Fluent Airpak和Envi-met具体参数设置表

表2 行人舒适度和风速的关系

表3 合肥市近十年的气象数据（图表来源：安徽省建筑设计总院股份有限公司绿色建筑设计研究所）

3 规划方案

3.1 风速模拟

3.1.1 风速模拟结果

Fluent Airpak软件模拟结果显示（图3），小区内部建筑物周围人行区距地面1.5m高处平均风速为2.96 m/s，风速放大系数为1.24。夏季盛行风正南风（S）时，由于高层住宅楼底层受到南面高密度多层住宅的阻挡，形成负压区，局部形成三个方向相反的涡旋气流区，最后气流比较均匀流出，其中，风速最高点发生在建筑物迎风面拐角附近区域，在拐角处发生分离，所形成的的涡旋从墙面剥离，风速变化最大，最大风速为4.42 m/s，小区内部从未出现超过5m/s的情况，不会有强烈的吹风感觉，满足行人舒适要求[10]。夏季沿主要道路的气流顺畅，通风效果好。模拟中未包括小区绿化树木模型，实际情况下小区内部绿化环境优美，通过乔木与灌木结合能够合理引导风的流动，减小风速放大系数，消除不利影响。

Envi-met软件模拟结果显示（图4），小区内部建筑物周围人行区距地面1.5m高处平均风速为1.96 m/s，风力等级2～3级，属于人行舒适区，其中最大风速4.97 m/s，且出现在南面高层住区迎风面建筑转角两侧，小区内从未出现超过5m/s的情况，南北街道通风情况良好，有利于温度扩散和主要人行街面污染物的扩散。

3.1.2 模拟结果分析

由图3和图4两个软件的风速云图和矢量图可以看出，两个软件的风速空间变化情况基本吻合，其中，Fluent Airpak软件模拟的结果层次感更强，可以清晰地看出小区内部涡旋区域；Envi-met软件的模拟结果则不能清晰地看出风速变化，更适用于小区下垫面微气候层较明显区域。

从软件结果综合对比来看，小区人行高度受夏季风影响，高层两侧风速变化很快，扩散到小区外的周围道路，使小区内部绿地中心建筑周围有较好的风环境，静风区域较小。由于密集的建筑群增加了小区内部的下垫面粗糙度，阻碍了空气流通，也造成了整个或局部场地内部空气流通不畅的现象，称为“室外通风问题”。“滞风”造成内部通风自净能力下降，不利于建筑物、机动车等向小区外排除的废热、污染物的稀释和扩散，还间接影响了建筑自然通风的利用、室内空气品质和建筑节能效果等。各栋建筑都是板式布局，中间两排通过建筑平面错排，有力地降低了风速放大系数，也减小了高层背风面的涡旋和无风区范围[9]。

3.2 温度模拟

3.2.1 温度模拟结果

Fluent Airpak软件模拟结果显示（图5），风速云图变化不明显，矢量图中可以清楚看出温度扩散方向，和季风流动风向一致，且小区内平均温度约为33℃，和软件设定初始温度基本一致。温度在人行主要道路和宅间空地范围内的变化不明显，看不出明显变化。软件自身设定边界条件范围限制，小区外围温度明显低于内部温度，约为31℃。

图3 规划方案中小区内部距地面 1.5m高度处风速分布云图和矢量图（Fluent Airpak）

图4 规划方案中小区内部距地面 1.5m高度处风速分布云图和矢量图（Envi-met）

图5 规划方案中小区内部距地面 1.5m高度处温度分布云图和矢量图（Fluent Airpak）

图6 规划方案中小区内部距地面 1.5m高度处温度分布云图和矢量图（Envi-met）

Envi-met软件模拟结果显示（图6），整体小区内部温度大小分布均匀，区域变化明显，温度最高出现在北面高层住区背风面，约为29.52℃，最低温度则出现在排布较为密集的高层区和南面多层住宅区宅间区域，约为27.09℃，从温度云图可以看出，夏季盛行风对小区内部温度的扩散影响较大，风向流经区域温度明显低于背风面温度。

3.2.2 结果分析

从图5和图6中的模拟结果可以看出，两个软件温度模拟结果差异较大，Fluent Airpak软件结果显示小区内部温度较为平均，均值都在33℃以下波动，小区内建筑周围温度区分不明显，不适宜用于温度分析。而Envi-met软件结果中温度波动较明显，温度在整个场地范围中受风速影响较大，其中温度最高为29℃，温度最低为27℃，受夏季盛行风的影响，温度降低2～3℃，建筑迎风面和背风面温度波动最大，建筑中部靠近南面相对开阔的地方最易出现高温，温度较高处出现在高层建筑背风面，气流不受风向影响扩散较弱的位置。小区内北侧建筑较密集的建筑物区域和宅间小路处温度较低，不同宽度的宅间道路对温度影响也不一样。其中，街道和主要人行区温度都在28℃左右，较为稳定。因为Fluent Airpak软件是瞬时计算温度场，而Envi-met软件中设定的初始温度一致，但是太阳高度角不一样，图5设定上午9:00，太阳高度角较低，呈现的小区内部温度扩散较为均匀[11]。

4 优化方案

4.1 风速模拟结果分析

夏季工况下，优化方案中室外1.5m 高度人行活动区风速控制在0～2.5m/s，有利于自然通风，改善小区内部环境和提升建筑周边空气质量[12]。图7是建成后模拟人行高度距地面1.5m 处速度分布，建成方案在实测验证的情况下，实测值和数值模拟结果有一定幅度的波动，这与现场测定时受外界环境以及数值模拟模型与实际物理模型之间的差异等不确定因素影响有关。因为小区规划建成是2012年，内部绿化现阶段已经较完整密集，风环境必然受到一定程度的调整和改善。从小区建成后的分布来看，当夏季吹南风时，夏季风进入小区，南面的高密度多层住宅对来流风的阻碍较小，住区空间口逐步衰减，所形成的风影区基本可以避开主要行走区域。在正南风向下，来流在南面高层建筑两侧出现流动分离，下游无遮挡区域的风速明显增大。导致东面街道形成“风走廊”，流动加速明显，东南角建筑周围局部风速比达到1.5左右[13]。此外，该项目的地面风速基本在4.3m/s以下，不容易吹起地面上的尘土，有利于提升建筑物周围的空气质量。再加上周边道路上具有较大风速，风速值达到4.8m/s，有利于城市道路上行驶汽车尾气的排放。因此，建筑物周围没有明显不利于污染物扩散的涡流。由于两侧道路开放和中间大面积的绿地范围，从侧面进入的风和风影区气流产生交叉，住区内部空气流通适当增强。综上所述，改变小区内建筑空间布局之后，对住宅区内的风环境有了显著的改善作用，在降低局部突变风速的同时又提高了整个区域的通风性。

图7 优化方案中小区内部距地面 1.5m高度处风速分布风速云图和矢量图（Fluent Airpak）

图8 优化方案中小区内部距地面1.5m高度处温度分布云图和矢量图（Envi-met）

4.2 温度模拟结果分析

由图8可以看出，建成优化方案中黄色区域是温度场较低的区域，温度约为28℃，大部分集中于较高建筑的背阳位置，小区内部行人主要道路和东西主干道温度普遍低于其他区域，主要是因为风速对温度的减弱作用。而北面紫色区域是温度较高的区域，其处于居住区背风面，受风速影响较小。建筑布局及朝向对温度的影响偏大，其中，中心绿地较开敞处温度也明显低于其他区域。同时，通过改变小区中间绿地中心的空间组合方式，形成更加紧密的围合空间，加强了小区内部空地的温度扩散，主要行人区温度分布均匀，不会对人的舒适度产生过大的影响。

5 结论与建议

两个模拟软件主要适用于建筑工程后期表现阶段，为使用者提供参考建议，也有助于提供设计方案的前期方案建议。软件模拟过程中，两种软件都需要进行建筑模拟的简化，有些项目造型相对特殊，需要重点观察建筑周边风速和温度场，不能精细表达。两个软件模拟结果吻合度较好。这表明一定程度上两个软件都可以有效地评估行人高度风热环境[2,13]。

温度场的模拟中，Envi-met软件计算精度高于Fluent Airpak软件，系统更多的是自带建筑围护结构、下垫面和绿化植物等模块，有相应材料的物理参数，可以省去模拟设置的误差[14]。Fluent Airpak模拟结果可以清晰表达风速矢量图和云图，尤其是视觉表达。风速矢量图和云图对小区内建筑形态的凹凸变化、外开口距离，通风走廊、通风夹道处风环境的变化显示更加明显。Envi-met 可清晰描述研究区微气候环境的空间分布与日变化特征，且对下垫面层粗糙度的微气候模拟较为敏感，计算结果更为准确。模拟过程中无法考虑环境影响的偶然性，如局地风场、人为热释放的变化等，使得模拟气温的变化振幅相对较小，而且模拟结果无法准确刻画实测数据能够表达的拐点变化特征。空气温度受空气风速和风向的影响较大[11]，建筑物阴影区空气温度明显降低2～3℃[4]。宜适当利用建筑阴影设置人群主要活动区，有利于提高居住区人群舒适性。针对以上研究，笔者提出以下建议：①高密度建筑群的风环境较为复杂，来流风会在各建筑的拐角区域发生强烈的绕流分离区，形成高风速区域，从而使得该区域的行人高度风环境恶化。因此，利用适当的平面布置可以改善高风速变化范围，减少静风区域。②高层建筑物之间间距较小时，来流在两个建筑之间容易形成“穿堂风”或“夹道风”，导致气流在该区域的加速，从而产生不良的风环境，这点应该在项目整理规划设计阶段引起重视。因此，规划布局中宜采用行列式和围合型建筑布局结合的模式，通过行列式为小区内部引入来风，而后通过围合型建筑减小风速[15]。③在地块临近城市道路地带，为有效阻隔道路近地层高温空气进入地块，宜适当将乔木、灌木、草地等不同植被进行组合配置，并根据季风路径适当增大绿化面积，达到降温的效果。