基于PKPM软件的某绿色建筑室外环境模拟分析

吴玲,祝磊,王东红

(1.合肥学院 城市建设与交通学院,合肥 230601;2.安徽省建筑设计研究总院股份有限公司,合肥 230031)

0 引言

近年来,为推动绿色建筑进一步发展,践行绿色建筑理念,我国制定了具体的绿色建筑评价标准和认证体系,2022年住房和城乡建设部印发的《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》明确提到,加强高品质绿色建筑建设,倡导建筑绿色低碳的设计理念,充分利用自然通风、天然采光来降低建筑能耗。人们的生活品质在不断地提高,打造一个健康、舒适的环境是迫切所求,在注重室内环境舒适性的同时,人们也越来越关注室外环境质量,因此室外环境评价成为绿色公共建筑的重要指标之一。

室外风环境和声环境质量对室外环境评价影响较大,良好的风环境有利于室外活动的舒适。影响建筑自然通风的因素较多,马剑等[1]分析了8种不同的建筑群布列形式,认为当建筑群呈围合式或并列式时风环境较好,而Y型或U型的排列方式易出现巷道效应和风速加快的现象。李珊珊等[2]采用Airpak软件研究回字形建筑对风环境的影响,认为回字形建筑能够营造良好的风环境,但应避免建筑内部存在狭长通道。郭卫宏等[3]指出可以利用建筑形体导风,采用分散体量、架空和开洞等方式形成通道风,必要时引入中庭、天井和冷巷等空间形式利用热压通风。总体来讲,学者们主要从建筑布局、建筑形体和围护界面3个方面来研究对室外风环境的影响。

室外声环境质量主要受交通噪声和生活噪声的影响,其中交通噪声所占的比重达60%以上,当环境噪声高于65 dB(A)时,就会出现情绪烦躁,对人的生理、心理产生危害。刘涛[4]认为可以采用多孔性沥青铺设路面,达到降噪效果,这种路面的孔隙率高达15%～20%,比普通水泥路面产生的摩擦噪声降低了6～7 dB(A)。丁亚超等[5]通过对8处林带的降噪效果进行测试,认为林带密度、宽度、高度和长度是比枝叶大小和枝干特性更有效的降噪因子,且灌木和乔木同时种植,可使林带产生更好的降噪效果。

本文以合肥市某中学的建筑群为例,采用PKPM绿色建筑软件对该中学的室外风环境和声环境进行模拟分析,提出优化措施,为师生创造良好的工作、学习环境,并为设计绿色的校园室外环境提供参考。

1 项目概况

本项目位于合肥经开区新桥科技创新示范区,总用地面积约145 333 m2,总建筑面积约181 500 m2,容积率为1.03,主要包括教学综合楼、文化交流中心、艺体中心、食堂和宿舍等设施。建筑整体采用集中式布局,建筑体型系数较小,节约用地、造价的同时又降低了能耗。北侧生活区、中心教学区和南侧对外开放区3区之间自然形成较大的开敞区间,3栋教学楼均设置下沉庭院、立体绿化和内天井来改善气候环境,且高三教学楼底层架空的设计能够有效避免大面积的背风区。

2 模型建立

使用PKPM室外风模块进行区域建模,能直接读取bdl、bdls和stl建筑模型,可精准识别天正模型和斯维尔模型,也可单体入总,即将多栋单体模型导入并定位到总图上,选择单体转体量,完成模型的建立。室外建模比室内建模简单,主要是区域建模中拉伸体量、叠加体量、空心体量和体量加窗等建模操作,道路、景观和场地等依CAD图纸依次完成。在拉伸体量时,可选择同一图层轮廓线,或者采用沿建筑轮廓绘制闭合多段线的方式完成体量建模。当建筑物轮廓局部出现尖角、凹槽和凸起时,需对模型进行简化处理,这样既不影响目标建筑流场的分布,又能加快计算收敛速度[6]。除对用地红线内的目标建筑完成基础建模外,还需考虑周边建筑对其气流分布的影响,因此还需根据项目周边的设施合理设置建筑单体模型。本项目主要针对教学楼、文化交流中心、艺体中心、食堂和宿舍进行基础建模,建筑平面示意图如图1所示,同时根据建筑底图绘制道路和户外休息区,最终简化的室外模型图如图2所示。

图1 某中学建筑平面示意图

图2 某中学简化室外模型图

3 室外风环境模拟分析

3.1 风场计算域

进行室外风场计算前,需要确定参与计算的风场的大小,这在流体力学中称为计算域。当计算域过大,会造成划分的网格数目过多而增加模拟计算时间;当计算域过小,会导致流场失真,影响模拟结果的真实性。综合温昕宇[7]、杨洁等[8]和王菲等[9]的研究,得出计算域的范围设置大部分是高度为建筑高度的3倍、宽度为建筑宽度的6倍、入流方向为建筑宽度的3倍、出流方向为建筑宽度的10倍。本项目建筑高度为校园建筑群中最高建筑物的高度:30 m,其计算域范围设置为一个包围校园建筑群的长方体,风场计算域范围设置见表1。

表1 风场计算域设置 单位:m

3.2 网格划分

利用PKPM软件的CFD模块对建筑的风环境进行评价分析时,建筑几何模型的建立以及计算域的网格划分非常重要,个别建筑局部出现凹槽或凸起时,需对模型进行简化处理,有助于网格划分。网格划分会影响计算的精确程度,网格密集则计算时间长、精度高,反之则可能导致计算结果不够精准,因此需要根据区域的不同来设置不同的网格方案[10]。本项目采用加密方案,对近场地面的网格做加密处理、远场地面的网格做稀疏处理,靠近地面和建筑以外的网格则采用普通网格,贴近地面的附面层数做加密3层处理。

3.3 边界条件

气流穿过不同的地区和地形带时会受到地面粗糙度的影响,从而降低风速。本项目所在区域属于有密集建筑的大城市区,越接近地表的风速越小,梯度风示意图如图3所示。在近地面的来流方向上,建筑群内的风速会随高度的增加而逐渐增大,来流风因为地面粗糙度的影响,其沿高度方向的速度分布满足式(1)[11]:

图3 梯度风示意图

(1)

式中:Vh为高度为h处的风速,m/s;V0为高度为h0处的风速,取10 m处的风速,m/s;n为地面粗糙度指数,取值0.2。

侧面出口边界设置为环境压力出口边界,将地面和顶面均设为固定不动无滑移的壁面条件[12]。

3.4 湍流模型

湍流模型反映了流体流动的状态,在流体力学数值模拟中,不同的流体流动应该选择合适的湍流模型才会最大限度地模拟出真实的流场数值。本项目室外风的流动属于不可压缩、低速湍流,计算精度不高且只关注1.5 m的高度流场,因此选用《绿色建筑评价技术细则》推荐的标准k-ε湍流模型进行室外流场计算。

3.5 工况设置

安徽省合肥市,北纬117.20°,东经31.90°,位于安徽省中部,地处中纬度地带且位于江淮之间,全年气候夏热冬冷、春秋温和、季风明显、雨量适中,年日照时间为2 000～2 300 h,常年平均气温为15.6 ℃。根据合肥当地的气象参数确定冬季、夏季以及过渡季3个典型工况,各工况的具体风向和风速设置见表2。

表2 合肥市工况设置

3.6 风环境模拟计算结果分析

3.6.1 冬季工况结果分析

本项目冬季工况的入口边界风速为2.39 m/s,风向为东北风,图4～7分别为距地面1.5m高度处的风速云图、风速放大系数云图、迎风面风压图和背风面风压图。从图4中可以看出,流场分布大致均匀,风速在0～1 m/s的人行区域面积占总面积的41.7%,风速在1～2 m/s的人行区域面积占总面积的48.2%,风速在2～2.6 m/s的人行区域面积占总面积的10.0%,无滞风区域。从图5中可见,人行区域的最大风速放大系数为1.7,达到GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》(简称绿色评价标准)中“风速放大系数<2”的要求[13]。由于高一教学楼和高三教学楼是体量较大的围合式建筑,对风的阻挡作用较大,导致在文化交流中心一侧有大范围风影区的存在(图4红色方框标记处),此处风影区风速<1 m/s,当学生经过时,舒适度较低。女生宿舍楼3的平均风压差最大(图6红色方框标记处),迎风面风压为-2 Pa,背风面风压为1.2 Pa,虽风压差达到3.2 Pa,但仍满足“建筑均满足压差≤5 Pa”的要求,避免了冬季寒风通过建筑围护结构缝隙进入室内,提高了室内环境保温效果。通过冬季工况分析可知,校园建筑布局较为合理,满足绿色评价标准中冬季工况的要求。

图4 冬季工况1.5 m平面高度处风速云图

图5 冬季风速放大系数云图

图6 冬季工况迎风面风压图

图7 冬季工况背风面风压图

3.6.2 夏季、过渡季工况结果分析

3.6.2.1 无风区、涡旋区计算分析

本项目夏季工况的入口边界风速为2.90 m/s,风向为南风;过渡季工况的入口边界风速为2.47 m/s,风向为东风。图8～11分别为夏季和过渡季在1.5 m平面高度处的风速云图和风速矢量图。可以看出,夏季、过渡季的人行区仅存在较小的无风区域,其面积比分别为3.9%和2.6%,均达到了绿色评价标准中“场地内人行活动无风区”的要求;根据图9和图11的风速矢量图可见,人行区均未产生涡旋,且面积比达到100%,满足绿色评价标准的要求。从场地的夏季、过渡季的风环境来看,整体效果较好,但高三教学楼的南侧活动广场受艺体中心的影响,存在部分阴影区(图8红色方框标记处),此处风速<1 m/s,不适合师生在户外活动,特别是夏季易造成闷热感。

图8 夏季工况1.5 m平面高度处风速云图

图9 夏季工况1.5 m平面高度处风速矢量图

图10 过渡季工况1.5 m平面高度处风速云图

图11 过渡季工况1.5 m平面高度处风速矢量图

3.6.2.2 外窗内外表面风压差达标分析

室内自然通风需要较好的风压驱动,以此改善室内舒适度。当外窗内外表面形成风压差且>0.5 Pa时,空气便从高气压一侧流向低气压一侧,则形成室内通风的条件。本项目中夏季、过渡季窗口内外表面风差如图12～13所示,其风压差>0.5 Pa的面积分别占可开启总面积的64.78%和80.45%,均达到了绿色评价标准中超过50%的要求,这有助于教室的空气置换,保持良好的室内清洁度。

图12 夏季工况窗口内外表面风压压差示意图

图13 过渡季工况窗口内外表面风压压差示意图

通过模拟分析,结合绿色评价标准的评判要求,本项目现有建筑布局基本符合标准中对公共建筑室外风环境的要求。冬季、夏季以及过渡季的整体风环境较为良好,在开窗情况下,可有效地提高室内空气质量,达到通风换气的效果。后期还可结合景观来进行辅助改善,如在迎风侧和背风侧合理布置绿化植被,在风速放大系数较大的区域布置灌木丛或景观花丛等限制学生在该区域的活动,合理设置室外活动场地。对于冬季和夏季风环境中存在的阴影区,可在建筑转角处设置导风板,改变风的方向和流速,从而减小阴影区的范围,提高师生在户外活动的体验感和舒适感。

4 室外声环境模拟计算分析

4.1 声环境模拟参数设置

本项目建成后室外噪声污染源主要是城市交通噪声,校园属于Ⅰ类声环境功能区,其噪声限值为昼间<55 dB(A),夜间<45 dB(A)。在图2建筑模型的基础上进行噪声源、监测点以及网格划分的设置。本项目主要考虑周边道路产生的噪声影响,对学校周边的4条道路的昼夜车流量和平均车速进行实测,数值见表3。在每栋单体楼距地面高度1.2 m,距建筑轮廓1.2 m处设置监测点,共设置了417个典型监测点。模型计算时,按照平面网格间距200 mm、平面高度1.2 m和立面网格间距200 mm进行划分,依据GB 3096—2008《声环境质量标准》[14](简称声环境标准),分析场地内声环境是否满足标准。

表3 道路噪声源实测数值

4.2 声环境模拟计算结果分析

图14～15为校园昼间和夜间立面噪声分析图,从图中红色方框标记处可知场地声环境部分超标,文化交流中心和艺体中心靠近道路一侧的监测点噪声值超过了声环境标准的限值,见图16～17红色方框标记处。噪声会影响师生的日常工作、学习和休息,因此需采取合理的降噪措施。从噪声源角度来说,可在学校附近的道路设置减速带和禁止鸣笛警示牌,控制车速以降低噪声;从噪声传播途径来说,校园内种植茂盛的乔木可以增加声波在叶面间的反射,起到减弱声波传递的作用,从而降低噪声水平。这种做法既可改善校园环境还有助于净化空气。在道路两侧设置声屏障也是降低噪声的常用措施之一,声屏障高度一般设置在3～6 m,其可以减少噪声水平5～12 dB(A)。这样可以在一定程度上阻隔道路噪声的传播,减少对校园内部的干扰。此外,对建筑本身围护结构的材料进行优化也是有效的降噪方法,如教室、宿舍等室内门窗可采用隔声性能好的材料并采取有效的密封措施,可以有效地减少噪声的传递。本项目宜在靠近道路一侧种植高大的乔木,或者将部分矮小的灌木丛更换为茂盛的乔木进行降噪。优化后的文化交流中心和艺体中心监测点噪声值如图18～19所示,仅有较少监测点噪声值超出声环境标准的限值(红色方框标记处),可见此降噪措施对提高声环境质量有显著作用。

图14 昼间立面噪声分析图

图15 夜间立面噪声分布图

图16 文化交流中心监测点噪声值示意图

图17 艺体中心监测点噪声值示意图

图18 优化后文化交流中心监测点噪声值示意图

图19 优化后艺体中心监测点噪声值示意图

5 结语

践行绿色建筑理念,在规划设计阶段,对室外环境进行模拟分析,能够及时发现问题,并根据模拟分析结果采取优化措施,可降低后期的维修和改造费用,达到国家绿色建筑标准规范要求,创造良好生活环境。