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学术研究

【案例】“通风”与“捕风”:亚热带地区高层公共住宅通风效果比较研究 (上篇)

时间:2018/1/2 17:13:05   作者:杨娟 王之昊   来源:绿建斯维尔   阅读:314   评论:0

【案例】“通风”与“捕风”:亚热带地区高层公共住宅通风效果比较研究_(上篇)

摘  要: 良好的自然通风不仅可加强人与自然的联系,节约能源,而且能提升空气质量,营造出良好的室内外风环境。如何有效的利用建筑组群、单体与构造设计来获得良好的室内外自然风环境在住宅设计中具有重要意义。

  通过CFD模拟仿真可有效分析室内外空气分布的详细情况,分析建筑室内外通风效果,从而指导和优化设计。本文利用CFD数值模拟,以香港穗禾苑小区风环境为例展开模拟对比分析,通过调整建筑组群、单体布局以及通风廊道的方向,进行室内外风环境的“通风”与“捕风”分析,探索在亚热带气候条件下高层公共住宅中如何通过设计优化与CFD模拟手段有效提升与优化建筑室内外自然通风环境。

关键词:CFD模拟;自然通风;捕风;通风廊道;高层经济适用住宅

1 香港穗禾苑

   巴马丹拿事务所成立于1938年,是东南亚地区内历史最悠久、规模最庞大的建筑及工程事务所。香港穗禾苑住宅小区是由1980年设计的经济适用高层公屋住宅,该小区位于沙田西北面山坡上,俯瞰整个沙田市中心, 该公屋住宅类似国内的经济适用住宅或者公共租赁住宅,小区内户型可租可售。穗禾苑小区占地9.1公顷,总建筑面积18.3万平方米,是香港70年代末期开始的“居者有其屋”计划下设计最理想的屋苑之一[1]。

  如图1所示,穗禾苑建筑群由9栋高层住宅楼、幼儿园、学校、活动中心及商场等组成,每栋住宅楼均为36层。建筑组群采取每3栋住宅楼形成一个组团,3个组团的建筑布局形式相近,采用品字型布局,但品字型开口不同,分别面向东西向开口。9栋高层住宅基本上面向主导风向。各个组团中心庭院的布景形式不同。北边的组团布置了一个健身公园,中间的组团是一个带喷水池的公园,南边的组团设计了一个锦鲤池。微风徐来,花香扑鼻,景色宜人,水声潺潺,提升了建筑的空间品质。

 高层住宅的标准层平面每层8户,整个建筑单体平面呈风车状。在每个楼梯间里,走廊端部的两户与走廊边上的一户错开半层。如图1平面图所示,3、6、9、12四户在一个标高上,剩下的八户在一个标高上,错层设计,避开了相邻几户的干扰,营造了私密的入户空间。电梯每三层停靠一次,提高了电梯的工作效率。每层中间的走廊不是封闭的,中间有一个大的公共平台(图2),可供人们室外活动。在电梯不停靠的两层,楼梯走廊挡板处设置了大圆洞,可供不同楼层间的人们相互对望,增加生活的情趣[2]。

   作为政府公屋,户型套内建筑面积约37.3-56.6 m2, 为2房2厅1厨1卫,或3房2厅1厨1卫设计,户型设计相当经济和紧凑。

  穗禾苑设计方案在1981年荣获香港建筑师学会“银奖”。穗禾苑小区虽落成已经近40年,但由于良好的维护与定期整修,整个小区运行情况良好,完全看不出是一个楼龄接近四十年的经济适用房小区。 过渡季节及初夏,小区及室内凉风习习,几乎不用开空调也能达到较好的热舒适度,为人所称道。

【案例】“通风”与“捕风”:亚热带地区高层公共住宅通风效果比较研究_(上篇)

图1. 穗禾苑总平面图及标准层平面

【案例】“通风”与“捕风”:亚热带地区高层公共住宅通风效果比较研究_(上篇)

图2. 穗禾苑外观及单元公共空间 

2 香港穗禾苑风环境分析

  根据香港气象数据,夏季工况主导风向为东南风,东偏南22.5°,参考高度处(H=10 m)风速2.7m/s。冬季工况取主导风向东北风,东偏北22.5°,参考高度处(H=10 m)风速2.9 m/s。采用计算流体动力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)的方法对方风环境状况进行模拟评价,本次模拟采用的是绿建斯维尔公司开发研制的Vent软件(Open Foam计算核心)。

   在计算软件Vent进行三维流动数值模拟从而得到建筑周边的流场和建筑表面的压力分布。为了简化模型,对模型做了适当的简化,忽略了部分对风压分布影响较小的建筑构件。为评价不同组团开口对风环境影响,分别对南部的东向开口组团及中部的西向开口组团进行单独分析。 

2.1 Vent CFD模拟软件

Vent软件采用标准【案例】“通风”与“捕风”:亚热带地区高层公共住宅通风效果比较研究_(上篇)模型对室外风环境进行数值模拟。

【案例】“通风”与“捕风”:亚热带地区高层公共住宅通风效果比较研究_(上篇)

式中的φ可以是速度、湍流动能、湍流耗散率以及温度等。针对不同的方程,表现形式如表1:

表1  计算流体力学的控制方程:

【案例】“通风”与“捕风”:亚热带地区高层公共住宅通风效果比较研究_(上篇)

表中的常数如下:

【案例】“通风”与“捕风”:亚热带地区高层公共住宅通风效果比较研究_(上篇)

  目前CFD计算方法方法主要采用有限差分法和有限体积法。一般情况下,两者的数学本质及其表达是相同的,只是物理含义有所区别,有限差分基于微分的思想,有限体积基于物理守恒的原理。Vent2016软件采用有限体积法,同时采用压强校正法(SIMPLE)处理连续性方程,将运动方程的差分方程代入连续性方程建立起基于连续性方程代数离散的压强联系方程,求解压强量或压强调整量。

   Vent CFD计算需要将CFD数学模型中的高度非线性的方程离散为可用于求解的方程,这个过程需要用到差分方法。Vent采用二阶迎风格式对方程进行离散,二阶迎风格式的准确性可满足一般流体模拟计算的要求[3],同时满足《建筑通风效果测试与评价标准》JGJ/T 309—2013对于模拟算法的要求。

文:杨娟,王之昊,田真,杜琥

编辑/排版:李影

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