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摘要：本文在对以往研究学者的经验进行研究和分析的基础之上，采用数值模拟法，利用CFD模拟软件针对宁波慈溪城南教育地块绿色建筑在慈溪地区气候条件下的夏季、过渡季和冬季校园风环境分别进行模拟，并将得出数据根据《绿色建筑评价标准》GB50378-2014进行评价，得出教育用地风环境设计的重要性。在考虑目标建筑周边实际情况的基础上，借鉴前人实验成果制定出合理的优化方案。通过对慈溪城南教育地块绿色建筑风环境的分析总结，从建筑迎风角度，建筑高度排布等方面提出校园风环境优化策略。
优化后，夏季距地面1.5m高度出建筑前后压差增大，建筑内部围合区域静风区域减少，涡流面积也明显减小;冬季除迎风建筑外，其余建筑前后压差明显减小，在建筑拐角处仍有涡流区，但建筑周围涡流总面积明显减小。通过模拟计算以及优化希望能为今后校园更优质的建设提供参考和借鉴。
关键词：校园风环境;CFD数值模拟;自然通风;建筑节能;绿色建筑
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2021）-9-071
1绪论
随着中国城市建设的快速发展，人们的环保理念和对环境舒适性的要求也逐渐增加。作为一个重要方面，风环境影响人们的舒适度，并且越来越受到关注。风环境与城市建筑之间有着密不可分的关系，它既影响着城市规划也对建筑设计有着重要的意义。建筑群体是城市的组成之一，建筑群体的微观环境同样也是大气环境的组成之一，是一个小规模的气象问题。建筑群体的微观坏境包括了风、光、热、声等多个方面，风环境是其中极其重要的因素之一。对建筑群体的风环境进行合理化分析，希望能从中总结出建筑风环境的一般规律，并提出一些针对性的改善措施，从而减少风环境对人类生活造成的不利因素，创造一个安全又舒适的工作生活环境。
1.1 研究的背景及意义
根据资料统计显示，世界上多数可预防疾病的主要成因即是恶劣的城市环境。维护健康是人类的基本需求之一。近几年来随着人们对于高等教育的要求上升，校园建设大力开展，同时也存在着对校园环境重视不足的问题。如何营造一个舒适健康的校园环境已成为广大家长和全社会关注的热点，而校园风环境作为构建校园生态环境的关键之一，对营造健康而又安全的校园环境影响有着重要的作用。
高品质的校园风环境能够使广大教职工和学生的精神良好、身体健康得到保障。许多研究表明，低品质的校园风环境对人类健康构成了极大的威胁。学生的生活质量、身体素质、学习效率极大的取决于校园室内外风环境质量的好坏;风速过低阻碍了室内外空气的流通，既不利于建筑室内外换热，也不利于室内污染物的排出，从而导致师生健康状态下降;病态建筑综合症等疾病会随着质量低下的室内空气环境而产生。创造一个优质的风环境要考虑夏季的自然通风以及冬季建筑物的防风，减少涡流和静风区的产生，使得通风更加顺畅。
风环境不仅能够影响温湿度，还会对热环境造成影响。研究风环境可以满足人们对于空气质量的要求。在研究教育用地风环境时，不仅要了解研究的过程以及结果，还要利用最大程度的风环境优化以达到提高人居环境质量的目的。研究校园风环境存在的问题，探索其改进措施，对改善校园风环境的品质有着积极的指导作用。
校园风环境研究的意义。社会意义：校园风环境的研究对校园内学生以及全体教职工的安全、健康及舒适都有着重要意义。建立良好的校园风环境有助于提高校园生活质量。优质的校园风环境也会随着社会的发展以及人们对于校园生活品质要求的提升逐渐成为学校招生、家长学生择校的一大选择标准。环保意义：校园风环境的研究对降低建筑物能耗，提高能源的利用率有着积极的指导意义。良好的校园风环境会体现在夏季及过渡季自然通风和冬季防风，从而来减少空调和釆暖设备的使用。现代社会，空调被人们广泛使用，但是一系列的“空调病”也随之出现。优质的校园风环境设计研究对保障校园内学生、教职工的身体健康有着重要意义。设计意义：对校园风环境的要求，将会影响到建筑设计的每一个方面，包括了建筑群体排布、植被景观设计以及建筑单体形态。校园风环境的评价以及优化，对建筑系统的构成有着指导意义。
1.2 研究现状及进展
1.2 .1国外研究现状
在其他国家，风环境是建筑领域必须要考虑的一个重要方面。目前，国外对于风环境的研究主要有如下成果：
1995年，To 和 Lam[1]通过对比多种建筑的布局方式，来研究风向对于建筑将会产生的影响，同时主要分析了风的“狭管效应”和“遮挡效应”。从中了解到了风向和建筑朝向的联系：当风向与建筑物的主立面相同时，建筑物之间的风速显著增加，出现“狭管效应”，同时在建筑迎风面的转角区域形成了角流区;当风速同建筑物的侧立面相同的时候，上风向建筑“遮挡效应”显著，其背后出现的涡旋区，对下风向建筑产生了明显的影响。
2000年，Littlefair P J和Santamouris M [2]研究了风环境与建筑群落的建筑布局之间的关系，并研究了开放空间和植被等影响因素。主要是研究建筑物朝向、间距和建筑单体形态对建筑室内自然通风以及防风的影响，同时研究了自然通风和能耗之间的联系，最后得出了利用建筑布局模式改善相应措施来实现调整建筑风环境的目的。
2001 年，G·Z·布朗和马克·德凯在《太阳辐射·风·自然光》[3]这本书中从多个方面对风环境进行了相关的探析，包括建筑组团、建筑单体以及建筑构件，同时制定了对应的设计措施。在建筑组团层面，探析了紧密布局、辐射状布局和建筑朝向、形状以及位置对微气候产生的效果;并且还研究了街道、建筑单体和开敞空间与建筑单体之间的联系对风环境所产生的影响。在建筑单体层面，研究的重點则是建筑和庭院的朝向、大小关系、布局，并且还分析了周围环境对室内外温度以及通风所产生的影响。在建筑构建层面，其重点则是对门窗的大小、位置以及朝向对室内自然通风的影响进行了研究，同时制定了相应的设计策略。 2007 年，Testu[4]等研究了日本 22 个住宅小区，研究其区域内建筑密度与区域总面积对小区风环境所造成的影响，分析得出建筑密度与风环境之间的量化关系，同时还以此为基础，制定了相应的风环境优化措施。
2006 年，巴西的 Lamberts Roberto[5]运用流体力学的知识，通过软件数值模拟的方法模拟了一栋典型的低成本建造校园建筑的自然通风效应。研究得出，在潮湿、温暖的环境条件下，建筑师能够利用相关的专业知识，进行被动式通风设计，进而实现适宜人体的热舒适性 。
2007 年，意大利都灵理工大学能源学院的 Stefano Paolo Corgnati[6]选取了 13个教室对其室内热环境和空气质量进行了测试，这 13 个教室都是属于意大利各个地区的高中和高校，同时依照测试结果得出了 PMV-PPD 指标。
2012 年，荷兰的 B. Blocken[7]等运用 CFD 数值模拟的方法，从城市区域行人高度处风的舒适度和安全性角度，分析了埃因霍芬理工大学。该模拟结果对比分析了长期风速测量和短期风速测量，从舒适度、安全性和改进方案多个方面进行评估，以支持和引导未来运用 CFD 技术的风环境舒适度和安全性的研究，接着讲城市区域风环境的质量提升。
2012 年，新加坡的 Garde George[8]对印度洋留尼汪岛大学圣彼埃尔分校一个零能源建筑的教室热舒适性进行了软件模拟，并且分析了空气质量以及噪音等方面与师生行为的联系。结果证明，该建筑的用户已经一年多没有使用过空调系统，说明该建筑在不使用空调的情况下可以满足基本的热舒适度需求。同其他建筑进行对比，这个建筑的窗洞设置的非常科学，让室内通风能够达到老师和学生的要求，同时满足健康标准。
2013 年，W.D. Janssen[9]等运用 CFD 分析了学校的风环境，研究比较了几种不同的舒适度标准，强调了标准化在风环境评价过程中的重要性。研究结果显示了不同的标准对评价结果影响巨大，证明了完善的风舒适度评价标准的重要性。另外，国外针对绿色校园的研究也比较成熟，也已出台了许多相关评价标准。美国在 2014 年和 1997 年分别颁布了 STARS2.0 和 LEED 2009 for School，英国在 1995 年颁布了 BREEAM Education 2008，日本在 1997 年和颁布了绿色学校及“绿色学校试验模范事业”规定（部省或学校独立制定，以文部省为例）。相关的实践也在不断推行，华盛顿大学继发布绿色大学先导计划以后，“可持续发展校园”、“生态校园”、“绿色校园”等理念也先后在大学校园的建设中落实，并得到国际认可，被步推广实施[10]。
1.2 .2国内研究现状
在我国，研究风环境的步伐相对慢了些。目前国内对于校园风环境的研究主要有以下成果：
2012 年，山东建筑大学的王玲续[11]从我国现有高校既有教学建筑的现状和可持续改造的背景入手，分析研究了北方地区既有教学楼建筑的通风系统，对现阶段大学校园建设的基本情况和出现的问题进行了分析和研究，同时坚持可持续发展的原则，制定了相应的高校建筑优化建议以及专业的通风技术手段。
2013 年，天津大学建筑学院绿色建筑研究所的张豪、高辉[12]等人，通过 CFD技术，采用 Fluent Airpak 软件，从冬季、夏季、过渡季（以春季为例）三季模拟分析了天津大学的校園局部风环境，并在此基础上提出了增加广场绿化、发展垂直绿化等改善措施。
2014 年，沈阳建筑大学的李浩达[13]利用 CFD 模拟软件对沈阳建筑大学的景观格局进行了数值模拟，并以《绿色校园评价标准》为参照，对目前的校园环境及建筑进行了专业的分析和研究，参照标准评价其现状并总结了现存的问题。针对校园内建筑使用率不高以及教学区北部房间通风差的问题，提出了通过调整具体区域景观格局要素的方式来改善现状。优化措施从各景观要素的生态效应出发，包括绿地整合和水系强化两部分。优化后的校园环境在此进行 CFD 生态模拟验证，结果发现优化后的校园内夏季 PMV 过高的区域（教学区、生活区以及办公区）的PMV 值明显降低了，同时局部空气含氧量过低、空气品质较差的区域也得到了改善。
2015 年，山东建筑大学的徐进欣[14]对校园室外风环境有了一个相对全面的研究。该研究从风绕流建筑群或建筑单体的一般性特征出发，同时讲述了其概念。在评价标准方面，总结了目前的风环境舒适度测评标准，设立了与大学校园的室外风环境相配的评价指标。在研究手法方面，该研究利用 PHOENICS软件，针对山东建筑大学的现状和规划方案的校园风环境都完成了模拟研究分析，研究时间大致分为夏季、过渡季及冬季。从行人高度处对校园的教学区、生活区、雪山区以及南部产业园的风环境进行了详细的研究，分析了其校园风环境现有问题及原因，同时对其校园风环境的基本情况总结，最后从校园整体布局、建筑群体规划、建筑单体调整、景观布局等方面制定了相应的优化措施。
2015 年，哈尔滨工业大学的吴潇逸[15]在研究了深圳市和相似气候区的高校建筑特征及目前自然通风方面的建筑设计规范的基础上，总结出室内外通风评价标准。选择了仪器实地测量以及软件模拟两种方法，对深圳大学城两栋教学建筑进行了实地研究，同时依据评价标准，研究了建筑通风问题的实际状况，分四方面总结形成问题的根本原因。
1.3 存在的问题
国外针对风环境的研究已比较成熟，尤其针对建筑群体风环境的研究已有较多理论成果。但这些理论往往多从住宅小区和街道层面出发，针对校园这一特定建筑群体的风环境研究还相对较少。另外，国外对绿色校园的研究已有比较多的成果，可以说是从理论高度上升到实践高度。但从“绿色建筑”视角，针对校园这一特定类型建筑来做系统的风环境研究还相对较少。 国内对校园风环境的研究起步相对较晚，主要研究方法是运用 CFD 技术，CFD 技术通过几十年的发展，在建筑领域已有较成熟的运用。国内研究大都集中在对校园建筑单体本身，对一栋建筑或是一个类型的校园建筑进行风环境的研究，而对于校园群体建筑的风环境研究也不多，且研究深度还不够。
1.4 本文的工作
为营造舒适的校园室外风环境，本文试图通过对慈溪城南教育地块绿色建筑风环境的模拟分析，得出校园风环境设优化方案，避免不利风环境的产生。基于此，本文主要做了以下研究：
（1）论述了本文的研究背景和意义，通过对校园这一特定建筑群体风环境相关文献的分析总结，阐述国内外校园风环境研究现状，明确了研究目的和研究方法。
（2）阐述风环境相关内容，取用《绿色建筑评价标准》GB50378-2014作为校园风环境评价标准。
（3）对慈溪城南教育地块概况和慈溪地区的气候特点进行介绍，阐释了风环境数值模拟的基本理论和方法，确定合适的模型和基本控制方程，对计算区域大小的确定、网格划分和边界条件的给定做了详细的研究。
（4）对校园实例慈溪城南教育地块绿色建筑风环境进行模拟分析，对模拟结果进行风环境评价。总结慈溪城南教育地块绿色建筑风环境特征及存在的主要问题。
（5）针对研究区块，提出风环境优化设计策略，从校园整体规划，建筑群布局，建筑单体设计，景观布置等方面给出具体措施，来营造良好的校园风环境。
（6）最后，对本文的研究成果进行了归纳整理，并指出了本文的不足之处。
2 风环境研究方法及评价标准
2.1 风环境基本概念
由于太阳辐射热在地球表面的不均匈分布，导致各处的大气温度存在差异，空气在受热后会膨胀变轻然后上升，而冷空气则会变重下降，由此产生了空气的流动，这种由于空气流动而产生的自然现象就被称为风。
“风环境是指室外自然风在城市地形地貌或自然地形地貌影响下形成的受到影响之后的风场建筑风环境与建筑热环境、光环境、声环境并列，同属于建筑环境的范畴。建筑的风环境与自然环境、建筑群体的布局及建筑本身的形体造型等有着复杂的关系。现阶段，建筑风环境主要在建筑设计、城市规划等领域中被研究。
随着城市的发展，楼房周边建筑物高度的增加，城市的平均风速在不断降低。这是由于随着城市的发展，建筑群增多增高，导致下塾面耝糙度增大，因此产生的阻碍效应导致了空气水平运动动能的消耗，因而使得城市的平均风速不断减少。
城市覆蓋层内的风速一般要比上层小，但由于参差交错的下塾面建筑，城市覆盖层内的风场非常复杂。不同的季节变化、城市的边界层结构以及城市下塾面的粗链度共同影响了城市风场的垂直变化，所以在城市和郊区的风场的垂直结构也是不同的。下图用梯度风百分比表示垂直风速分布。
风速沿高度呈一定规律进行变化，对这一变化规律进行数学抽象，常见的抽象规律对数律的表达公式为
2.2 风环境特性
建筑风环境的形成主要受道路、开敞空间、建筑布局、单体型式、植被的影响，其中任一因素的变化都会导致风速风向的不同。如当风通过较窄的高层建筑间的通道或大体量建筑周边时，风向会产生较大角度的变化，风速也会大幅度增大，一般会达到初始风速的两倍以上。这类由地面构造变化产生的再生风与大气环流关联较小，主要是受人类行为的影响。综合考虑这些因素得出的风环境状况，才可以用以指导建筑或建筑群规划当风遇到建筑的阻挡时，一部分向建筑的顶部和侧边分流，在建筑间的街道形成高速风，在建筑物拐角处产生祸流，即“狭道效应”和“拐角效应”。另一部分沿建筑立面向下流动，与来流风混合形成迎风面低速风区并伴有祸流。在此处，风速和风向会急剧变化给行人带来严重的不舒适感。这样造成了行人不愿在建筑周边驻足，对营造具有活力的室外空间不利。另外，穿堂风也是风的一种类型，由于建筑物对风的阻挡形成建筑前后压差，当建筑有前后贯通的开口时，风便会从开口穿过，形成穿堂风，如下图。
与风速过大相反，通风不畅也会导致人体舒适度下降。良好的通风可以带来新鲜空气，排除建筑周边的污池气体，提高空气质量，营造健康舒适的室外环境。而一些校园建筑，特别是位于市中心的校园由于用地限制，布局过于密集封闭，有的建筑群布局不合理，或建筑体量过大，体型复杂，形成了迎风面低速风区和背风面风影区（如图2.3、2.4），使建筑周边的通风状况较差，难以形成良好的风环境。
2.3 校园风环境影响因素
（1）微气候条件风具有方向、速度以及温度，任何一项变化都会导致风环境的改变。由于地表接受太阳福射不同，产生了空气流动，从而形成了风，地形地貌的变化对风速和风向会产生明显影响。在地面附近风因受粗糙地面的影响，风速和风向会相应产生变化，与来流风产生较大不同。许多大学园区内存在山体且植被较多地表构造复杂，受此影响，大学园区内的风受到粗糙地表摩擦时风速和风向发生变化，导致大学园区内风环境比较复杂。
（2）水体水是改善校园环境的重要因素之一。由于水面比较光滑，与绿地和一般校园地表相比，水域上方空气流动顺利，风速和风向变化较小。水体的存在还能促进局部风环境的形成。由于水体和地面吸收的太阳辖射的差异，使水体和地面因热量差异产生热压差，带动空气流动，导致局部风的产生。在夏季，水体的温度要低于空气温度，因此风吹过水面时，水体吸收空气中的热量，风能够被水体降温，可以为水域周边营造良好的风环境状况和微气候条件。
（3）道路与开敞空间道路的朝向和宽度直接影响建筑的朝向和间距，对周边风环境有重要影响。道路与风向之间的夹角不同所形成的风环境也不同。当道路与风向平行时，建筑群内部通风效果最好。当道路与风向夹角增大时，风被分流，一部分流入道路;一部分吹向建筑。道路宽度的变化可以引起通风廊道的截面变化，对风的引入和导出有重要作用。开敞空间作为风流通的节点，对风起到汇合重组的作用，幵敞空间与道路组合是构建通风网络的基础。 （4）建筑布局是导致周边风速和风向变化的重要方面。对建筑群来说，建筑间距和建筑高度决定了风速和风向的转变程度，对建筑群内的风环境至关重要。如今，随着城市化的发展和建设用地的S乏，校园中的高层建筑和密集建筑群也越来越多。然而，高层建筑和密集布置的建筑群是导致不舒适风环境甚至造成风害的主要因素。这也是校园规划时需重点考虑的问题。高层建筑和布置密集的建筑群导致的不良风环境主要有：高层建筑边角处的高速风，“狭道风”，背风面风影区与祸流，迎风面涡流。
（5）建筑单体设计建筑单体的造型和体量对建筑周边小区域的风环境有重要影响，如板式、点式、L型、U型等型式的建筑在不同的风向下形成的周边风环境各异，通常建筑的造型越复杂，体量越大，对周边的风环境影响就越大。对于常见的建筑形式已有研究人员进行了分析，得出了一些可供参考的结论。随着建筑设计行业的发展，越来越多的异型建筑出现，易导致不良风环境旳产生。建筑立面形式的不同，会导致立面粗糙度的不同，也会影响风在近壁面的流动状态。
2.4 风环境研究方法
文献阅读：通过对相关资料的大量阅读、分析整理，了解相关研究的国内外水平和涉及范畴，积极学习他人的研究方法、研究思路，为自己的研究提供依据和支持。
运用软件数值模拟：通过利用CFD数值模拟对风环境进行研究，分析不同建筑布局方式室外风环境的差异，以整合出一套风环境优化策略体系，用以指导室外风环境的优化设计。并用该软件对慈溪城南教育地块绿色建筑进行风环境模拟分析，进行定性及定量的分析，进而指导慈溪城南教育地块绿色建筑风环境的评价及优化设计。
归纳分析法：通过对现有风环境评价体系的学习理解，归纳总结出适用于校园室外风环境的具体评价系统。同样通过对各种风环境优化策略的数值模拟分析，归纳出适用的校园室外风环境的优化策略体系。以此用于指导相关典型实例的室外风环境评价及优化设计。
2.5 风环境评价标准
2.6风环境优化的作用
（1）提高人体舒适性。就校园环境来讲，风环境与人们的日常室外活动关系密切。风速过高会影响人的舒适度甚至造成安全问题;风速过低会导致通风不畅，人的舒适感也会下降。同时，风速还会影响人们对温度的感觉。在同样的温度下，人体的冷暖感受随风速不同而不同。在气温高于0℃时，风力每增加2级，人体冷感便降低3-5℃;在气温低于0°C时，风力每增加2级，人体冷感便降低6-8℃。
（2）提高空气质量。在校園通风不畅的地方，容易造成空气的长时间滞留，难以扩散，良好的通风环境能够带走污染气体，净化空气，提升空气质量。
（3）有利于建筑节能环保。当前空调和暖气的使用消耗了大量能源，对环境造成了污染。合理优化风环境，实现夏季自然通风和冬季防风，可以达到建筑节能的目的。
3 CFD模拟方法
3.1 CFD模拟的基本理论
目前分析风环境的主要方法有三种分别是现场实测、风洞实验和计算机数值模拟。其中现场实测应用面窄，不能在设计阶段分析，只能用于建成场所，也无法对优化结果进行检验，且耗费较多人力物力;风洞试验仅可以了解到典型建筑群风环境规律及特点，且代价昂贵周期很长，很难在实际项目中广泛推广。“即计算流体力学）的简称，就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏徵分方程组的技术。”数值模拟方法方便操作、节约成本、模拟成果直观易攆，因此用来模拟风环境进而进行分析研究的方法被广泛运用。基于技术的模拟软件有很多种，主要包括：Fluent、CFX、Star-CD、PHOENICS等。本文便选用其中运用最为广泛CFD的软件进行模拟研究。
3.2 CFD软件
CFD软件可以用来模拟计算，该软件应用范围非常广泛，不仅仅包括建筑领域，还包括暖通、水利、机械等。
软件在进行住区风环境模拟时具有如下几方面的优势：
操作简便，功能强大：运用该软件，只需将建好的CAD、3D模型导入，设定相关参数，经过数值计算，便可以得到模拟的结果。
模拟结果直观形象：模拟的结果可以通过直观的风场分布图，矢量图等显现出来，相比传统的测算方法更加可视化、形象化。
原理和结果科学可靠：由于实测和风洞试验常常会受到很多客观和主观因素的影响，而导致其结果不可避免的存在误差。而CFD软件所使用的计算原理是由国际标准化组织制定的，且其全过程皆由计算机操作完成，具有较高的可靠性和科学性。
3.3 CFD软件使用方法
使用CFD软件进行风环境数值模拟时一般分为前处理、计算、后处理三大步骤。前处理包括：模型建立、设定参数、绘制网格等。在求解计算过程中当显示检测值波动很小，残差降到2-3个数量级时，则我们认为获得了较好的收敛。后处理中可以直观查看速度分布图、矢量图、压力云图及等值线图等。
4 研究对象
4.1 具体气候条件
慈溪处于北亚热带南缘，属季风型气候。四季分明，冬夏稍长，春秋略短。平均年日照2038小时，年日照百分率47%。年平均气温16℃，七月最高，平均28.2℃，一月最低，平均3.8℃。历史极端最高气温38.5℃，最低-9.3℃。雨量充足，年平均降水量1272.8毫米，平均年径流总量5。122亿立方米，降水高峰月为九月，平均占年降水量14%。
4.2 气象参数选取
根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ134-2010，选用典型气象年作为建筑风环境模拟的气象参数。
2006年～2007年，有宁波市建设委员信息中心、宁波市气象局、宁波市房屋建筑设计研究院联合中国建筑科学园上海分院，对宁波市1961～2006年气象观测数据进行了整理，形成了宁波市“典型气象年数据”用于宁波市建筑能耗分析。 4.2.1 温度参数
宁波市典型气象年最热月干球温度分布（7月份），最冷月干球温度分布（1月份），月平均杆球温度分布情况，如下所示：
4.2.2 风向、风速参数
春季气温开始波状回升，雨量逐渐增多，东风占据优势。
夏季以东南风为主，7、8月份进入晴热少雨的伏旱季节，9月份进入秋季，气温开始回落。极端最高气温40.5℃。
每年9月进入秋季，气温开始回落。秋季日夜温差较大，风向盛行西南风。具体如下图所示。
4.3 建筑概况
5 室外风环境模拟分析
5.1 室外风环境模拟概况
近年来，随着我国经济建设的发展，城市规模的不断扩展，高层建筑大量建设，与此同时建筑群风环境的问题的日益突出，引起了人们的普遍关注。环境中风的状况直接影响着人们的生活，而风环境的状况不仅仅与当地气候有关，还与建筑物的体型、布局等因素有关。如果在规划设计的初期就对建筑物周围风环境进行分析，并对规划设计方案进行优化，将有效地改善建筑物周围的风环境，创造舒适的室外活动空间。故有必要对本项目室外风环境采用定性、定量的分析模拟，综合评价其对室内环境和建筑能耗的影响。
5.2室外分环境分析方法
（1）模拟分析工具
（2）CFD 数值模拟分析方法及收敛判定
收敛判断标准：设置计算域计算步数为 200 次，终止标准按连续性方程、动量方程残差为 1.0 E-4 以下，能量方程残差为 1.0 E-7 以下，收敛曲线如下图所示
（3）边界条件设置
来流边界条件：建筑来流方向风速为均匀分布，不同高度平面上的来流风速大小沿建筑高度方向按梯度递增。依据冬、夏季主导风向、风频、参考风速（采用典型气象年数据）确定边界条件;采用WIND 边界条件，入口风速分布采用指数分布;考虑下垫面粗糙度，考虑建筑表面粗糙度。梯度风边界设置：建筑物附近的风速可以按照大气边界层理论和地形条件来确定。不同地形下的风速梯度也不一样，可以用以下的公式表示：
本项目室外风环境模拟时根据室外场地状况设置 n 值为 0.16。
出流边界条件：建筑出流面上空气流动按湍流充分发展考虑，边界条件按自由出口设定
几何模型与计算网格设置
参照表 4-2 选取研究地块的计算域：
项目建筑目标域所占区间为305×188×25.3m（长 x 宽 x 高），确定再现域范围为455×328m（外扩75m）。对计算区域做如下设置：计算区域的高度取物理模型最高点的3倍，来流方向与出流方向宽度为物理模型宽度的3倍，物理模型两侧区域为物理模型3倍。确定计算域尺寸为300m×300m×100m（长 x 宽x 高）。模型中沿 Y 轴正方向设置为北向。计算域网格设置采用直角网格，建筑所在核心区域网格局部加密，近地面边界层1.5m范围（人行高度）划分4 层，建筑表面边界层1.5m范围划分4层。
为了提高生成网格的质量，减少曲面、异型体对网格数量的要求，有必要对建筑模型作简化处理，忽略一些较小的建筑构件，保留主要体块。柱子尺度比较小，为了减少对网格的干预，给予忽略。地块东侧部分建筑与本项目距离较近，模拟分析时一起计算，其余周边为城市道路、河流和空地，模拟分析时不予考虑。
5.3模拟分析预测结果
根据上述宁波地区的气象参数选取春季过渡、夏季、秋季过渡、冬季四个工况进行模拟分析，具体如下：
（1）工况 1（春季过渡）
模拟春季过渡情况下建筑周边流场分布状况，风向为 S（南），风速为 2.97 m/s，设定室外平均气温为20.0°。截取距地面 1.5 m 高度处流场、风速、风压进行分析，主要说明规划区风速大小及相对变化情况。
由上图5.3可知，春季距地面高度1.5m处由于建筑物的左右及中间区域呈围合、半围合状态，围合方向与风向正好呈垂直关系，使得春季的南向风无法充分进入，从而导致围合区域以及建筑背风面都存在一定的静风区，其中以中间的四面围合区域以及背风区最为严重。由上图5.4可知春季过渡距地面1.5m高度最大风速为3.31.m/s，符合在建筑物周围行人区1.5 m高度的风速小于5 m/s的评价标准。已知春季主导风的风速为2.97m/s，在Fluent软件中，根据已知关系式设置相关计算公式，最后得出夏季人行高度1.5m处风速放大系数分布图如上图5.5所示，在春季，建筑周围行人高度处的风速放大系最大值为1.32，符合人行及活动区域的风速放大系数不应大于2的评价标准。
风压分析：根据距地面1.5m高度风压云图及建筑外表面风压图可见，项目建筑前后压差大部分处于0.5～7.5Pa之间。ns3-1、ns3-2（即建筑南向迎风面）前方出现了整个人行区压强最大的区域，且此时压力为正压，为建筑自然通风提供了良好的条件。随着建筑物的围合阻挡作用，风压逐渐呈减小趋势，建筑ns1-1、ns1-2、ns1-3（即建筑北向背風面）以及ns2-2、ns2-3这几个建筑表面的前后压差均小于1.5Pa，不符合75 %以上的板式建筑前后压差在夏季保持1.5Pa左右的评价标准，同时也影响建筑室内的自然通风。
（2）工况 2（夏季）
模拟夏季情况下建筑周边流场分布状况，风向为 SSE（南偏东22.5°），风速为2.70m/s，设定室外平均气温为27.5°。截取距地面 1.5m 高度处流场、风速、风压进行分析，主要说明规划区风速大小及相对变化情况。
由上图5.9可知，夏季距地面高度1.5m处由于建筑物的左右及中间区域呈围合、半围合状态，围合方向与风向正好呈垂直关系，使得夏季的东南风无法充分进入，从而导致围合区域以及建筑背风面都存在一定的静风区，其中以中间的四面围合区域以及背风区最为严重。由上图5.10可知春季过渡距地面1.5m高度最大风速为3.30m/s，符合在建筑物周围行人区1.5 m高度的风速小于5 m/s的评价标准。已知夏季主导风的风速为2.70m/s，在Fluent软件中，根据已知关系式设置相关计算公式，最后得出夏季人行高度1.5m处风速放大系数分布图如上图5.11所示，在春季，建筑周围行人高度处的风速放大系最大值为1.38，符合人行及活动区域的风速放大系数不应大于2的评价标准。 风压分析：根据距地面1.5m高度风压云图及建筑外表面风压图可见，项目建筑前后压差大部分处于0.1～5.2Pa之间。ns3-1、ns3-2（即建筑南向迎风面）前方出现了整个人行区压强最大的区域，且此时压力为正压，为建筑自然通风提供了良好的条件。随着建筑物的围合阻挡作用，风压逐渐呈减小趋势，建筑ns1-1、ns1-2（即建筑北向背风面）以及ns2-1、ns2-2这几个建筑表面的前后压差均小于1.5Pa，不符合75 %以上的板式建筑前后压差在夏季保持1.5Pa左右的评价标准，同时也影响建筑室内的自然通风。
（3）工况 3（秋季过渡）
模拟秋季过渡平均风速情况下建筑周边流场分布状况，风向为 NW（北偏西45°），风速为 2.55 m/s，设定室外平均气温为20.0°。截取距地面 1.5 m 高度处流场、风速、风压进行分析，主要说明规划区风速大小及相对变化情况。
由上图5.15可知，秋季距地面高度1.5m处由于建筑物的左右及中间区域呈围合、半围合状态，围合方向与风向正好呈垂直关系，使得秋季的西北风无法充分进入，从而导致围合区域以及建筑背风面都存在一定的静风区，其中以中间的四面围合区域以及背风区最为严重。由上图5.16可知秋季过渡距地面1.5m高度最大风速为2.90m/s，符合在建筑物周围行人区1.5 m高度的风速小于5 m/s的评价标准。已知秋季主导风的风速为2.55m/s，在Fluent软件中，根据已知关系式设置相关计算公式，最后得出夏季人行高度1.5m处风速放大系数分布图如上图5.17所示，在秋季，建筑周围行人高度处的风速放大系最大值为1.18，符合人行及活动区域的风速放大系数不应大于2的评价标准。
风压分析：根据距地面1.5m高度风压云图及建筑外表面风压图可见，项目建筑前后压差大部分处于0.6～5.2Pa之间。ns1-1、ns1-2、ns1-3（即建筑北向迎风面）前方出现了整个人行区压强最大的区域，压力分别为5.2、4.9、4.21Pa，其中仅有ns1-1建筑表面前后压差大于5Pa，该建筑表面前后建筑压差不符合建筑物前后压差在冬季不大于5Pa的评价标准。因此秋季过渡建筑前后压差在整体上满足要求。
（4）工况 4（冬季）
模拟冬季情况下建筑周边流场分布状况，风向为 NW（北偏西45°），风速为 2.70m/s，设定室外平均气温为6.0°。截取距地面 1.5 m 高度处流场、风速、风压进行分析，主要说明规划区风速大小及相对变化情况。
由上图5.21可知，冬季距地面高度1.5m处由于建筑物的左右及中间区域呈围合、半围合状态，围合方向与风向正好呈垂直关系，使得冬季的西北风无法充分进入，从而导致围合区域以及建筑背风面都存在一定的静风区，其中以中间的四面围合区域以及背风区最为严重。由上图5.22可知冬季距地面1.5m高度最大风速为3.09m/s，符合在建筑物周围行人区1.5 m高度的风速小于5 m/s的评价标准。已知冬季主导风的风速为2.70/s，在Fluent软件中，根据已知关系式设置相关计算公式，最后得出冬季人行高度1.5m处风速放大系数分布图如上图5.23所示，在冬季，建筑周围行人高度处的风速放大系最大值为1.23，符合人行及活动区域的风速放大系数不应大于2的评价标准。
风压分析：根据距地面1.5m高度风压云图及建筑外表面风压图可见，项目建筑前后压差大部分处于0.6～5.8Pa之间。ns1-1、ns1-2、ns1-3（即建筑北向迎风面）前方出现了整个人行区压强最大的区域，压力分别为5.8、5.6、4.7Pa，其中仅有ns1-1、ns1-2建筑表面前后压差大于5Pa，该建筑表面前后建筑压差不符合建筑物前后压差在冬季不大于5Pa的评价标准。因此冬季建筑前后压差在整体上满足要求。
5.4评估总结
本人根据《绿色建筑评价标准》GB50378-2014对慈溪城南教育地块绿色建筑春、夏、秋、冬四季风环境模拟结果进行评估，并将所得评估结果记录于下表：
6 优化方法
6.1 建筑群迎风面边界开口优化
对大学园区来说，建筑群迎风界面的开口处理是改善校园风环境的首要因素，其迎风面优化的好坏决定了大学园区内部风环境的优劣。在建筑群迎风面开口能够有效增加建筑群内风的流量和风速。不论何种建筑群布局形式都应预留合适的建筑群边界开口，以利于风的引入使建筑群内得到合适的风量。在夏季和过渡季，为促进建筑群的自然通风，主要有以下两种开口优化方式：一是增加开口的数量;二是增大开口的尺寸。在冬季主导风向应合理控制开口的数量和大小，避免冬季寒风长驱直入，带走建筑热量，增加建筑能耗，同时也要考虑建筑群内部的通风换气问题。考虑到我国大部分地区冬夏季节的风向大致相反，所以在满足建筑群的自然通风和防风需求时，一般不会产生矛盾。
6.2 绿化布置
校园植被的增加能够提高地面的粗糙度，会明显影响人行高度的风环境。相關研究表明，在树木种植密度较高的地区，落叶类树木生长茂盛的季节，区域内风速会下降至70%-80%，在树木落叶后，风速会增加20%-40%，可见，茂密的植物会阻挡风的流通，稀疏的植物有利于风的流通。
不同的植物有不同的形态特征和生长特点，在利用植被调节风环境时，应考虑植物的形状、大小、高矮等因素，进行合理的平面布局和竖向搭配来控制和引导气流。并且要利用植物不同季节的生长特征，以满足夏季的通风和冬季的防风需求。如在夏季主导风向布置落叶的乔木和灌木，有利于引导气流促进室内通风且能满足夏季的遮阳和冬季的采光需求;在冬季主导风向种植常绿的乔木和灌木，形成高低搭配的立体绿化作为风的屏障，以达到冬季防风的效果。将成排的植物种植于建筑迎风面两侧，能够引导风流向建筑内部。即使植物不能全部挡住风，它们依然可以在一定程度上增加建筑的通风量。在建筑的两侧适当位置布置植物能引导风来弱化建筑物背风面的风影区的影响，还能形成室外风道，提升风环境质量。在利用植物的竖向搭配来引导风时，要考虑冬夏不同季节对风的需求。将灌木布置在离建筑物较远的位置，将乔木布置在灌木内侧能够引导风进入建筑内部，有利于夏季的自然通风。将乔木布置在灌木外侧时，植物会引导风从建筑上方吹过，有利于冬季阻挡寒风，同时要避免在离建筑较近的位置布置稠密低矮的植物，它会阻挡空气的流通。 6.3迎风角度
风向是不可能被人的主观手段所改变的，因此，我们对迎风角度的控制只能靠调整建筑物的朝向来实现。故而建筑物迎风面朝向可为建筑风环境优化策略之一。李妍[31]在她的学位论文中分别对迎风角度为 0°、30°、45°、60°、90°的风环境模拟风速分布图及风压分布图。本人根据该研究分析总结得出以下结论。
当迎风角度为 0°时，迎风建筑的背风面存在大片静风区，建筑前后压差值达到最大，此时建筑室内自然通风效果达到最佳状态。然而大面积的静风区造成建筑室外较恶劣的风环境，甚至在某些拐角处存在着涡流区，这些涡流区内风速较低，风向混乱。当迎风角度逐渐递增，迎风建筑物的阻挡作用随之减弱，对建筑群后方建筑的风环境的影响也随着背风面涡流区面积的减小而降低。建筑表面压差也受到迎风角度增大的影响而减小，导致建筑室内自然通风效果达不到人体舒适度的基本要求。建筑物当迎风角度达到 45°时，建筑物背风面的涡流区面积不再减小，此时建筑室外风环境达到最舒适的状态。
而结合宁波本地的气象条件，即宁波夏季盛行风的风向为东南偏南（SSE）而言，镇海新城吾悦广场的迎风角度为 6.5°，相比研究结果所得最佳迎风角度45°小很多。在宁波炎热的夏季，镇海新城吾悦广场建筑的背风面存在较大的静风区，前排迎风建筑的室内通风效果良好，而后排建筑的室内通风效果明显较差。建筑区内存在较大的涡流面积，建筑室外风环境较恶劣，给人们带来了不舒适的感觉。而宁波冬季的主导风向为西北（NW），此时镇海新城吾悦广场的迎风角度为 29°。在宁波寒冷的冬季，前排建筑物前后压差较大，有大量冷风渗透入建筑室内。而建筑区内存在的大面积静风区给建筑室外冬季的防风带来了良好的效果。
6.4建筑高度
建筑物的高度变化会引发建筑物顶部风向产生变化，随着建筑物尺寸的增加涡流的影响范围以及风影区的面积会对建筑周围风环境造成更大的影响。根据张圣武的硕士学位论文《基于数值模拟的杭州住区风环境分析研究》[28]的研究中，以下是本人对建筑物高度变化造成的不同影响归纳总结。
前低后高的建筑高度变化方式，充分地利用了风的流体特性，促进垂直方向上风的运动，促进更多气流由顶部流向地面，使小区内部大多区域都有较高的风速条件。但随着建筑群后方建筑高度的增加，迎风建筑背风面近墙区，气流向上产生漩涡，又没有设置绿化带进行遮挡，该地带极有可能会有垃圾、尘土被风吹起甚至吹到楼高高度，使建筑群内部的环境受到严重污染，风环境处于极度紊乱的状态。越低的建筑迎风面对来流风的引导作用越加显著，高度的逐步增加便于风流入建筑群内部，营造更加舒适、健康的建筑室外风环境。
前高后低的建筑高度变化方式，由于高度较高迎风建筑阻挡作用最大，导致后排建筑前后的压差值不够大，得不到建筑室内的自然通风，在建筑群内部产生相当大的静风区域。在人行高度 1.5m 处，在建筑下风向会产生较大的涡流，严重影响人们的风舒适度，而且由于日照间距等原因，前高后低的建筑高度变化方式在用地面积的经济性上也没有优势。在第一、二排建筑之间，由于狭管效应甚至会出现风速超过 5m/s 的情况，为了避免，迎风侧的建筑高度应适当减低。中间高的建筑高度变化方式相较于中间低的建筑高度变化方式拥有更好的建筑室外风环境。中间高的建筑高度变化方式建筑室内自然通风效果良好，而中间低的建筑高度变化方式建筑前后风压差值不够大，建筑室内无法进行自然通风。这两种方式在用地范围相同的情况下，都不利于建筑室外空气的流动，但是中间高的建筑高度变化方式存在的涡流比中间低的建筑高度变化方式存在的涡流相对更少，且其在建筑群内存在面积稍小的无风区。故不建议在实际建筑布局设计中采用中间低的建筑高度变化方式。
6.5优化方案总结
在借鉴他人研究成果的同时根據研究地块的实际条件，本人归纳出镇海新城吾悦广场风环境的优化方案，希望能为宁波市正在建设的地块给以参考，使宁波能够在发展建设的同时营造良好的风环境，给人们带来一个舒适、健康的生活环境。
7 优化前后对比分析
由风压图看出在距地面1.5m高度处，除了右侧后排建筑，其余建筑物前后都存在明显压差，这表明夏季建筑室内的自然通风有了极大的改善。
而根据优化后季距地面1.5m高度风速矢量图我们也可以观察到，建筑后排背风面以及围合区域静风区得到有效的消除，建筑周围涡流总面积明显减小，如需进一步优化，可以在建筑周围种植高大的树木。
同理，调整建筑物的迎风角度，我们可以得到优化前和优化后研究地块的冬季风环境模拟结果对比如上图，发现其在一定程度上有所改善。除了迎风建筑，其他建筑前后压差均不明显，且迎风面的压强较优化前明显降低。迎风建筑前后压差相较优化前呈减小状态，这使得冬季室内的防风效果得到了加强。
综上所述，本人对慈溪城南教育地块风环境提出的优化方案对其风环境的改善有明显的作用。
8 结论与不足
本文通过使用 CFD 计算流体力学软件模拟的方法对慈溪城南教育地块绿色建筑内的风环境进行了模拟，对数值模拟过程中的几何建模、边界大小确定、网格划分、边界条件的选取和参数设定进行较为详细地阐述 ， 为该方法在今后类似工程中的应用提供了一定借鉴。通过以上相关图表、数据分析，优化后得出以下结论：
改变建筑迎风角度（本项目采取的是建筑迎风角度为45°）以及采取前高后低的建筑高度排布有利于冬季日照并避开冬季主导风向，夏季利于自然通风;建筑物周围人行及活动区域的风速放大系数不大于 2，50%人行区域地面 1.5m高处的风速放大系数不小于 0.3;项目建筑周边区域场地风速小于 5.0m/s，符合行人舒适性。冬季典型风速和风向条件下，建筑物周围人行区距地 1.5m 高处风速不大于2.70m/s，风速放大系数不大于 1.4;除迎风第一排建筑外，其余建筑迎风面与背风面表面风压差不超过4.2Pa。夏季、过渡季建筑前后压差基本大于0.5Pa，有利于室内利用自然通风。项目建筑周边局部区域存在涡旋区，但整体未出现无风区，不至影响项目室外散热和周边污染物消散。 本文虽然将慈溪城南教育地块风环境进行了优化，但是这次的优化还是基于单纯的风环境，在改变建筑朝向以及建筑高度排布时并没有对其是否会对建筑热环境、建筑采光、建筑声环境等方面进行考虑，这使得本次优化仍存在不足之处，本文仅为今后在进行校园建设时对于风环境的优化提供一些借鉴作用。
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宁波工程学院 浙江 宁波 315000
优化后，夏季距地面1.5m高度出建筑前后压差增大，建筑内部围合区域静风区域减少，涡流面积也明显减小;冬季除迎风建筑外，其余建筑前后压差明显减小，在建筑拐角处仍有涡流区，但建筑周围涡流总面积明显减小。通过模拟计算以及优化希望能为今后校园更优质的建设提供参考和借鉴。
关键词：校园风环境;CFD数值模拟;自然通风;建筑节能;绿色建筑
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2021）-9-071
1绪论
随着中国城市建设的快速发展，人们的环保理念和对环境舒适性的要求也逐渐增加。作为一个重要方面，风环境影响人们的舒适度，并且越来越受到关注。风环境与城市建筑之间有着密不可分的关系，它既影响着城市规划也对建筑设计有着重要的意义。建筑群体是城市的组成之一，建筑群体的微观环境同样也是大气环境的组成之一，是一个小规模的气象问题。建筑群体的微观坏境包括了风、光、热、声等多个方面，风环境是其中极其重要的因素之一。对建筑群体的风环境进行合理化分析，希望能从中总结出建筑风环境的一般规律，并提出一些针对性的改善措施，从而减少风环境对人类生活造成的不利因素，创造一个安全又舒适的工作生活环境。
1.1 研究的背景及意义
根据资料统计显示，世界上多数可预防疾病的主要成因即是恶劣的城市环境。维护健康是人类的基本需求之一。近几年来随着人们对于高等教育的要求上升，校园建设大力开展，同时也存在着对校园环境重视不足的问题。如何营造一个舒适健康的校园环境已成为广大家长和全社会关注的热点，而校园风环境作为构建校园生态环境的关键之一，对营造健康而又安全的校园环境影响有着重要的作用。
高品质的校园风环境能够使广大教职工和学生的精神良好、身体健康得到保障。许多研究表明，低品质的校园风环境对人类健康构成了极大的威胁。学生的生活质量、身体素质、学习效率极大的取决于校园室内外风环境质量的好坏;风速过低阻碍了室内外空气的流通，既不利于建筑室内外换热，也不利于室内污染物的排出，从而导致师生健康状态下降;病态建筑综合症等疾病会随着质量低下的室内空气环境而产生。创造一个优质的风环境要考虑夏季的自然通风以及冬季建筑物的防风，减少涡流和静风区的产生，使得通风更加顺畅。
风环境不仅能够影响温湿度，还会对热环境造成影响。研究风环境可以满足人们对于空气质量的要求。在研究教育用地风环境时，不仅要了解研究的过程以及结果，还要利用最大程度的风环境优化以达到提高人居环境质量的目的。研究校园风环境存在的问题，探索其改进措施，对改善校园风环境的品质有着积极的指导作用。
校园风环境研究的意义。社会意义：校园风环境的研究对校园内学生以及全体教职工的安全、健康及舒适都有着重要意义。建立良好的校园风环境有助于提高校园生活质量。优质的校园风环境也会随着社会的发展以及人们对于校园生活品质要求的提升逐渐成为学校招生、家长学生择校的一大选择标准。环保意义：校园风环境的研究对降低建筑物能耗，提高能源的利用率有着积极的指导意义。良好的校园风环境会体现在夏季及过渡季自然通风和冬季防风，从而来减少空调和釆暖设备的使用。现代社会，空调被人们广泛使用，但是一系列的“空调病”也随之出现。优质的校园风环境设计研究对保障校园内学生、教职工的身体健康有着重要意义。设计意义：对校园风环境的要求，将会影响到建筑设计的每一个方面，包括了建筑群体排布、植被景观设计以及建筑单体形态。校园风环境的评价以及优化，对建筑系统的构成有着指导意义。
1.2 研究现状及进展
1.2 .1国外研究现状
在其他国家，风环境是建筑领域必须要考虑的一个重要方面。目前，国外对于风环境的研究主要有如下成果：
1995年，To 和 Lam[1]通过对比多种建筑的布局方式，来研究风向对于建筑将会产生的影响，同时主要分析了风的“狭管效应”和“遮挡效应”。从中了解到了风向和建筑朝向的联系：当风向与建筑物的主立面相同时，建筑物之间的风速显著增加，出现“狭管效应”，同时在建筑迎风面的转角区域形成了角流区;当风速同建筑物的侧立面相同的时候，上风向建筑“遮挡效应”显著，其背后出现的涡旋区，对下风向建筑产生了明显的影响。
2000年，Littlefair P J和Santamouris M [2]研究了风环境与建筑群落的建筑布局之间的关系，并研究了开放空间和植被等影响因素。主要是研究建筑物朝向、间距和建筑单体形态对建筑室内自然通风以及防风的影响，同时研究了自然通风和能耗之间的联系，最后得出了利用建筑布局模式改善相应措施来实现调整建筑风环境的目的。
2001 年，G·Z·布朗和马克·德凯在《太阳辐射·风·自然光》[3]这本书中从多个方面对风环境进行了相关的探析，包括建筑组团、建筑单体以及建筑构件，同时制定了对应的设计措施。在建筑组团层面，探析了紧密布局、辐射状布局和建筑朝向、形状以及位置对微气候产生的效果;并且还研究了街道、建筑单体和开敞空间与建筑单体之间的联系对风环境所产生的影响。在建筑单体层面，研究的重點则是建筑和庭院的朝向、大小关系、布局，并且还分析了周围环境对室内外温度以及通风所产生的影响。在建筑构建层面，其重点则是对门窗的大小、位置以及朝向对室内自然通风的影响进行了研究，同时制定了相应的设计策略。 2007 年，Testu[4]等研究了日本 22 个住宅小区，研究其区域内建筑密度与区域总面积对小区风环境所造成的影响，分析得出建筑密度与风环境之间的量化关系，同时还以此为基础，制定了相应的风环境优化措施。
2006 年，巴西的 Lamberts Roberto[5]运用流体力学的知识，通过软件数值模拟的方法模拟了一栋典型的低成本建造校园建筑的自然通风效应。研究得出，在潮湿、温暖的环境条件下，建筑师能够利用相关的专业知识，进行被动式通风设计，进而实现适宜人体的热舒适性 。
2007 年，意大利都灵理工大学能源学院的 Stefano Paolo Corgnati[6]选取了 13个教室对其室内热环境和空气质量进行了测试，这 13 个教室都是属于意大利各个地区的高中和高校，同时依照测试结果得出了 PMV-PPD 指标。
2012 年，荷兰的 B. Blocken[7]等运用 CFD 数值模拟的方法，从城市区域行人高度处风的舒适度和安全性角度，分析了埃因霍芬理工大学。该模拟结果对比分析了长期风速测量和短期风速测量，从舒适度、安全性和改进方案多个方面进行评估，以支持和引导未来运用 CFD 技术的风环境舒适度和安全性的研究，接着讲城市区域风环境的质量提升。
2012 年，新加坡的 Garde George[8]对印度洋留尼汪岛大学圣彼埃尔分校一个零能源建筑的教室热舒适性进行了软件模拟，并且分析了空气质量以及噪音等方面与师生行为的联系。结果证明，该建筑的用户已经一年多没有使用过空调系统，说明该建筑在不使用空调的情况下可以满足基本的热舒适度需求。同其他建筑进行对比，这个建筑的窗洞设置的非常科学，让室内通风能够达到老师和学生的要求，同时满足健康标准。
2013 年，W.D. Janssen[9]等运用 CFD 分析了学校的风环境，研究比较了几种不同的舒适度标准，强调了标准化在风环境评价过程中的重要性。研究结果显示了不同的标准对评价结果影响巨大，证明了完善的风舒适度评价标准的重要性。另外，国外针对绿色校园的研究也比较成熟，也已出台了许多相关评价标准。美国在 2014 年和 1997 年分别颁布了 STARS2.0 和 LEED 2009 for School，英国在 1995 年颁布了 BREEAM Education 2008，日本在 1997 年和颁布了绿色学校及“绿色学校试验模范事业”规定（部省或学校独立制定，以文部省为例）。相关的实践也在不断推行，华盛顿大学继发布绿色大学先导计划以后，“可持续发展校园”、“生态校园”、“绿色校园”等理念也先后在大学校园的建设中落实，并得到国际认可，被步推广实施[10]。
1.2 .2国内研究现状
在我国，研究风环境的步伐相对慢了些。目前国内对于校园风环境的研究主要有以下成果：
2012 年，山东建筑大学的王玲续[11]从我国现有高校既有教学建筑的现状和可持续改造的背景入手，分析研究了北方地区既有教学楼建筑的通风系统，对现阶段大学校园建设的基本情况和出现的问题进行了分析和研究，同时坚持可持续发展的原则，制定了相应的高校建筑优化建议以及专业的通风技术手段。
2013 年，天津大学建筑学院绿色建筑研究所的张豪、高辉[12]等人，通过 CFD技术，采用 Fluent Airpak 软件，从冬季、夏季、过渡季（以春季为例）三季模拟分析了天津大学的校園局部风环境，并在此基础上提出了增加广场绿化、发展垂直绿化等改善措施。
2014 年，沈阳建筑大学的李浩达[13]利用 CFD 模拟软件对沈阳建筑大学的景观格局进行了数值模拟，并以《绿色校园评价标准》为参照，对目前的校园环境及建筑进行了专业的分析和研究，参照标准评价其现状并总结了现存的问题。针对校园内建筑使用率不高以及教学区北部房间通风差的问题，提出了通过调整具体区域景观格局要素的方式来改善现状。优化措施从各景观要素的生态效应出发，包括绿地整合和水系强化两部分。优化后的校园环境在此进行 CFD 生态模拟验证，结果发现优化后的校园内夏季 PMV 过高的区域（教学区、生活区以及办公区）的PMV 值明显降低了，同时局部空气含氧量过低、空气品质较差的区域也得到了改善。
2015 年，山东建筑大学的徐进欣[14]对校园室外风环境有了一个相对全面的研究。该研究从风绕流建筑群或建筑单体的一般性特征出发，同时讲述了其概念。在评价标准方面，总结了目前的风环境舒适度测评标准，设立了与大学校园的室外风环境相配的评价指标。在研究手法方面，该研究利用 PHOENICS软件，针对山东建筑大学的现状和规划方案的校园风环境都完成了模拟研究分析，研究时间大致分为夏季、过渡季及冬季。从行人高度处对校园的教学区、生活区、雪山区以及南部产业园的风环境进行了详细的研究，分析了其校园风环境现有问题及原因，同时对其校园风环境的基本情况总结，最后从校园整体布局、建筑群体规划、建筑单体调整、景观布局等方面制定了相应的优化措施。
2015 年，哈尔滨工业大学的吴潇逸[15]在研究了深圳市和相似气候区的高校建筑特征及目前自然通风方面的建筑设计规范的基础上，总结出室内外通风评价标准。选择了仪器实地测量以及软件模拟两种方法，对深圳大学城两栋教学建筑进行了实地研究，同时依据评价标准，研究了建筑通风问题的实际状况，分四方面总结形成问题的根本原因。
1.3 存在的问题
国外针对风环境的研究已比较成熟，尤其针对建筑群体风环境的研究已有较多理论成果。但这些理论往往多从住宅小区和街道层面出发，针对校园这一特定建筑群体的风环境研究还相对较少。另外，国外对绿色校园的研究已有比较多的成果，可以说是从理论高度上升到实践高度。但从“绿色建筑”视角，针对校园这一特定类型建筑来做系统的风环境研究还相对较少。 国内对校园风环境的研究起步相对较晚，主要研究方法是运用 CFD 技术，CFD 技术通过几十年的发展，在建筑领域已有较成熟的运用。国内研究大都集中在对校园建筑单体本身，对一栋建筑或是一个类型的校园建筑进行风环境的研究，而对于校园群体建筑的风环境研究也不多，且研究深度还不够。
1.4 本文的工作
为营造舒适的校园室外风环境，本文试图通过对慈溪城南教育地块绿色建筑风环境的模拟分析，得出校园风环境设优化方案，避免不利风环境的产生。基于此，本文主要做了以下研究：
（1）论述了本文的研究背景和意义，通过对校园这一特定建筑群体风环境相关文献的分析总结，阐述国内外校园风环境研究现状，明确了研究目的和研究方法。
（2）阐述风环境相关内容，取用《绿色建筑评价标准》GB50378-2014作为校园风环境评价标准。
（3）对慈溪城南教育地块概况和慈溪地区的气候特点进行介绍，阐释了风环境数值模拟的基本理论和方法，确定合适的模型和基本控制方程，对计算区域大小的确定、网格划分和边界条件的给定做了详细的研究。
（4）对校园实例慈溪城南教育地块绿色建筑风环境进行模拟分析，对模拟结果进行风环境评价。总结慈溪城南教育地块绿色建筑风环境特征及存在的主要问题。
（5）针对研究区块，提出风环境优化设计策略，从校园整体规划，建筑群布局，建筑单体设计，景观布置等方面给出具体措施，来营造良好的校园风环境。
（6）最后，对本文的研究成果进行了归纳整理，并指出了本文的不足之处。
2 风环境研究方法及评价标准
2.1 风环境基本概念
由于太阳辐射热在地球表面的不均匈分布，导致各处的大气温度存在差异，空气在受热后会膨胀变轻然后上升，而冷空气则会变重下降，由此产生了空气的流动，这种由于空气流动而产生的自然现象就被称为风。
“风环境是指室外自然风在城市地形地貌或自然地形地貌影响下形成的受到影响之后的风场建筑风环境与建筑热环境、光环境、声环境并列，同属于建筑环境的范畴。建筑的风环境与自然环境、建筑群体的布局及建筑本身的形体造型等有着复杂的关系。现阶段，建筑风环境主要在建筑设计、城市规划等领域中被研究。
随着城市的发展，楼房周边建筑物高度的增加，城市的平均风速在不断降低。这是由于随着城市的发展，建筑群增多增高，导致下塾面耝糙度增大，因此产生的阻碍效应导致了空气水平运动动能的消耗，因而使得城市的平均风速不断减少。
城市覆蓋层内的风速一般要比上层小，但由于参差交错的下塾面建筑，城市覆盖层内的风场非常复杂。不同的季节变化、城市的边界层结构以及城市下塾面的粗链度共同影响了城市风场的垂直变化，所以在城市和郊区的风场的垂直结构也是不同的。下图用梯度风百分比表示垂直风速分布。
风速沿高度呈一定规律进行变化，对这一变化规律进行数学抽象，常见的抽象规律对数律的表达公式为
2.2 风环境特性
建筑风环境的形成主要受道路、开敞空间、建筑布局、单体型式、植被的影响，其中任一因素的变化都会导致风速风向的不同。如当风通过较窄的高层建筑间的通道或大体量建筑周边时，风向会产生较大角度的变化，风速也会大幅度增大，一般会达到初始风速的两倍以上。这类由地面构造变化产生的再生风与大气环流关联较小，主要是受人类行为的影响。综合考虑这些因素得出的风环境状况，才可以用以指导建筑或建筑群规划当风遇到建筑的阻挡时，一部分向建筑的顶部和侧边分流，在建筑间的街道形成高速风，在建筑物拐角处产生祸流，即“狭道效应”和“拐角效应”。另一部分沿建筑立面向下流动，与来流风混合形成迎风面低速风区并伴有祸流。在此处，风速和风向会急剧变化给行人带来严重的不舒适感。这样造成了行人不愿在建筑周边驻足，对营造具有活力的室外空间不利。另外，穿堂风也是风的一种类型，由于建筑物对风的阻挡形成建筑前后压差，当建筑有前后贯通的开口时，风便会从开口穿过，形成穿堂风，如下图。
与风速过大相反，通风不畅也会导致人体舒适度下降。良好的通风可以带来新鲜空气，排除建筑周边的污池气体，提高空气质量，营造健康舒适的室外环境。而一些校园建筑，特别是位于市中心的校园由于用地限制，布局过于密集封闭，有的建筑群布局不合理，或建筑体量过大，体型复杂，形成了迎风面低速风区和背风面风影区（如图2.3、2.4），使建筑周边的通风状况较差，难以形成良好的风环境。
2.3 校园风环境影响因素
（1）微气候条件风具有方向、速度以及温度，任何一项变化都会导致风环境的改变。由于地表接受太阳福射不同，产生了空气流动，从而形成了风，地形地貌的变化对风速和风向会产生明显影响。在地面附近风因受粗糙地面的影响，风速和风向会相应产生变化，与来流风产生较大不同。许多大学园区内存在山体且植被较多地表构造复杂，受此影响，大学园区内的风受到粗糙地表摩擦时风速和风向发生变化，导致大学园区内风环境比较复杂。
（2）水体水是改善校园环境的重要因素之一。由于水面比较光滑，与绿地和一般校园地表相比，水域上方空气流动顺利，风速和风向变化较小。水体的存在还能促进局部风环境的形成。由于水体和地面吸收的太阳辖射的差异，使水体和地面因热量差异产生热压差，带动空气流动，导致局部风的产生。在夏季，水体的温度要低于空气温度，因此风吹过水面时，水体吸收空气中的热量，风能够被水体降温，可以为水域周边营造良好的风环境状况和微气候条件。
（3）道路与开敞空间道路的朝向和宽度直接影响建筑的朝向和间距，对周边风环境有重要影响。道路与风向之间的夹角不同所形成的风环境也不同。当道路与风向平行时，建筑群内部通风效果最好。当道路与风向夹角增大时，风被分流，一部分流入道路;一部分吹向建筑。道路宽度的变化可以引起通风廊道的截面变化，对风的引入和导出有重要作用。开敞空间作为风流通的节点，对风起到汇合重组的作用，幵敞空间与道路组合是构建通风网络的基础。 （4）建筑布局是导致周边风速和风向变化的重要方面。对建筑群来说，建筑间距和建筑高度决定了风速和风向的转变程度，对建筑群内的风环境至关重要。如今，随着城市化的发展和建设用地的S乏，校园中的高层建筑和密集建筑群也越来越多。然而，高层建筑和密集布置的建筑群是导致不舒适风环境甚至造成风害的主要因素。这也是校园规划时需重点考虑的问题。高层建筑和布置密集的建筑群导致的不良风环境主要有：高层建筑边角处的高速风，“狭道风”，背风面风影区与祸流，迎风面涡流。
（5）建筑单体设计建筑单体的造型和体量对建筑周边小区域的风环境有重要影响，如板式、点式、L型、U型等型式的建筑在不同的风向下形成的周边风环境各异，通常建筑的造型越复杂，体量越大，对周边的风环境影响就越大。对于常见的建筑形式已有研究人员进行了分析，得出了一些可供参考的结论。随着建筑设计行业的发展，越来越多的异型建筑出现，易导致不良风环境旳产生。建筑立面形式的不同，会导致立面粗糙度的不同，也会影响风在近壁面的流动状态。
2.4 风环境研究方法
文献阅读：通过对相关资料的大量阅读、分析整理，了解相关研究的国内外水平和涉及范畴，积极学习他人的研究方法、研究思路，为自己的研究提供依据和支持。
运用软件数值模拟：通过利用CFD数值模拟对风环境进行研究，分析不同建筑布局方式室外风环境的差异，以整合出一套风环境优化策略体系，用以指导室外风环境的优化设计。并用该软件对慈溪城南教育地块绿色建筑进行风环境模拟分析，进行定性及定量的分析，进而指导慈溪城南教育地块绿色建筑风环境的评价及优化设计。
归纳分析法：通过对现有风环境评价体系的学习理解，归纳总结出适用于校园室外风环境的具体评价系统。同样通过对各种风环境优化策略的数值模拟分析，归纳出适用的校园室外风环境的优化策略体系。以此用于指导相关典型实例的室外风环境评价及优化设计。
2.5 风环境评价标准
2.6风环境优化的作用
（1）提高人体舒适性。就校园环境来讲，风环境与人们的日常室外活动关系密切。风速过高会影响人的舒适度甚至造成安全问题;风速过低会导致通风不畅，人的舒适感也会下降。同时，风速还会影响人们对温度的感觉。在同样的温度下，人体的冷暖感受随风速不同而不同。在气温高于0℃时，风力每增加2级，人体冷感便降低3-5℃;在气温低于0°C时，风力每增加2级，人体冷感便降低6-8℃。
（2）提高空气质量。在校園通风不畅的地方，容易造成空气的长时间滞留，难以扩散，良好的通风环境能够带走污染气体，净化空气，提升空气质量。
（3）有利于建筑节能环保。当前空调和暖气的使用消耗了大量能源，对环境造成了污染。合理优化风环境，实现夏季自然通风和冬季防风，可以达到建筑节能的目的。
3 CFD模拟方法
3.1 CFD模拟的基本理论
目前分析风环境的主要方法有三种分别是现场实测、风洞实验和计算机数值模拟。其中现场实测应用面窄，不能在设计阶段分析，只能用于建成场所，也无法对优化结果进行检验，且耗费较多人力物力;风洞试验仅可以了解到典型建筑群风环境规律及特点，且代价昂贵周期很长，很难在实际项目中广泛推广。“即计算流体力学）的简称，就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏徵分方程组的技术。”数值模拟方法方便操作、节约成本、模拟成果直观易攆，因此用来模拟风环境进而进行分析研究的方法被广泛运用。基于技术的模拟软件有很多种，主要包括：Fluent、CFX、Star-CD、PHOENICS等。本文便选用其中运用最为广泛CFD的软件进行模拟研究。
3.2 CFD软件
CFD软件可以用来模拟计算，该软件应用范围非常广泛，不仅仅包括建筑领域，还包括暖通、水利、机械等。
软件在进行住区风环境模拟时具有如下几方面的优势：
操作简便，功能强大：运用该软件，只需将建好的CAD、3D模型导入，设定相关参数，经过数值计算，便可以得到模拟的结果。
模拟结果直观形象：模拟的结果可以通过直观的风场分布图，矢量图等显现出来，相比传统的测算方法更加可视化、形象化。
原理和结果科学可靠：由于实测和风洞试验常常会受到很多客观和主观因素的影响，而导致其结果不可避免的存在误差。而CFD软件所使用的计算原理是由国际标准化组织制定的，且其全过程皆由计算机操作完成，具有较高的可靠性和科学性。
3.3 CFD软件使用方法
使用CFD软件进行风环境数值模拟时一般分为前处理、计算、后处理三大步骤。前处理包括：模型建立、设定参数、绘制网格等。在求解计算过程中当显示检测值波动很小，残差降到2-3个数量级时，则我们认为获得了较好的收敛。后处理中可以直观查看速度分布图、矢量图、压力云图及等值线图等。
4 研究对象
4.1 具体气候条件
慈溪处于北亚热带南缘，属季风型气候。四季分明，冬夏稍长，春秋略短。平均年日照2038小时，年日照百分率47%。年平均气温16℃，七月最高，平均28.2℃，一月最低，平均3.8℃。历史极端最高气温38.5℃，最低-9.3℃。雨量充足，年平均降水量1272.8毫米，平均年径流总量5。122亿立方米，降水高峰月为九月，平均占年降水量14%。
4.2 气象参数选取
根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ134-2010，选用典型气象年作为建筑风环境模拟的气象参数。
2006年～2007年，有宁波市建设委员信息中心、宁波市气象局、宁波市房屋建筑设计研究院联合中国建筑科学园上海分院，对宁波市1961～2006年气象观测数据进行了整理，形成了宁波市“典型气象年数据”用于宁波市建筑能耗分析。 4.2.1 温度参数
宁波市典型气象年最热月干球温度分布（7月份），最冷月干球温度分布（1月份），月平均杆球温度分布情况，如下所示：
4.2.2 风向、风速参数
春季气温开始波状回升，雨量逐渐增多，东风占据优势。
夏季以东南风为主，7、8月份进入晴热少雨的伏旱季节，9月份进入秋季，气温开始回落。极端最高气温40.5℃。
每年9月进入秋季，气温开始回落。秋季日夜温差较大，风向盛行西南风。具体如下图所示。
4.3 建筑概况
5 室外风环境模拟分析
5.1 室外风环境模拟概况
近年来，随着我国经济建设的发展，城市规模的不断扩展，高层建筑大量建设，与此同时建筑群风环境的问题的日益突出，引起了人们的普遍关注。环境中风的状况直接影响着人们的生活，而风环境的状况不仅仅与当地气候有关，还与建筑物的体型、布局等因素有关。如果在规划设计的初期就对建筑物周围风环境进行分析，并对规划设计方案进行优化，将有效地改善建筑物周围的风环境，创造舒适的室外活动空间。故有必要对本项目室外风环境采用定性、定量的分析模拟，综合评价其对室内环境和建筑能耗的影响。
5.2室外分环境分析方法
（1）模拟分析工具
（2）CFD 数值模拟分析方法及收敛判定
收敛判断标准：设置计算域计算步数为 200 次，终止标准按连续性方程、动量方程残差为 1.0 E-4 以下，能量方程残差为 1.0 E-7 以下，收敛曲线如下图所示
（3）边界条件设置
来流边界条件：建筑来流方向风速为均匀分布，不同高度平面上的来流风速大小沿建筑高度方向按梯度递增。依据冬、夏季主导风向、风频、参考风速（采用典型气象年数据）确定边界条件;采用WIND 边界条件，入口风速分布采用指数分布;考虑下垫面粗糙度，考虑建筑表面粗糙度。梯度风边界设置：建筑物附近的风速可以按照大气边界层理论和地形条件来确定。不同地形下的风速梯度也不一样，可以用以下的公式表示：
本项目室外风环境模拟时根据室外场地状况设置 n 值为 0.16。
出流边界条件：建筑出流面上空气流动按湍流充分发展考虑，边界条件按自由出口设定
几何模型与计算网格设置
参照表 4-2 选取研究地块的计算域：
项目建筑目标域所占区间为305×188×25.3m（长 x 宽 x 高），确定再现域范围为455×328m（外扩75m）。对计算区域做如下设置：计算区域的高度取物理模型最高点的3倍，来流方向与出流方向宽度为物理模型宽度的3倍，物理模型两侧区域为物理模型3倍。确定计算域尺寸为300m×300m×100m（长 x 宽x 高）。模型中沿 Y 轴正方向设置为北向。计算域网格设置采用直角网格，建筑所在核心区域网格局部加密，近地面边界层1.5m范围（人行高度）划分4 层，建筑表面边界层1.5m范围划分4层。
为了提高生成网格的质量，减少曲面、异型体对网格数量的要求，有必要对建筑模型作简化处理，忽略一些较小的建筑构件，保留主要体块。柱子尺度比较小，为了减少对网格的干预，给予忽略。地块东侧部分建筑与本项目距离较近，模拟分析时一起计算，其余周边为城市道路、河流和空地，模拟分析时不予考虑。
5.3模拟分析预测结果
根据上述宁波地区的气象参数选取春季过渡、夏季、秋季过渡、冬季四个工况进行模拟分析，具体如下：
（1）工况 1（春季过渡）
模拟春季过渡情况下建筑周边流场分布状况，风向为 S（南），风速为 2.97 m/s，设定室外平均气温为20.0°。截取距地面 1.5 m 高度处流场、风速、风压进行分析，主要说明规划区风速大小及相对变化情况。
由上图5.3可知，春季距地面高度1.5m处由于建筑物的左右及中间区域呈围合、半围合状态，围合方向与风向正好呈垂直关系，使得春季的南向风无法充分进入，从而导致围合区域以及建筑背风面都存在一定的静风区，其中以中间的四面围合区域以及背风区最为严重。由上图5.4可知春季过渡距地面1.5m高度最大风速为3.31.m/s，符合在建筑物周围行人区1.5 m高度的风速小于5 m/s的评价标准。已知春季主导风的风速为2.97m/s，在Fluent软件中，根据已知关系式设置相关计算公式，最后得出夏季人行高度1.5m处风速放大系数分布图如上图5.5所示，在春季，建筑周围行人高度处的风速放大系最大值为1.32，符合人行及活动区域的风速放大系数不应大于2的评价标准。
风压分析：根据距地面1.5m高度风压云图及建筑外表面风压图可见，项目建筑前后压差大部分处于0.5～7.5Pa之间。ns3-1、ns3-2（即建筑南向迎风面）前方出现了整个人行区压强最大的区域，且此时压力为正压，为建筑自然通风提供了良好的条件。随着建筑物的围合阻挡作用，风压逐渐呈减小趋势，建筑ns1-1、ns1-2、ns1-3（即建筑北向背風面）以及ns2-2、ns2-3这几个建筑表面的前后压差均小于1.5Pa，不符合75 %以上的板式建筑前后压差在夏季保持1.5Pa左右的评价标准，同时也影响建筑室内的自然通风。
（2）工况 2（夏季）
模拟夏季情况下建筑周边流场分布状况，风向为 SSE（南偏东22.5°），风速为2.70m/s，设定室外平均气温为27.5°。截取距地面 1.5m 高度处流场、风速、风压进行分析，主要说明规划区风速大小及相对变化情况。
由上图5.9可知，夏季距地面高度1.5m处由于建筑物的左右及中间区域呈围合、半围合状态，围合方向与风向正好呈垂直关系，使得夏季的东南风无法充分进入，从而导致围合区域以及建筑背风面都存在一定的静风区，其中以中间的四面围合区域以及背风区最为严重。由上图5.10可知春季过渡距地面1.5m高度最大风速为3.30m/s，符合在建筑物周围行人区1.5 m高度的风速小于5 m/s的评价标准。已知夏季主导风的风速为2.70m/s，在Fluent软件中，根据已知关系式设置相关计算公式，最后得出夏季人行高度1.5m处风速放大系数分布图如上图5.11所示，在春季，建筑周围行人高度处的风速放大系最大值为1.38，符合人行及活动区域的风速放大系数不应大于2的评价标准。 风压分析：根据距地面1.5m高度风压云图及建筑外表面风压图可见，项目建筑前后压差大部分处于0.1～5.2Pa之间。ns3-1、ns3-2（即建筑南向迎风面）前方出现了整个人行区压强最大的区域，且此时压力为正压，为建筑自然通风提供了良好的条件。随着建筑物的围合阻挡作用，风压逐渐呈减小趋势，建筑ns1-1、ns1-2（即建筑北向背风面）以及ns2-1、ns2-2这几个建筑表面的前后压差均小于1.5Pa，不符合75 %以上的板式建筑前后压差在夏季保持1.5Pa左右的评价标准，同时也影响建筑室内的自然通风。
（3）工况 3（秋季过渡）
模拟秋季过渡平均风速情况下建筑周边流场分布状况，风向为 NW（北偏西45°），风速为 2.55 m/s，设定室外平均气温为20.0°。截取距地面 1.5 m 高度处流场、风速、风压进行分析，主要说明规划区风速大小及相对变化情况。
由上图5.15可知，秋季距地面高度1.5m处由于建筑物的左右及中间区域呈围合、半围合状态，围合方向与风向正好呈垂直关系，使得秋季的西北风无法充分进入，从而导致围合区域以及建筑背风面都存在一定的静风区，其中以中间的四面围合区域以及背风区最为严重。由上图5.16可知秋季过渡距地面1.5m高度最大风速为2.90m/s，符合在建筑物周围行人区1.5 m高度的风速小于5 m/s的评价标准。已知秋季主导风的风速为2.55m/s，在Fluent软件中，根据已知关系式设置相关计算公式，最后得出夏季人行高度1.5m处风速放大系数分布图如上图5.17所示，在秋季，建筑周围行人高度处的风速放大系最大值为1.18，符合人行及活动区域的风速放大系数不应大于2的评价标准。
风压分析：根据距地面1.5m高度风压云图及建筑外表面风压图可见，项目建筑前后压差大部分处于0.6～5.2Pa之间。ns1-1、ns1-2、ns1-3（即建筑北向迎风面）前方出现了整个人行区压强最大的区域，压力分别为5.2、4.9、4.21Pa，其中仅有ns1-1建筑表面前后压差大于5Pa，该建筑表面前后建筑压差不符合建筑物前后压差在冬季不大于5Pa的评价标准。因此秋季过渡建筑前后压差在整体上满足要求。
（4）工况 4（冬季）
模拟冬季情况下建筑周边流场分布状况，风向为 NW（北偏西45°），风速为 2.70m/s，设定室外平均气温为6.0°。截取距地面 1.5 m 高度处流场、风速、风压进行分析，主要说明规划区风速大小及相对变化情况。
由上图5.21可知，冬季距地面高度1.5m处由于建筑物的左右及中间区域呈围合、半围合状态，围合方向与风向正好呈垂直关系，使得冬季的西北风无法充分进入，从而导致围合区域以及建筑背风面都存在一定的静风区，其中以中间的四面围合区域以及背风区最为严重。由上图5.22可知冬季距地面1.5m高度最大风速为3.09m/s，符合在建筑物周围行人区1.5 m高度的风速小于5 m/s的评价标准。已知冬季主导风的风速为2.70/s，在Fluent软件中，根据已知关系式设置相关计算公式，最后得出冬季人行高度1.5m处风速放大系数分布图如上图5.23所示，在冬季，建筑周围行人高度处的风速放大系最大值为1.23，符合人行及活动区域的风速放大系数不应大于2的评价标准。
风压分析：根据距地面1.5m高度风压云图及建筑外表面风压图可见，项目建筑前后压差大部分处于0.6～5.8Pa之间。ns1-1、ns1-2、ns1-3（即建筑北向迎风面）前方出现了整个人行区压强最大的区域，压力分别为5.8、5.6、4.7Pa，其中仅有ns1-1、ns1-2建筑表面前后压差大于5Pa，该建筑表面前后建筑压差不符合建筑物前后压差在冬季不大于5Pa的评价标准。因此冬季建筑前后压差在整体上满足要求。
5.4评估总结
本人根据《绿色建筑评价标准》GB50378-2014对慈溪城南教育地块绿色建筑春、夏、秋、冬四季风环境模拟结果进行评估，并将所得评估结果记录于下表：
6 优化方法
6.1 建筑群迎风面边界开口优化
对大学园区来说，建筑群迎风界面的开口处理是改善校园风环境的首要因素，其迎风面优化的好坏决定了大学园区内部风环境的优劣。在建筑群迎风面开口能够有效增加建筑群内风的流量和风速。不论何种建筑群布局形式都应预留合适的建筑群边界开口，以利于风的引入使建筑群内得到合适的风量。在夏季和过渡季，为促进建筑群的自然通风，主要有以下两种开口优化方式：一是增加开口的数量;二是增大开口的尺寸。在冬季主导风向应合理控制开口的数量和大小，避免冬季寒风长驱直入，带走建筑热量，增加建筑能耗，同时也要考虑建筑群内部的通风换气问题。考虑到我国大部分地区冬夏季节的风向大致相反，所以在满足建筑群的自然通风和防风需求时，一般不会产生矛盾。
6.2 绿化布置
校园植被的增加能够提高地面的粗糙度，会明显影响人行高度的风环境。相關研究表明，在树木种植密度较高的地区，落叶类树木生长茂盛的季节，区域内风速会下降至70%-80%，在树木落叶后，风速会增加20%-40%，可见，茂密的植物会阻挡风的流通，稀疏的植物有利于风的流通。
不同的植物有不同的形态特征和生长特点，在利用植被调节风环境时，应考虑植物的形状、大小、高矮等因素，进行合理的平面布局和竖向搭配来控制和引导气流。并且要利用植物不同季节的生长特征，以满足夏季的通风和冬季的防风需求。如在夏季主导风向布置落叶的乔木和灌木，有利于引导气流促进室内通风且能满足夏季的遮阳和冬季的采光需求;在冬季主导风向种植常绿的乔木和灌木，形成高低搭配的立体绿化作为风的屏障，以达到冬季防风的效果。将成排的植物种植于建筑迎风面两侧，能够引导风流向建筑内部。即使植物不能全部挡住风，它们依然可以在一定程度上增加建筑的通风量。在建筑的两侧适当位置布置植物能引导风来弱化建筑物背风面的风影区的影响，还能形成室外风道，提升风环境质量。在利用植物的竖向搭配来引导风时，要考虑冬夏不同季节对风的需求。将灌木布置在离建筑物较远的位置，将乔木布置在灌木内侧能够引导风进入建筑内部，有利于夏季的自然通风。将乔木布置在灌木外侧时，植物会引导风从建筑上方吹过，有利于冬季阻挡寒风，同时要避免在离建筑较近的位置布置稠密低矮的植物，它会阻挡空气的流通。 6.3迎风角度
风向是不可能被人的主观手段所改变的，因此，我们对迎风角度的控制只能靠调整建筑物的朝向来实现。故而建筑物迎风面朝向可为建筑风环境优化策略之一。李妍[31]在她的学位论文中分别对迎风角度为 0°、30°、45°、60°、90°的风环境模拟风速分布图及风压分布图。本人根据该研究分析总结得出以下结论。
当迎风角度为 0°时，迎风建筑的背风面存在大片静风区，建筑前后压差值达到最大，此时建筑室内自然通风效果达到最佳状态。然而大面积的静风区造成建筑室外较恶劣的风环境，甚至在某些拐角处存在着涡流区，这些涡流区内风速较低，风向混乱。当迎风角度逐渐递增，迎风建筑物的阻挡作用随之减弱，对建筑群后方建筑的风环境的影响也随着背风面涡流区面积的减小而降低。建筑表面压差也受到迎风角度增大的影响而减小，导致建筑室内自然通风效果达不到人体舒适度的基本要求。建筑物当迎风角度达到 45°时，建筑物背风面的涡流区面积不再减小，此时建筑室外风环境达到最舒适的状态。
而结合宁波本地的气象条件，即宁波夏季盛行风的风向为东南偏南（SSE）而言，镇海新城吾悦广场的迎风角度为 6.5°，相比研究结果所得最佳迎风角度45°小很多。在宁波炎热的夏季，镇海新城吾悦广场建筑的背风面存在较大的静风区，前排迎风建筑的室内通风效果良好，而后排建筑的室内通风效果明显较差。建筑区内存在较大的涡流面积，建筑室外风环境较恶劣，给人们带来了不舒适的感觉。而宁波冬季的主导风向为西北（NW），此时镇海新城吾悦广场的迎风角度为 29°。在宁波寒冷的冬季，前排建筑物前后压差较大，有大量冷风渗透入建筑室内。而建筑区内存在的大面积静风区给建筑室外冬季的防风带来了良好的效果。
6.4建筑高度
建筑物的高度变化会引发建筑物顶部风向产生变化，随着建筑物尺寸的增加涡流的影响范围以及风影区的面积会对建筑周围风环境造成更大的影响。根据张圣武的硕士学位论文《基于数值模拟的杭州住区风环境分析研究》[28]的研究中，以下是本人对建筑物高度变化造成的不同影响归纳总结。
前低后高的建筑高度变化方式，充分地利用了风的流体特性，促进垂直方向上风的运动，促进更多气流由顶部流向地面，使小区内部大多区域都有较高的风速条件。但随着建筑群后方建筑高度的增加，迎风建筑背风面近墙区，气流向上产生漩涡，又没有设置绿化带进行遮挡，该地带极有可能会有垃圾、尘土被风吹起甚至吹到楼高高度，使建筑群内部的环境受到严重污染，风环境处于极度紊乱的状态。越低的建筑迎风面对来流风的引导作用越加显著，高度的逐步增加便于风流入建筑群内部，营造更加舒适、健康的建筑室外风环境。
前高后低的建筑高度变化方式，由于高度较高迎风建筑阻挡作用最大，导致后排建筑前后的压差值不够大，得不到建筑室内的自然通风，在建筑群内部产生相当大的静风区域。在人行高度 1.5m 处，在建筑下风向会产生较大的涡流，严重影响人们的风舒适度，而且由于日照间距等原因，前高后低的建筑高度变化方式在用地面积的经济性上也没有优势。在第一、二排建筑之间，由于狭管效应甚至会出现风速超过 5m/s 的情况，为了避免，迎风侧的建筑高度应适当减低。中间高的建筑高度变化方式相较于中间低的建筑高度变化方式拥有更好的建筑室外风环境。中间高的建筑高度变化方式建筑室内自然通风效果良好，而中间低的建筑高度变化方式建筑前后风压差值不够大，建筑室内无法进行自然通风。这两种方式在用地范围相同的情况下，都不利于建筑室外空气的流动，但是中间高的建筑高度变化方式存在的涡流比中间低的建筑高度变化方式存在的涡流相对更少，且其在建筑群内存在面积稍小的无风区。故不建议在实际建筑布局设计中采用中间低的建筑高度变化方式。
6.5优化方案总结
在借鉴他人研究成果的同时根據研究地块的实际条件，本人归纳出镇海新城吾悦广场风环境的优化方案，希望能为宁波市正在建设的地块给以参考，使宁波能够在发展建设的同时营造良好的风环境，给人们带来一个舒适、健康的生活环境。
7 优化前后对比分析
由风压图看出在距地面1.5m高度处，除了右侧后排建筑，其余建筑物前后都存在明显压差，这表明夏季建筑室内的自然通风有了极大的改善。
而根据优化后季距地面1.5m高度风速矢量图我们也可以观察到，建筑后排背风面以及围合区域静风区得到有效的消除，建筑周围涡流总面积明显减小，如需进一步优化，可以在建筑周围种植高大的树木。
同理，调整建筑物的迎风角度，我们可以得到优化前和优化后研究地块的冬季风环境模拟结果对比如上图，发现其在一定程度上有所改善。除了迎风建筑，其他建筑前后压差均不明显，且迎风面的压强较优化前明显降低。迎风建筑前后压差相较优化前呈减小状态，这使得冬季室内的防风效果得到了加强。
综上所述，本人对慈溪城南教育地块风环境提出的优化方案对其风环境的改善有明显的作用。
8 结论与不足
本文通过使用 CFD 计算流体力学软件模拟的方法对慈溪城南教育地块绿色建筑内的风环境进行了模拟，对数值模拟过程中的几何建模、边界大小确定、网格划分、边界条件的选取和参数设定进行较为详细地阐述 ， 为该方法在今后类似工程中的应用提供了一定借鉴。通过以上相关图表、数据分析，优化后得出以下结论：
改变建筑迎风角度（本项目采取的是建筑迎风角度为45°）以及采取前高后低的建筑高度排布有利于冬季日照并避开冬季主导风向，夏季利于自然通风;建筑物周围人行及活动区域的风速放大系数不大于 2，50%人行区域地面 1.5m高处的风速放大系数不小于 0.3;项目建筑周边区域场地风速小于 5.0m/s，符合行人舒适性。冬季典型风速和风向条件下，建筑物周围人行区距地 1.5m 高处风速不大于2.70m/s，风速放大系数不大于 1.4;除迎风第一排建筑外，其余建筑迎风面与背风面表面风压差不超过4.2Pa。夏季、过渡季建筑前后压差基本大于0.5Pa，有利于室内利用自然通风。项目建筑周边局部区域存在涡旋区，但整体未出现无风区，不至影响项目室外散热和周边污染物消散。 本文虽然将慈溪城南教育地块风环境进行了优化，但是这次的优化还是基于单纯的风环境，在改变建筑朝向以及建筑高度排布时并没有对其是否会对建筑热环境、建筑采光、建筑声环境等方面进行考虑，这使得本次优化仍存在不足之处，本文仅为今后在进行校园建设时对于风环境的优化提供一些借鉴作用。
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