CN104778365A - 一种绿色建筑群室外风环境质量的综合指数评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绿色建筑群室外风环境质量的综合指数评价方法，包括以下步骤：定义“建筑群室外风环境综合指数R”作为评价建筑群室外风环境质量的依据，根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中天津市冬季16个风向的风频，利用层次分析法确定指标权重；运用CFD分别模拟建筑群冬季16个风向的室外风环境，分别计算出P_ij的值；计算出建筑群室外风环境综合指数R的值，根据分级标准，确定室外风环境质量。与现有技术相比，本发明综合考虑季节典型风向的风频及三项单项指标后，提出建筑群室外风环境综合指数R，实现了建筑群室外风环境质量的综合评价。

Description

一种绿色建筑群室外风环境质量的综合指数评价方法

技术领域

本发明涉及一种绿色建筑群室外风环境质量综合评价方法，特别是涉及一种基于CFD技术的建筑群室外风环境质量综合指数评价方法。

背景技术

随着经济水平的提高和人口的增加，建筑用地越来越少，高层建筑的数量也越来越多。由于建筑布局不合理导致的局部通风不畅、局部强风导致行人举步维艰及强风卷刮物体伤人等事故的现象越来越引起重视。好的建筑小区应该同时满足室内环境和室外环境舒适性的要求，室外风环境状况是评价建筑小区优劣的一个重要标准。根据评价结果，优化建筑群布局，结果将直接影响居民的日常生活及建筑能耗，提高建筑群设计的可持续发展。例如，优化布局可以在夏季充分利用自然通风改善室内空气品质和降低城市热岛效应，降低空调能耗，在冬季实现建筑节能等。因此，如何综合评价建筑群室外风环境质量成为当前的研究和设计热点问题。

计算流体力学(CFD)方法已经广泛应用于室外空气环境模拟。该方法具有成本低、效果好等优势，通过求解流体动力学方程组，能够模拟出建筑群室外空气流场，现有室外风环境质量评价的技术往往是结合CFD方法提出的。建筑群风环境评估方法主要有相对舒适度评估法、风速概率统计评估法、风速比评估法等。

1)相对舒适度评估法以人的舒适性需求为出发点，综合了人的风不舒适程度以及风不舒适发生的次数进行分级。但该方法基于人的主观性评价，具有很大不确定性；2)风速概率统计评估法主要是通过研究人行高度处风速与人体舒适度之间的关系，来评价风环境。但其指标是依照气象台常年观测信息统计设置的，也涉及到人的主观性问题；3)风速比评估法则以实际风场中某点的行人高度处的平均风速与相同高度处未受干扰来流的平均风速的比值的大小来反应建筑物存在引起的风速变化程度，难以全面地反映出研究地块完整的风环境。同时，上述方法考虑因素比较单一，往往不能实现对实际建筑群室外风环境受多因素影响给出的可靠评价。

发明内容

为了克服上述现有技术的问题，本发明提出了一种绿色建筑群室外风环境质量的综合指数评价方法，结合CFD技术，依据《绿色建筑评价标准》提出建筑群室外风环境综合评价指数，综合四季的风速条件，评价室外风环境质量。

本发明提出了一种绿色建筑群室外风环境质量的综合指数评价方法，该方法包括以下步骤：

定义“建筑群室外风环境综合指数”作为评价建筑群室外风环境质量的依据，其计算公式如下：

$R=100\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{16}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i{P}_{\mathrm{ij}}{f}_j---\left(1\right)$

式中，R为建筑群室外风环境综合指数；i为指标项数；j为风向数；

W_i为各项指标的权重，其中：各项指标包括人行区风速＜5m/s的面积的比例P₁、室外风速放大系数＜2的面积的比例P₂和单体建筑迎背面压差达标数量比例P₃；

P_ij为不同风向各项指标的值，包括j＝16个不同风向分别对应的i＝3个指标，即：人行区风速＜5m/s的面积的比例P₁、室外风速放大系数＜2的面积的比例P₂和单体建筑迎背面压差达标数量比例P₃；

f_j为j＝16个不同风向的风频；

根据获取的气象数据集中的风向的风频，利用层次分析法确定指标权重W_i；

运用CFD分别模拟建筑群冬季16个风向的室外风环境，分别计算出不同风向各项指标的值P_ij；

利用式(1)计算出建筑群室外风环境综合指数R的值，根据分级标准，确定室外风环境质量。

与现有技术相比，本发明综合考虑季节典型风向的风频及三项单项指标后，提出建筑群室外风环境综合指数R，实现了建筑群室外风环境质量的综合评价。

附图说明

图1为本发明的一种绿色建筑群室外风环境质量的综合指数评价方法总流程示意图；

图2是递阶层次结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本发明的技术方案。

本发明的评价指标根据《绿色建筑评价标准》(GB-T50378-2014)有室外关风速场的规范确定。其中主要是在第4.2.6条中规定了在冬季典型风速和风向条件下，要求：

1)建筑物周围人行区风速小于5m/s，且室外风速放大系数小于2；

2)除迎风第一排建筑外，建筑迎风面与背风面表面风压差不大于5Pa，场地内风环境有利于室外行走、活动舒适和建筑的自然通风。

以冬季为例，提出了如下三项单项指标：

指标1：人行区风速＜5m/s的面积的比例(P₁)(1.5米高度处，风速＜5m/s的面积占小区室外面积的百分比)。

指标2：室外风速放大系数＜2的面积的比例(P₂)(1.5米高度处，室外风速放大系数＜2的面积占小区室外面积的百分比)。

指标3：单体建筑迎背面压差达标数量比例(P₃)(单体建筑冬季迎风面与背风面表面风压差不大于5P_a的建筑个数占总建筑个数的百分比)。

如图2所示，本发明流程包括以下步骤：

定义“建筑群室外风环境综合指数”作为评价建筑群室外风环境质量的依据，其计算公式如下：

$R=100\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{16}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i{P}_{\mathrm{ij}}{f}_j---\left(1\right)$

式中，R为建筑群室外风环境综合指数。R越大，代表室外风环境质量越好。W_i为各项指标的权重，P_ij为不同风向各项指标的值，f_j为冬季各风向风频；

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中天津市冬季16个风向的风频，利用层次分析法确定指标权重，运用CFD分别模拟建筑群冬季16个风向的室外风环境，分别计算出P_ij的值，利用式(1)计算出建筑群室外风环境综合指数R的值，根据分级标准(见表1)，确定室外风环境质量。

表1建筑群室外风环境综合指数R分级标准

风环境质量	较差	一般	好(一星级)	较好(二星级)	很好(三星级)
						R	<60	60-80	80-90	90-95	95-100

如图1所示，为递阶层次结构示意图，P₁、P₂、P₃为依据《绿色建筑评价标准》提出的单项评价指标。

最佳实施方式：

以下通过附表进一步说明本发名技术方案。天津冬季风向、风频统计见表2。运用层次分析法确定的各项指标的权重见表3，三项单项指标的值见表4、5、6。

表2、天津冬季风向、风频统计表(《中国建筑热环境分析专用气象数据集》)

风向	N	NNE	NE	ENE	E	ESE	SE	SSE
									风频(％)	11.5	3.8	1.6	11.2	0.0	9.3	4.8	4.8

风向	S	SSW	SW	WSW	W	WNW	NW	NNW
									风频(％)	4.8	8.3	9.3	0.0	5.4	8.3	6.7	9.9

表3、指标权重

表4、冬季16个风向人行区风速＜5m/s的面积的比例P₁(％)统计表

风向	N	NNE	NE	ENE	E	ESE	SE	SSE
									P1(％)	87.2	86.4	87.7	92.2	93.3	92	94	90
风向	S	SSW	SW	WSW	W	WNW	NW	NNW
									P1(％)	90.3	87.9	85.4	93.2	80	88	83.1	82.3

表5、冬季16个风向室外风速放大系数＜2的面积的比例P₂(％)统计表

风向	N	NNE	NE	ENE	E	ESE	SE	SSE
									P2(％)	88.4	87.3	88.7	82.5	93.8	92.6	95.5	91.3
风向	S	SSW	SW	WSW	W	WNW	NW	NNW
									P2(％)	91.4	88.7	86.1	93.7	81	88.7	84	83.3

表6、冬季16个风向单体建筑迎背面压差达标数量比例P₃(％)统计表

风向	N	NNE	NE	ENE	E	ESE	SE	SSE
									P3(％)	58	56	81	83	54	48	48	58
风向	S	SSW	SW	WSW	W	WNW	NW	NNW
									P3(％)	54	54	54	54	33	42	38	77

计算可知建筑群室外风环境综合指数为：可见模拟小区冬季风环境质量一般，需要改进建筑形状或建筑布局。

本发明用层次分析法确定指标权重，它具有系统性、实用性、简洁等优点性。层次分析法的具体步骤：(1)建立递阶层次结构模型(2)构造出各层次中的所有判断矩阵(3)层次单排序及一致性检验(4)层次总排序及一致性检验。

表7、相对重要性标度及其含义

利用层次分析法，指标权重的计算方法如下：

第一步，建立判断矩阵B。矩阵中的元素相对重要性标度及其含义见表7。

$B=\left[\begin{array}{ccc}{b}_{11}& b_{12}& b_{13}\\ b_{21}& b_{22}& b_{23}\\ b_{31}& b_{32}& b_{33}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 5& 4\\ 0.2& 1& 0.25\\ 0.25& 4& 1\end{array}\right]$

第二步，将矩阵的每一列进行正规化。

第一列：

$\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i1}=1+0.2+0.25=1.45$

$q_{11}=\frac{b_{11}}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i1}}=\frac{1}{1.45}=0.69$

$q_{21}=\frac{b_{21}}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i1}}=\frac{0.2}{1.45}=0.14$

$q_{31}=\frac{b_{31}}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i1}}=\frac{0.25}{1.45}=0.17$

第二列：

$\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i2}=5+1+4=10$

$q_{12}=\frac{b_{12}}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i2}}=\frac{5}{10}=0.5$

$q_{22}=\frac{b_{22}}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i2}}=\frac{1}{10}=0.1$

$q_{32}=\frac{b_{32}}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i2}}=\frac{4}{10}=0.4$

第三列：

$\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i3}=4+0.25+1=5.25$

$q_{13}=\frac{b_{13}}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i3}}=\frac{4}{5.25}=0.76$

$q_{23}=\frac{b_{23}}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i3}}=\frac{0.25}{5.25}=0.05$

$q_{33}=\frac{b_{33}}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i3}}=\frac{1}{5.25}=0.19$

得到正规矩阵：

$Q=\left[\begin{array}{ccc}0.69& 0.5& 0.76\\ 0.14& 0.1& 0.05\\ 0.17& 0.4& 0.19\end{array}\right]$

第三步，将正规矩阵的每一行相加，得到向量a＝[a₁ a₂ a₃]^T

$a_1=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{1j}=0.69+0.5+0.76=1.95$

$a_2=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{2j}=0.14+0.1+0.05=0.29$

$a_3=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{3j}=0.17+0.4+0.19=0.76$

第四步，将向量a＝[a₁ a₂ a₃]^T正规化之后，所得到的特征向量W＝[W₁ W₂ W₃]^T，即为指标权重。

$W={\left[\begin{array}{ccc}\frac{1.95}{3}& \frac{0.29}{3}& \frac{0.76}{3}\end{array}\right]}^T={\left[\begin{array}{ccc}0.65& 0.1& 0.25\end{array}\right]}^T$

第五步，一致性检验。

最后需对所求得的特征向量W进行一致性检验，若检验通过，则该特征向量即为权向量，否则还需重新构建判断矩阵B。通过计算一致性指标CI和随机一致性比率CR，进行一致性检验。计算过程如下：

$\mathrm{BW}=\left[\begin{array}{c}{\left(\mathrm{BW}\right)}_1\\ {\left(\mathrm{BW}\right)}_2\\ {\left(\mathrm{BW}\right)}_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 5& 4\\ 0.2& 1& 0.25\\ 0.25& 4& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\text{0.65}\\ 0.1\\ 0.25\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}2.14\\ 0.29\\ 0.8\end{array}\right]$

${\mathrm{\λ}}_{\max }=\frac{1}{3}\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left(\mathrm{BW}\right)}_i}{W_i}=\frac{1}{3}(\frac{2.14}{0.65}+\frac{0.29}{0.1}+\frac{0.8}{0.25})=3.16$

$\mathrm{CI}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-n}{n-1}=\frac{3.16-3}{3-1}=0.05$

$\mathrm{CR}=\frac{\mathrm{CI}}{\mathrm{RI}}=\frac{0.05}{0.58}=0.086<0.10$

公式中，λ_max为判断矩阵的最大特征值；RI为平均随机一致性指标，通过查表8得到。由于本节构建的判断矩阵B的CR＜0.10，因此，判断矩阵B具有满意的一致性。

表8、矩阵阶数n和相应RI值

阶数	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										RI	0	0	0.58	0.90	1.12	1.24	1.32	1.41	1.45

Claims (1)

1.一种绿色建筑群室外风环境质量的综合指数评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

定义“建筑群室外风环境综合指数”作为评价建筑群室外风环境质量的依据，其计算公式如下：

$R=100\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W}_i{P}_{\mathrm{ij}}{f}_j---\left(1\right)$

式中，R为建筑群室外风环境综合指数；i为指标项数；j为风向数；

W_i为各项指标的权重，其中：各项指标包括人行区风速＜5m/s的面积的比例P₁、室外风速放大系数＜2的面积的比例P₂和单体建筑迎背面压差达标数量比例P₃；

P_ij为不同风向各项指标的值，包括j＝16个不同风向分别对应的i＝3个指标，即：人行区风速＜5m/s的面积的比例P₁、室外风速放大系数＜2的面积的比例P₂和单体建筑迎背面压差达标数量比例P₃；

f_j为j＝16个不同风向的风频；

根据获取的气象数据集中的风向的风频，利用层次分析法确定指标权重W_i；

运用CFD分别模拟建筑群冬季16个风向的室外风环境，分别计算出不同风向各项指标的值P_ij；

利用式(1)计算出建筑群室外风环境综合指数R的值，根据分级标准，确定室外风环境质量。