室外风环境模拟分析报告.docx
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室外风环境模拟分析报告.docx
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室外风环境模拟分析报告
室外风环境模拟分析报告
项目名称
天海市金水湾住宅项目
工程地点
建设单位
天海基础设施建设有限责任公司
设计单位
设计人
校对人
审核人
审定人
设计日期
1项目概况
天海市金水湾住宅项目位于天海市台州区春久以东,健康街以北。
该项目由天海市基础设施建设有限责任公司开发,项目规划净用地面积为17882平方米,建设面积为34434平方米,其中地下建筑面积3992平方米,配套地下车库面积为8732平方米。
该项目地上24层,地下三层。
1.1室外风环境
建筑群和高大建筑物会显著改变城市近地面层风场结构。
近地风的状况与建筑物的外形、尺寸、建筑物之间的相对位置以及周围地形地貌有着很复杂的关系。
在有较强来流时,建筑物周围某些地区会出现强风;如果这些强风区出现在建筑物入口、通道、露台等行人频繁活动的区域,则可能使行人感到不舒适、甚至带来伤害,形成恶劣的风环境问题。
在一般的气候条件下,他们直接影响着城市环境的小气候和环境的舒适性;一旦遇到大风,这种影响往往会变成灾害,使建筑外墙局部的玻璃幕墙、窗扇、雨棚等受到破坏,威胁着室内外的安全。
附表行人的舒适感与风速之间的关系
风速
人的感受
V<5m/s(3级微风)
舒适
5m/s 不舒适,行动受影响 10m/s 很不舒适,行动受严重影响 15m/s 不能忍受 V>20m/s(9级烈风) 危险 调查统计显示: 在建筑周围行人区,若平均风速V>5m/s的出现频率小于10%,行人不会有什么抱怨(在10%大风情况下建筑周围行人区风速小于5m/s,即可认为建筑周围行人区是舒适的);频率在10%~20%之间,抱怨将增多;频率大于20%,则应采取补救措施以减小风速。 另外,行人在风速分布不均区域活动时,若在小于2m的距离内平均风速变化达70%,即从低风速区突然进入高风速区,人对风的适应能力将大减。 1.2自然通风 自然通风是指利用自然的手段(热压、风压等)来促使空气流动而进行的通风换气方式。 自然通风主要有以下3种作用: 舒适通风、降温通风、健康通风。 通过通风增加人的舒适度,从而提高人体热舒适感觉;通过建筑周围气流将建筑周边以及房间里的热量散发到空气中去;同时通过通风,为室内提供新鲜空气,降低室内二氧化碳浓度。 同时,室外风环境深刻影响建筑室内风环境,特别对建筑防风与自然通风有着决定性影响。 冬季建筑防风,有效减少气流渗透,降低采暖能耗,而夏季与过渡季节的自然通风则能降低建筑空调能耗。 因此在设计阶段,应对建筑物的室外风环境做出评价,分析建筑之间位置关系对室内外风环境的影响。 2技术路线 2.1分析方法 本报告采用计算流体力学(CFD)方法对金水湾项目所在区域室外风场分布进行模拟分析。 采用商用计算流体力学软件Phoenics作为模拟分析软件。 2.2软件介绍 Phoenics软件作为专业的人工环境系统分析软件,可以精确地研究流体的流动、传热和污染等物理现象,准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热及舒适度等问题,从而为减少设计成本,降低设计风险,缩短设计周期贡献力量。 Phoenics软件能实现快速的建模、网格自动划分功能,具备强大的求解功能,拥有显示温度场、湿度场、速度场、空气龄场、PMV场、PPD场等数据的数值报告。 PHOENICS的暖通空调计算模块FLAIR是CHAM公司针对建筑及暖通空调专业设计的CFD专用模块。 在原有FLAIR模块的基础上,新版本FLAIR增加了大量HVAC专业相关内容,具有更强的专业性。 2.3紊流模型 模拟中采用标准κ-ε模型联合控制方程求解计算域内的流畅,涉及到的控制方程主要包括: 连续性方程、动量方程、能量方程,可以写成如下通用形式: 该式中的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,其具体表现形式如表1-1。 表1-1计算流体力学的控制方程 名称 变量 连续性方程 1 0 0 x速度 y速度 z速度 湍流 动能 湍流 耗散 温度 表中的常数如下: , , , , , , , , , , , ,由 计算: 其中 。 如果 ,则 ,其中 , , 2.4模拟工况 天海位于山东省中西部,南依泰山,北跨黄河,属于暖温带气候区,由于所处的地理位置,形成了夏热冬冷、四季分明的大陆性季风气候。 济南地区不同季节风向多变,雨量不均。 最不舒适的室外风环境主要易出现于冬季,而适宜自然通风的季节主要是过渡季和夏季。 室外风环境模拟主要考虑在一般情况下夏季、过渡季节的自然通风、冬季的防风以及极端气候条件下的行人的安全等(本报告不考虑极大风工况)。 通过统计《中国建筑热环境分析专用气象数据集》典型气象年的数据可见: 过渡季节风频最大情况的风速为3.75m/s,大于其整个季节的平均风速3.3m/s。 夏季风频最大情况的风速为2.8m/s。 冬季风频最大情况的风速为2.9m/s。 据此确定典型气象年的数据统计结果确定模拟分析的工况如表所示。 表1-2模拟分析工况 工况 基本情况 风向 平均风速m/s 概率% 评价内容 工况1 冬季最盛行风 E(东风) 2.9 16 行人舒适性 工况2 夏季最盛行风 SW(西南风) 2.8 14 自然通风 工况3 过渡季最盛行风 S(南风) 3.75 19 自然通风 其中工况2、3主要分析夏季、过渡季主导风向平均风速条件下建筑周边的风速分布以及建筑前后压差是否有利于自然通风。 工况1主要分析冬季最盛行风情况下项目周边人行区域风速是否小于5m/s,因为根据人体舒适性对风速和温度的联动感受,气温越低,人对风速的容忍性越小。 反之,气温越高,人体对风速的容忍极限越大。 3参考依据 本项目主要参照资料为: 1.《绿色建筑评价标准》GB/T50378—2014 2.《建筑通风效果测试与评价标准》JGJ/T309—2013 3.《绿色建筑评价技术细则》委托方提供的总平面图、建筑专业设计图纸、设计效果图等图纸资料 4.《民用建筑设计通则》GB50352—2005 5.委托方提供的其他相关资料 4评价说明 室外风环境评价依据为《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2014)中有关室外风环境的条目要求。 具体要求如下: 4.2.6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。 评分规则如下: 1冬季典型风速和风向条件下,建筑物周围人行区风速低于5m/s,且室外风速放大系数小于2,得2分;除迎风第一排建筑外,建筑迎风面与背风面表面风压差不超过5Pa,再得1分。 注: 当场地内人活动区风速大于5m/s的面积比例小于或等于5%,风速放大系数大于2的面积比例小于或等于5%时,即可判定满足该条款; 2过渡季、夏季典型风速和风向条件下,场地内人活动区不出现涡旋或无风区,得2分;50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于0.5Pa,得1分。 注: 当场地内人活动区风速小于0.2m/s的面积比例小于或等于5%时,即可判定满足该条款。 5室外风环境模拟建模 本报告采用CFD手段对项目周边风环境进行模拟,报告中综合考虑流场、风速、风压三个因素,对项目周边的风环境状况进行分析评价,并进一步为其室内自然通风适用性及舒适性分析提供参考数据。 在进行本项目风环境的数值模拟计算中,首先,为保证数值模型中所模拟的边界层具备真实大气边界层风场的自保持平衡特性(即平均风速、湍动能等重要来流特征参数穿越没有任何障碍物的空计算域不发生改变),对数值模型中网格的离散、湍流模型中参数的确定、来流边界条件的给定以及壁面参数的设定等诸多数值影响参数进行了仔细的选取。 通过这一系列数值参数的协调,从而使这一采用计算手段对建筑物风环境进行数值模拟的重要前提条件得以满足;其次,对影响钝体建筑结构绕流计算结果最为关键的因素如湍流模型的选取、非线性对流项离散格式等进行了仔细考虑,以尽量减少数值计算误差,提高数值计算结果的精度。 5.1物理模型 本报告根据委托方提供的建筑总平面图以及其他相关资料建立室外风环境模拟模型,若由于委托方提供资料不实或方案变化而导致分析差错,我方将不予保证。 模型外场尺寸选择主要考虑各个风向条件下,建筑后紊流能够充分发展,以确保模拟的准确性。 因项目最高楼高度为99.10m,根据相关工程经验并做模拟试算后,计算域的选取标准如下: 以整个模拟建筑群为基准,长宽扩大大约3倍,高度扩大2倍,将建筑群置于计算域的中心位置。 5.1.1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。 模拟分析时按大气边界层理论设置来流风速,不同地形的风速梯度不同,如图2-3所示。 图6-3不同地形大气边界层曲线图 因此,不同高度的风速不同,高度与风速的计算公式如下: 式中: Vh—高度为h处的风速,m/s; V0—基准高度h0处的风速,m/s,一般取10m处的风速; n—指数。 根据《建筑结构荷载规范》GB50009—2001,地面粗糙度可分为A、B、C、D四类: ——A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区,指数为0.12; ——B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区,指数为0.16; ——C类指有密集建筑群的城市市区,指数为0.22; ——D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区,指数为0.30; 项目室外风环境模拟时根据室外场地状况n值设置为0.22。 5.1.2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。 5.1.3收敛判断 本项目采用k-ε湍流模型的数值模拟方法,根据夏季、过渡季、冬季的环境主导风向、风速对建筑方案周边风环境进行模拟。 方案中,考虑建筑周围的相对位置、外形以及四周地形、地貌,并建立简化室外风场模型。 设置计算域计算步数为2000次,终止标准按连续性方程与动量方程残差为0.01以下。 6室外风环境模拟分析结果 根据以上数据及模型进行计算,各工况计算分析结果分别如下: 6.1工况1(冬季最盛行风,E) 模拟冬季盛行风向平均风速情况下建筑周边流场分布状况时,设定风向为E,即东风,风速为2.9m/s。 截取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、相对变化情况及建筑立面风压分布情况。 6.1.1流场与风速 7-1-1速度矢量图 7-1-2风速放大系数图 图7-1距地1.5m高度速度矢量图、风速放大系数图 图7-1为冬季盛行风向为东风(E)时平均风速条件下项目周边距地1.5m高度处流场分布情况。 颜色用以区分大小。 图中可见: 建筑背风区域不存在局部涡流,小区内部最大风速为3.83m/s,整体风速未出现超过5m/s的情况。 流场中区域平均风速为为1.32m/s,风速放大系数为1.57。 6.1.2风压 图7-2项目1.5米高风压云图(冬季盛行风E) 图7-3项目立面背风面压力分布图 图7-2为冬季盛行风向条件下,风速为2.9m/s条件下,项目1.5米高风压云图,颜色用以区分压力大小。 图中可见: 随着建筑高度增加,由于风速增加,前后压差增大,这说明对于超高层居住建筑冬季防冷风渗透性能需要增强。 由建筑物表面压力分布可以看出,除迎风面外,建筑物前后压差均小于5Pa,最大值出现在东侧建筑,约为4.2Pa,冬季不会带来过多的冷风渗透。 6.2工况2(夏季盛行风,SW) 模拟夏季平均风速情况下建筑周边流场分布状况时,设定风向为SW,即西南风,风速为2.8m/s。 截取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、相对变化情况及建筑立面风压分布情况。 6.2.1人行高度处风场分析 图7-4项目距地1.5米高处风速云图 图7-5项目距地1.5米高处风速云图 图7-4、图7-5显示: 人行区面积为235971㎡,其中风速小于0.2m/s的面积为1339㎡,占比0.6%小于5%,满足要求。 6.2.2外窗内外风压分析 图7.231.5米高处风压云图 6.3工况3(过度季最盛行风,S) 模拟过渡季盛行风情况下建筑周边流场分布状况时,设定风向为S(南风),风速为3.75m/s。 截取1.5m高度处流场、风速、风压进行分析,主要说明目标建筑周边风速大小及相对变化情况。 6.3.1风压 图7-6-1建筑迎风面风压云图 图7-6-2项目立面背风面压力分布图 图7-6项目距地1.5m高度风压云图(过渡季最盛行风S) 图7-6为过渡季主导风向S时平均风速条件下项目周边距地1.5m高度处风压云图,颜色用以区分大小。 图中可见: 区域中南侧一栋高层建筑迎风面前后压差较大,1.5m高度处建筑物前后压差约为24.71Pa,区域内其他建筑南北向压差最小值为2.24Pa。 所有建筑表面南北向平均压差大于0.5Pa,可形成良好的自然通风。 7结论 本报告主要对项目室外风环境状况进行模拟,分夏季、过渡季、冬季盛行风向3个工况对建筑周边人行区域风环境的舒适性进行分析,得出以下结论: 7.1舒适性 冬季小区内部最大风速为3.83m/s,整体风速未出现超过5m/s的情况。 流场中区域平均风速为1.32m/s,风速放大系数为1.57。 冬季除迎风面外建筑最大压差为4.2Pa。 7.2自然通风 项目主楼体量较大,夏季和过渡季在盛行风条件下迎风面和背风面压差较大,有利于室内利用自然通风: 1、夏季区域内建筑南北向压差最小值为3.32Pa;过渡季区域内建筑南北向压差最小值为2.24Pa,所有建筑表面南北向平均压差大于0.5Pa,可形成良好的自然通风。 2、夏季及过渡季场地内人活动区不出现涡旋或无风区。 7.3达标判断 根据上述分析,所评估本项目: 整体满足《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2014第4.2.6条对住宅建筑室外风环境的评价要求如下: 第4.2.6条规定“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,评价总分值为6分,并按下列规则分别评分并累计: 1在冬季典型风速和风向条件下,按下列规则分别评分并累计: 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,得2分; 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,得1分 2过渡季、夏季典型风速和风向条件下,按下列规则分别评分并累计: 1)场地内人活动区不出现涡旋或无风区,得2分; 2)50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于0.5Pa,得1分。
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