十七中室外風(fēng)環(huán)境模擬分析報告

1、室外風(fēng)環(huán)境模擬分析報告 北京市第十七中學(xué)分校改擴(kuò)建工程建 筑 專 業(yè)主 持 人：（設(shè)計總負(fù)責(zé)人） 審 定 人： 校 審 人： 計 算 人： 北京中帝恒成建筑設(shè)計有限公司2016年 02月18日目 錄1建筑概況22評價依據(jù)23分析方法23.1原理概述23.2模擬軟件33.3計算原理33.4模型設(shè)置43.5參數(shù)設(shè)置54評價標(biāo)準(zhǔn)65模擬結(jié)果和分析65.1風(fēng)環(huán)境模擬模型65.2工況1（冬季平均風(fēng)速工況）65.3工況2（夏季平均風(fēng)速工況）85.4工況3（過渡季平均風(fēng)速工況）96結(jié)論101 建筑概況工程名稱北京市第十七中學(xué)分校改擴(kuò)建工程工程地點北京市朝陽區(qū)第十七中學(xué)百子灣校區(qū)內(nèi)氣候子區(qū)寒冷建筑面積地上58

2、61.93 地下3321.8建筑層數(shù)地上5 地下2建筑高度地上18.0m 地下8.4m北向角度02 評價依據(jù)1. 北京市綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)DB11T825-20112. 民用建筑設(shè)計通則GB 5035220053. 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范GB5073620124. 實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊3 分析方法3.1 原理概述建筑群和高大建筑物會顯著改變城市近地面層風(fēng)場結(jié)構(gòu)。近地風(fēng)的狀況與建筑物的外形、尺 寸、建筑物之間的相對位置以及周圍地形地貌有著很復(fù)雜的關(guān)系。在有較強來流時，建筑物周圍某些地區(qū)會出現(xiàn)強風(fēng)；如果這些強風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在建筑物入口、通道、露臺等行人頻繁活動的區(qū)域，則可能使行人感到不舒適、甚

3、至帶來傷害，形成惡劣的風(fēng)環(huán)境問題。在一般的氣候條件下，他們直接影響著城市環(huán)境的小氣候和環(huán)境的舒適性；一旦遇到大風(fēng)，這種影響往往會變成災(zāi)害，使建筑外墻局部的玻璃幕墻、窗扇、雨棚等受到破壞，威脅著室內(nèi)外的安全。高層建筑群室外人行區(qū)域最容易形成再生風(fēng)和二次風(fēng)問題，導(dǎo)致冬季室外風(fēng)速過大，行人難以停留。圖1 室外空氣流動與建筑之間所產(chǎn)生的效用示意圖建筑合理布局是改善室外行人區(qū)熱舒適的關(guān)鍵；主要是避免在寒冷冬季室外行人區(qū)風(fēng)速加速，如風(fēng)巷效應(yīng)，同時在與冬季主導(dǎo)風(fēng)向垂直方向最好增加裙房，加大底座尺寸，避免沖刷效應(yīng)和邊角效應(yīng)等，如圖1所示。調(diào)查統(tǒng)計顯示：在建筑周圍行人區(qū)，若平均風(fēng)速V5 m/s的出現(xiàn)頻率小于10

4、%，行人不會有什么抱怨（在10%大風(fēng)情況下建筑周圍行人區(qū)風(fēng)速小于5 m/s，即可認(rèn)為建筑周圍行人區(qū)是舒適的）；頻率在10%20%之間，抱怨將增多；頻率大于20%則應(yīng)采取補救措施以減小風(fēng)速。另外，行人在風(fēng)速分布不均區(qū)域活動時，若在小于2m的距離內(nèi)平均風(fēng)速變化達(dá)70%，即從低風(fēng)速區(qū)突然進(jìn)入高風(fēng)速區(qū)，人對風(fēng)的適應(yīng)能力將大減。因此在設(shè)計階段，應(yīng)對建筑物的室外風(fēng)環(huán)境做出評價，分析建筑之間位置關(guān)系對室外風(fēng)環(huán)境的影響。 同時，室外風(fēng)環(huán)境深刻影響建筑室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，特別對建筑防風(fēng)與自然通風(fēng)有著決定性影響。冬季建筑防風(fēng)，有效減少氣流滲透，降低采暖能耗，而夏季與過渡季節(jié)的自然通風(fēng)則能降低建筑空調(diào)能耗。自然通風(fēng)主要有以

5、下 3 種作用：舒適通風(fēng)、降溫通風(fēng)、健康通風(fēng)。通過通風(fēng)增加人的舒適度，從而提高人體熱舒適感覺；通過建筑周圍氣流將建筑周邊以及房間里的熱量散發(fā)到空氣中去；同時通過通風(fēng)，為室內(nèi)提供新鮮空氣，降低室內(nèi)二氧化碳濃度。建筑室外風(fēng)環(huán)境模擬分析，主要考慮室外風(fēng)場以及室外風(fēng)環(huán)境對室內(nèi)環(huán)境影響兩方面內(nèi)容。3.2 模擬軟件本項目采用 CFD 手段對建筑及周圍的微環(huán)境進(jìn)行模擬分析，評價室外流場分布狀況。模擬計算采用的Phoenics軟件可以對三維穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的可壓縮流或不可壓縮流進(jìn)行模擬，包括非牛頓流、多孔介質(zhì)中的流動，并且可以考慮粘度、密度、溫度變化的影響。在流體模型上面，Phoenics內(nèi)置了22種適合于各種R

6、e數(shù)場合的湍流模型，包括雷諾應(yīng)力模型、多流體湍流模型和通量模型及ke模型的各種變異，共計21個湍流模型，8個多相流模型，10多個差分格式，由于較好的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的適應(yīng)性，使得Phoenics能達(dá)到較佳的收斂速度和求解精度。廣泛的應(yīng)用于航空航天、能源動力、船舶水利、暖通空調(diào)、建筑、石油化工、冶金及核工業(yè)領(lǐng)域。3.3 計算原理CFD 方法是針對流體流動的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒建立數(shù)學(xué)控制方程，其一般形式如下所示：該式中的可以是速度、湍流動能、湍流耗散率以及溫度等。針對不同的方程，其具體表現(xiàn)形式如表1。表1 計算流體力學(xué)的控制方程名稱變量連續(xù)性方程100x 速度y 速度z 速度湍流動能湍流耗散溫

7、度表1中的常數(shù)如下：， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 由 計算其中 。如果 ，則 ， 其中 ， ， 3.4 模型設(shè)置本報告根據(jù)建筑總平面圖以及其他相關(guān)資料建立本項目的室外風(fēng)環(huán)境模擬模型，分析模型中包括本項目的建筑物及其周邊建筑物。模型外場尺寸選擇主要以不影響建筑群邊界氣流流動為準(zhǔn)，外場計算尺寸為298m292m90 m（寬長高）。劃分工具采用PHOENICS軟件自帶網(wǎng)格工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，此過程中考慮了多種網(wǎng)格劃分方 式，如果網(wǎng)格劃分過細(xì)，會造成計算速度降低過大，局部網(wǎng)格畸變嚴(yán)重等問題，如果網(wǎng)格劃分過大，會造成計算精度下降，局部無法識別等問題，在綜合考慮網(wǎng)格質(zhì)量、計算速度和精度，以及充

8、分考慮了建筑體量和建筑物所在基地大小的基礎(chǔ)上，選擇XYZ=10211040，共個網(wǎng)格進(jìn)行計算，主要區(qū)域網(wǎng)格尺寸為2m。網(wǎng)格效果如圖2所示。圖2 網(wǎng)格效果圖3.5 參數(shù)設(shè)置1) 梯度風(fēng)設(shè)置建筑來流方向風(fēng)速為均勻分布，不同高度平面上的來流風(fēng)速大小沿建筑高度方向按梯度遞增。模擬分析時按大氣邊界層理論設(shè)置來流風(fēng)速，不同地形的風(fēng)速梯度不同。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不同地貌情況下入口梯度風(fēng)的指數(shù)取值如表2所示。根據(jù)項目周邊情況，模擬中梯度風(fēng)指數(shù)取城市郊區(qū)類的值。表2 大氣邊界層不同地貌的值類別空曠平坦地面城市郊區(qū)大城市中心0.140.220.282) 模擬說明鑒于此項目主要分析人行高度處的風(fēng)環(huán)境質(zhì)量，因此，可以選取

9、人行高度1.5m處的風(fēng)速矢量 圖、云圖、建筑整體表面壓力分布圖來說明其周圍的風(fēng)環(huán)境狀況，并給予分析及評價。3) 出流邊界條件建筑出流面上空氣流動按湍流充分發(fā)展考慮,邊界條件按自由出口設(shè)定。4) 計算曲線Phoenics數(shù)值模擬代數(shù)方程的終止標(biāo)準(zhǔn)按連續(xù)性方程與動量方程殘差為1.0E2，但由于計算量較大，根據(jù)經(jīng)驗，監(jiān)測點值變化不大時，就可認(rèn)為計算準(zhǔn)確，本次模擬所有工況迭代次數(shù)均在2000次以上。5) 模擬工況本項目位于北京市，根據(jù)實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊確定模擬工況，各工況的具體風(fēng)向和風(fēng)速設(shè)置如表3所示。表3 模擬工況序號相應(yīng)工況需分析的內(nèi)容主導(dǎo)風(fēng)向環(huán)境平均風(fēng)速（m/s）工況1冬季平均風(fēng)速條件下的防風(fēng)

10、狀況NE2.6工況2夏季平均風(fēng)速條件下的自然通風(fēng)狀況SSW2.2工況3過渡季平均風(fēng)速條件下的自然通風(fēng)狀況NW2.24 評價標(biāo)準(zhǔn)北京市綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)DB11/T825-2011第5.1.9條規(guī)定：優(yōu)化場地風(fēng)環(huán)境，保證室外活動區(qū)域的舒適性和建筑通風(fēng)，控制建筑物周圍人行區(qū)域距地面1.5m高處的風(fēng)速低于5m/s。5 模擬結(jié)果和分析5.1 風(fēng)環(huán)境模擬模型參評建筑5.2 工況1（冬季平均風(fēng)速工況）模擬冬季平均風(fēng)速情況下的建筑周邊流場分布狀況時，設(shè)定風(fēng)向為NE，風(fēng)速為2.6m/s。1. 風(fēng)速矢量圖解析：由圖可以看到，項目東向為操場，較為開闊，氣流主要從東北方向角進(jìn)入?yún)⒃u區(qū)，北側(cè)和西側(cè)的周邊建筑起到了一定的

11、擋風(fēng)作用，有利于參評區(qū)的冬季防風(fēng)。參評建筑周邊風(fēng)速均小于 5m/s。2. 風(fēng)速云圖最大風(fēng)速2.3m/s解析：風(fēng)速分布在0.02 2.3m/s之間，最大風(fēng)速出現(xiàn)在宿舍樓東南角，風(fēng)速放大系數(shù)約為1.2。冬季室外風(fēng)速適宜，不影響室外行人的正?；顒拥耐瑫r，有利于排除參評區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的污濁氣體。5.3 工況2（夏季平均風(fēng)速工況）模擬夏季平均風(fēng)速情況下的建筑周邊流場分布狀況時，設(shè)定風(fēng)向為SSW，風(fēng)速為2.2m/s。 1. 風(fēng)速矢量圖解析：西南向周邊建筑布局相對稀疏，氣流阻力小。故夏季室外氣流組織順暢，可以促進(jìn)參評區(qū)內(nèi)污濁空氣的擴(kuò)散。參評建筑周邊風(fēng)速均小于 5m/s。2. 風(fēng)速云圖最大風(fēng)速2.5m/s解析：參評

12、區(qū)受到周邊建筑的遮擋影響小，人行高度處的風(fēng)速分布在0.5 2.5m/s之間，風(fēng)速大小適宜，最大風(fēng)速出現(xiàn)在宿舍樓的西側(cè)，風(fēng)速放大系數(shù)1.3。故本項目夏季室外風(fēng)速大小適宜，氣流組織順暢，可以促進(jìn)夏季參評區(qū)的散熱，且不會對行人的室外活動產(chǎn)生不利影響。5.4 工況3（過渡季平均風(fēng)速工況）模擬過渡季平均風(fēng)速情況下的建筑周邊流場分布狀況時，設(shè)定風(fēng)向為NW，風(fēng)速為2.2m/s。1. 風(fēng)速矢量圖解析：過渡季室外氣流組織順暢，可以促進(jìn)參評區(qū)內(nèi)污濁空氣的擴(kuò)散。參評建筑周邊風(fēng)速均小于5m/s。2. 風(fēng)速云圖最大風(fēng)速3m/s解析：人行高度處的風(fēng)速處于合理的范圍之內(nèi)，風(fēng)速分布在0.2 3m/s之間，最大風(fēng)速出現(xiàn)在宿舍樓的東北角，風(fēng)速放大系數(shù)1.4。參評區(qū)內(nèi)過渡季風(fēng)速大小適宜，氣流組織非常順暢，可以保證參評區(qū)與外界的空氣有效交換，故過渡季室外風(fēng)環(huán)境良好。6 結(jié)論本報告主要對十七中學(xué)宿舍樓室外風(fēng)環(huán)境狀況進(jìn)行模擬，選取了夏季、冬季和過渡季平均風(fēng)速工況對建筑周邊人行區(qū)域環(huán)境的舒適性進(jìn)行分析，室外風(fēng)環(huán)境模擬風(fēng)速及其放大系數(shù)匯總?cè)绫?所示。表4 本項目室外風(fēng)速狀況序號相應(yīng)工況需分析的內(nèi)容最大風(fēng)速（m/s）最大風(fēng)速放大系數(shù)達(dá)標(biāo)判斷工況1冬季平均風(fēng)速條件下的防風(fēng)狀況2.31.2工況