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1、 廣東機電職業技術學院鐘落潭校區綜合廣東機電職業技術學院鐘落潭校區綜合 實訓樓實訓樓 S1 項目項目 室外風環境模擬分析報告室外風環境模擬分析報告 二一九年二一九年十一十一月月 審核 校核 編寫 目 錄 1 模擬概述.1 1.1 項目概況.1 1.2 氣候概況.1 1.3 風環境影響.2 1.4 參考依據.2 1.5 評價標準.3 2 分析流程.3 2.1 評價方法.3 2.2 幾何模型.4 2.3 網格劃分.5 2.4 湍流模型.5 2.5 邊界條件.6 2.6 數學模型.7 2.7 求解方法.8 2.7.1 算法說明.8 2.7.2 差分格式.8 2.8 模擬工況.8 3 結果分析.9 32、.1 工況 1（夏季、過渡季工況）.9 3.2 工況 2（冬季工況）.12 4 結論.15 室外風環境模擬分析報告 1 模擬概述模擬概述 1.1 項目概況項目概況 本工程位于白云區鐘落潭鎮馬瀝村廣東機電職業技術學院鐘落潭校區西南角，臨近學校西門，地塊現狀為駕校訓練場地，北側為汽車實訓樓，東側為校區運動場（后期規劃建設 2 棟學生宿舍樓）。項目用地面積 10266 平方米，總建筑面積 28944.8 平方米，建筑基底面積 3139.1平方米。校區綜合容積率 0.78，校區綠地率 41%。本工程為地上八層、地下一層的高層公共建筑，建筑高度為 35 米，建筑面積為 28944.8 平方米。地上建筑面3、積 24946.2 平方米，地下一層建筑面積 3998.6 平方米。本工程學生總人數約為 1200 人，機動車位 98 個。項目擬申報廣東省綠色建筑二星 B 級。圖 1.1 項目效果圖 1.2 氣候概況氣候概況 廣州地處亞熱帶沿海，北回歸線從中南部穿過，屬海洋性亞熱帶季風氣候，以溫暖多雨、光熱充足、夏季長、霜期短為特征。全年平均氣溫 20-22 為攝氏度，是中國年平均溫差最小的大城市之一。一年中最熱的月份是 7 月，月平均氣溫達 28.7。最冷月為 1 月份，月平均氣溫為 916。平均相對濕度 77%，市區年降雨量約為 1720 毫米。全年中，4 至 6 月為雨季，7至 9 月天氣炎熱，多臺風4、，10 月、11 月、和 3 月氣溫適中，12 至 2 月為陰涼的冬季。全年水熱同期，雨量充沛，利于植物生長，為四季常綠、花團錦簇的“花城”。1 室外風環境模擬分析報告 1.3 風環境影響風環境影響 建筑群和高大建筑物會顯著改變城市近地面層風場結構。近地風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雜的關系。在有較強來流時，建筑物周圍某些地區會出現強風；如果這些強風區出現在建筑物入口、通道、露臺等行人頻繁活動的區域，則可能使行人感到不舒適、甚至帶來傷害，形成惡劣的風環境問題。在一般的氣候條件下，他們直接影響著城市環境的小氣候和環境的舒適性；一旦遇到大風，這種影響往往5、會變成災害，使建筑外墻局部的玻璃幕墻、窗扇、雨棚等受到破壞，威脅著室內外的安全。調查統計顯示：在建筑周圍行人區，若平均風速 v5 m/s 的出現頻率小于 10%，行人不會有什么抱怨（在 10%大風情況下建筑周圍行人區風速小于 5 m/s，即可認為建筑周圍行人區是舒適的）；頻率在 10%20%之間，抱怨將增多；頻率大于 20%則應采取補救措施以減小風速。另外，行人在風速分布不均區域活動時，若在小于 2m 的距離內平均風速變化達 70%，即從低風速區突然進入高風速區，人對風的適應能力將大減。因此在設計階段，應對建筑物的室外風環境做出評價，分析建筑之間位置關系對室外風環境的影響。同時，室外風環境深刻6、影響建筑室內風環境，特別對建筑防風與自然通風有著決定性影響。冬季建筑防風，有效減少氣流滲透，降低采暖能耗，而夏季與過渡季節的自然通風則能降低建筑空調能耗。自然通風主要有以下 3 種作用：舒適通風、降溫通風、健康通風。通過通風增加人的舒適度，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到空氣中去；同時通過通風，為室內提供新鮮空氣，降低室內二氧化碳濃度。建筑室外風環境模擬分析，主要考慮室外風場以及室外風環境對室內環境影響兩方面內容。本報告綜合考慮風速、風壓兩個因素，對廣東機電職業技術學院鐘落潭校區綜合實訓樓S1 項目周邊的風環境進行分析評價，并進一步為室內自然通風適用與否7、以及舒適性分析提供參考數據。1.4 參考依據參考依據 本項目主要參照資料為：廣東省綠色建筑評價標準DBJ/T15-83-2017 建筑通風效果測試與評價標準（JGJ/T 309-2013）綠色建筑評價技術細則 委托方提供的項目總平面圖、建筑專業設計圖紙、設計效果圖等圖紙資料 民用建筑設計通則（GB 50352-2005）2 室外風環境模擬分析報告 委托方提供的其他相關資料 1.5 評價標準評價標準 廣東省綠色建筑評價標準 DBJ/T15-83-2017 中 4.2.6 條對建筑的室外風環境狀況提出了明確的要求：4.2.6 場地內風環境有利于室外行走、活動舒適和建筑的自然通風。評分規則如下：1)8、冬季典型風速和風向條件下評分規則：建筑物周圍人行區風速低于 5m/s，且室外風速放大系數小于 2，得 2 分；除迎風第一排建筑外，建筑迎風面與背風面表面風壓差不超過 5Pa，再得 1 分；2)過渡季、夏季典型風速和風向條件下：場地內人活動區不出現渦旋或無風區，得 2 分；50%以上可開啟外窗室內外表面的風壓差大于 0.5Pa，得 1 分。2 分析流程分析流程 本報告主要對項目及周邊的風場分布狀況及其對室內通風的影響進行分析，驗證其是否滿足其是否達到第 4.2.6 條一般項的相關要求。2.1 評價方法評價方法 建筑通風效果的測評方法包括風洞實驗、模型試驗和數值模擬三種，分別針對室外和室內兩部分。9、室外通風涉及的室外風場范圍非常大，采用前兩種方法的成本過高并且周期很長，可行性較差。模擬實驗是計算流體力學 CFD（Computational Fluid Dynamics）在建筑通風模擬評價領域的應用，可以大大降低測試成本，縮減評價周期。本項目采用斯維爾 Vent2016 軟件實現建筑室外風環境的數值模擬評價。斯維爾 Vent2016 軟件依據 CFD 基本求解原理和流程，緊貼綠色建筑評價標準GB/T 50378-2006 和綠色建筑設計標準DB11/938-2012 對風速和風壓的要求，以及建筑通風效果測試與評價標準 JGJ/T309-2013 標準對于模擬評價的要求；并且軟件構建于 Au10、toCAD 平臺，形成基于 BIM 技術并被 CFD 計算核心識別的模擬模型。3 室外風環境模擬分析報告 同時，軟件根據建筑風環境模型的特征實現了“一鍵式”操作的智能化計算，涵蓋了模型處理、網格劃分和網格質量判斷、模擬工況數據庫、計算參數設置、迭代求解控制、結果管理的整個流程。此外，Vent2016 通過實驗測試（參照權威的 AIJ 風洞模擬數據），模擬值與實測值誤差小于 20%。綜上所述，本項目選擇采用 Vent2016 軟件。2.2 幾何模型幾何模型 本報告根據委托方提供的建筑總平面圖以及其他相關資料建立項目的室外風環境模擬模型。室外通風的幾何模型實際為包圍建筑群的風場范圍，該風場范圍確定11、了計算區域，以下為本項目風場范圍創建。通過 Vent 模型觀察功能分析模型中包括項目中建筑物的高度以及分布情況，并通過建筑總平面圖分析建筑群整體尺寸，依據建筑通風效果測試與評價標準（JGJ/T 309-2013）對于室外風場尺寸的要求，軟件自動創建合適的風場范圍。模型觀察如下圖所示：4 室外風環境模擬分析報告 圖2.1 項目建筑群模型觀察 2.3 網格劃分網格劃分 網格參數對網格劃分的精度和效果起決定性作用。網格太密會導致計算速度下降并浪費計算資源；網格太疏導致計算精度不足結果不夠準確，合理的網格方案需要考慮對計算域中不同的部分采用不同的網格方案。Vent2016 充分考慮以下影響網格劃分和網12、格質量的因素：建筑附近或者遠離建筑的區域：前者要求網格較密，后者網格密度可以適當減?。毁N近地面的區域：網格需要加密以捕捉地面摩擦力對近地面層風場的影響；貼近建筑的區域：網格需要加密以捕捉建筑表面摩擦力對靠近建筑表面風場的影響；有明顯局部特征的建筑物輪廓：如較大尺寸的尖角、凹槽、凸起，網格需要加密捕捉局部特征對風場的影響；2.4 湍流模湍流模型型 湍流模型反映了流體流動的狀態，在流體力學數值模擬中，不同的流體流動應該選擇合適的湍流模型才會最大限度模擬出真實的流場數值。Vent2016 依據建筑通風效果測試與評價標準JGJ/T 309-2013 推薦的 RNG k 湍流模型進行室外流場計算。下表為13、幾種工程流體中常見的湍流模型適用性：表 2.1 常用湍流模型適用范圍 常用湍流模型 特點和適用工況 standard k-模型 簡單的工業流場和熱交換模擬，無較大壓力梯度、分離、強曲率流，適用于初始的參數研究 RNG k-模型 適合包括快速應變的復雜剪切流、中等旋渦流動、局部轉捩流如邊界層分離、鈍體尾跡渦、大角度失速、房間通風、室外空氣流動 realizable k-模型 旋轉流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流，類似于 RNG 5 室外風環境模擬分析報告 2.5 邊界條件邊界條件 邊界條件為進行數值模擬計算的必要條件，對于建筑風場，需要輸入風場的入口和出口邊界條件。1)入口風設置 14、風場入口平均風速為風場計算的必要邊界條件，Vent2016 依據民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范（GB50736-2012）提供全國各地冬夏兩季的風速數據庫，過渡季節的風速要以當地氣象資料作為參考。項目的入口風速參考數據庫中項目所在地的冬季氣象資料，具體數據見 2.8 章模擬工況。2)梯度風 由于隨著高度的增加，風速會增大，而且風速隨高度增大的規律還與地面粗糙度有關。Vent2016 參考建筑通風效果測試與評價標準JGJ/T 309-2013，采用指數函數梯度風。四類地貌（不同地面粗糙度）中平均風速隨高度變化的規律：=RzzR 式中：、z任何一點的平均風速和高度；R、Rz標準高度Rz處的平均15、風速R和標準高度值，建筑結構荷載規范GB50009-2001 規定自然風場的標準高度取 10m；地面粗糙度指數，其取值如下表；表 2.2 不同類型地表面下的值與梯度風高度表 地面類型 適用區域 指數 n A 近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠地區 0.12 B 田野鄉村、叢林、丘陵，房屋較稀疏的鄉鎮和城市郊區 0.16 C 密集建筑群的城市市區 0.22 D 密集建筑群且房屋較高的城市市區 0.30 3)出流邊界條件 建筑出流面上空氣流動按湍流充分發展考慮，邊界條件按自由出口設定。6 室外風環境模擬分析報告 2.6 數學模型數學模型 CFD 方法是針對流體流動的質量守恒、動量守恒和能量守恒建立數16、學控制方程，其一般形式如下表 2 所示：()()()SgraddivUdivt+=+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，其具體表現形式如表 2.3。表 2.3 計算流體力學的控制方程 名稱 變量 S 連續性方程 1 0 0 x 速度 u teff+=+xwzxvyxuxxPeffeffeff y 速度 v teff+=+ywzyvyyuxyPeffeffeff z 速度 w teff+=gzwzzvyzuxzPeffeffeff+湍流 動能 k effk+BkGG 湍流 耗散 eff()RkCGCGkCBk+2231 溫度 T Tt+Pr TS 表 2.3 中17、的常數如下：2SGtk=，ijijSSS2=，+=jiijijxuxuS21，yTgGTtTB=，2kCt=，0845.0=C，42.11=C，68.12=C，223tanhwuvC+=，85.0=T，7.0=C，7 室外風環境模擬分析報告=k 由 eff=+3679.006321.003929.23929.23929.13929.1計算 其中 0.10=。如果 eff，則 393.1=k()()kCR23031/1+=，其中/Sk=，38.40=，012.0=2.7 求解方法求解方法 2.7.1 算法說明算法說明 目前 CFD 計算方法方法主要采用有限差分法和有限體積法。一般情況下，兩者的數18、學本質及其表達是相同的，只是物理含義有所區別，有限差分基于微分的思想，有限體積基于物理守恒的原理。Vent2016 軟件采用有限體積法，同時采用壓強校正法（SIMPLE）處理連續性方程，將運動方程的差分方程代入連續性方程建立起基于連續性方程代數離散的壓強聯系方程，求解壓強量或壓強調整量。2.7.2 差分格式差分格式 CFD 計算需要將 CFD 數學模型中的高度非線性的方程離散為可用于求解的方程，這個過程需要用到差分方法。Vent2016 采用二階迎風格式對方程進行離散，二階迎風格式的準確性可滿足一般流體模擬計算的要求，同時滿足建筑通風效果測試與評價標準JGJ/T 309-2013 對于數值模擬19、算法的要求。2.8 模擬工況模擬工況 根據廣東省建筑氣象參數標準，選取全年各季節主導風向作為分析的工況見下表 2.4。表 2.4 計算選取的風速與風向 季節 風向 風速（m/s）夏季、過渡季工況 292.5 2.30 冬季 67.5 2.70 8 室外風環境模擬分析報告 說明：風向逆時針為正，正東為 0，正北為 90，正西為 180，正南為 270。圖 2.8-1 風向示意圖 3 結果分析結果分析 3.1 工況工況 1（夏季（夏季、過渡季工況）過渡季工況）模擬夏季、過渡季平均風速情況下的建筑周邊流場分布狀況時，設定風向為東南風。1)風速矢量圖 9 室外風環境模擬分析報告 圖 3.1 人行高度處20、風速矢量圖 圖 3.1 為夏季、過渡季典型工況下人行高度處風速矢量分布圖，可以看出：人行高度通風流暢，設計建筑與周邊建筑的合適間距和朝向布局改善了人行高度處的風環境質量，周圍沒有形成較大的渦流區域。2)風速云圖 10 室外風環境模擬分析報告 圖 3.2 人行高度處風速云圖 圖 3.2 為夏季、過渡季典型工況下人行高度處風速云圖，可以看出：人行高度 1.5 米處的風速基本都處于合理的范圍之內，建筑物周圍室外風速大部分在 0m/s3.20m/s 之間，室外整體風速小于 5m/s，強風區較少，能基本滿足夏季、過渡季人們在室外進行正常活動、行走的要求。11 室外風環境模擬分析報告 3.2 工況工況 221、（冬冬季工況）季工況）模擬冬季平均風速情況下的建筑周邊流場分布狀況時，設定風向為東北風。1)冬季風速放大系數云圖 圖 3.3 冬季風速放大系數云圖 圖 3.3 為冬季典型工況下冬季風速放大系數云圖，可以看出：人行高度 1.5 米處的風速放大系數基本都處于合理的范圍之內，系數大部分處于 01.91 之間，氣流組織均勻能有效避免由于高層建筑所導致局部風速過大，行人舉步維艱或強風卷刮物體傷人等事故的發生。12 室外風環境模擬分析報告 2)風速云圖 圖 3.4 人行高度處風速云圖 圖 3.4 為冬季典型工況下人行高度處風速云圖，可以看出：人行高度處的風速基本都處于0m/s3.59m/s 范圍之內，風速22、大小在人體舒適度要求范圍之內，可不進行采取過多的防風措施。13 室外風環境模擬分析報告 3）建筑迎風面、背風面表面壓力分布 圖 3.5 建筑表面迎風側壓力分布 圖 3.6 建筑表面背風側壓力分布 14 室外風環境模擬分析報告 圖 3.5 和圖 3.6 為冬季風典型工況下建筑表面迎風側和背風側壓力分布圖，本項目建筑迎風面和背風面表面的風壓差約為 4.19Pa，可為室內自然通風創造有效的驅動力，保證舒適的室內風環境。4 結論結論 通過對廣東機電職業技術學院鐘落潭校區綜合實訓樓 S1 項目全年各主導風向下的室外風環境模擬進行總結，并按照廣東省綠色建筑評價標準DBJ/T15-83-2017 中第 4.23、2.6 條進行得分判定，如下表所示：表 4.1 各主導風向下的各模擬結果與標準值 各主導風向評價標準 指標參數 模擬結果 得分 冬季 夏季、過渡季 東北風 東南風 場地內的風速值 模擬范圍（m/s）3.59 3.20 2 標準范圍（m/s）5 風速放大系數 模擬值 1.91 標準范圍 2 迎風面與背風面的風壓差 模擬范圍（Pa）4.19 1 標準范圍（Pa）5 夏季、過渡季場地風環境 無風區和漩渦區 無 2 外窗室內外風壓差達 0.5 Pa 比例 模擬范圍（Pa）0 標準范圍（Pa）50%注：“”表示該評價要點不作要求。（1）在冬季室外主導風向下，項目主要通過建筑物之間間距來改善首層公共活動區域風環境。主要活動區域的風速基本都處于 0m/s3.59m/s 之間，風速放大系數基本處于 01.91之間，建筑迎風面與背風面表面風壓差約為 4.19Pa，有利于室內自然通風，符合評價要求。（2）在夏季以及過渡季節主導風向下，場地內人活動區不出現渦旋或無風區。根據上述各個季節室外風環境分析結果，建筑物設計規劃合理，符合標準評價要求，因此本評價條文可得 5 分。15