1、 广东机电职业技术学院钟落潭校区综合广东机电职业技术学院钟落潭校区综合 实训楼实训楼 S1 项目项目 室外风环境模拟分析报告室外风环境模拟分析报告 二一九年二一九年十一十一月月 审核 校核 编写 目 录 1 模拟概述.1 1.1 项目概况.1 1.2 气候概况.1 1.3 风环境影响.2 1.4 参考依据.2 1.5 评价标准.3 2 分析流程.3 2.1 评价方法.3 2.2 几何模型.4 2.3 网格划分.5 2.4 湍流模型.5 2.5 边界条件.6 2.6 数学模型.7 2.7 求解方法.8 2.7.1 算法说明.8 2.7.2 差分格式.8 2.8 模拟工况.8 3 结果分析.9 32、.1 工况 1（夏季、过渡季工况）.9 3.2 工况 2（冬季工况）.12 4 结论.15 室外风环境模拟分析报告 1 模拟概述模拟概述 1.1 项目概况项目概况 本工程位于白云区钟落潭镇马沥村广东机电职业技术学院钟落潭校区西南角，临近学校西门，地块现状为驾校训练场地，北侧为汽车实训楼，东侧为校区运动场（后期规划建设 2 栋学生宿舍楼）。项目用地面积 10266 平方米，总建筑面积 28944.8 平方米，建筑基底面积 3139.1平方米。校区综合容积率 0.78，校区绿地率 41%。本工程为地上八层、地下一层的高层公共建筑，建筑高度为 35 米，建筑面积为 28944.8 平方米。地上建筑面3、积 24946.2 平方米，地下一层建筑面积 3998.6 平方米。本工程学生总人数约为 1200 人，机动车位 98 个。项目拟申报广东省绿色建筑二星 B 级。图 1.1 项目效果图 1.2 气候概况气候概况 广州地处亚热带沿海，北回归线从中南部穿过，属海洋性亚热带季风气候，以温暖多雨、光热充足、夏季长、霜期短为特征。全年平均气温 20-22 为摄氏度，是中国年平均温差最小的大城市之一。一年中最热的月份是 7 月，月平均气温达 28.7。最冷月为 1 月份，月平均气温为 916。平均相对湿度 77%，市区年降雨量约为 1720 毫米。全年中，4 至 6 月为雨季，7至 9 月天气炎热，多台风4、，10 月、11 月、和 3 月气温适中，12 至 2 月为阴凉的冬季。全年水热同期，雨量充沛，利于植物生长，为四季常绿、花团锦簇的“花城”。1 室外风环境模拟分析报告 1.3 风环境影响风环境影响 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5、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。调查统计显示：在建筑周围行人区，若平均风速 v5 m/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 5 m/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。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外风环境的影响。同时，室外风环境深刻6、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。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。建筑室外风环境模拟分析，主要考虑室外风场以及室外风环境对室内环境影响两方面内容。本报告综合考虑风速、风压两个因素，对广东机电职业技术学院钟落潭校区综合实训楼S1 项目周边的风环境进行分析评价，并进一步为室内自然通风适用与否7、以及舒适性分析提供参考数据。1.4 参考依据参考依据 本项目主要参照资料为：广东省绿色建筑评价标准DBJ/T15-83-2017 建筑通风效果测试与评价标准（JGJ/T 309-2013）绿色建筑评价技术细则 委托方提供的项目总平面图、建筑专业设计图纸、设计效果图等图纸资料 民用建筑设计通则（GB 50352-2005）2 室外风环境模拟分析报告 委托方提供的其他相关资料 1.5 评价标准评价标准 广东省绿色建筑评价标准 DBJ/T15-83-2017 中 4.2.6 条对建筑的室外风环境状况提出了明确的要求：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)8、冬季典型风速和风向条件下评分规则：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；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。2 分析流程分析流程 本报告主要对项目及周边的风场分布状况及其对室内通风的影响进行分析，验证其是否满足其是否达到第 4.2.6 条一般项的相关要求。2.1 评价方法评价方法 建筑通风效果的测评方法包括风洞实验、模型试验和数值模拟三种，分别针对室外和室内两部分。9、室外通风涉及的室外风场范围非常大，采用前两种方法的成本过高并且周期很长，可行性较差。模拟实验是计算流体力学 CFD（Computational Fluid Dynamics）在建筑通风模拟评价领域的应用，可以大大降低测试成本，缩减评价周期。本项目采用斯维尔 Vent2016 软件实现建筑室外风环境的数值模拟评价。斯维尔 Vent2016 软件依据 CFD 基本求解原理和流程，紧贴绿色建筑评价标准GB/T 50378-2006 和绿色建筑设计标准DB11/938-2012 对风速和风压的要求，以及建筑通风效果测试与评价标准 JGJ/T309-2013 标准对于模拟评价的要求；并且软件构建于 Au10、toCAD 平台，形成基于 BIM 技术并被 CFD 计算核心识别的模拟模型。3 室外风环境模拟分析报告 同时，软件根据建筑风环境模型的特征实现了“一键式”操作的智能化计算，涵盖了模型处理、网格划分和网格质量判断、模拟工况数据库、计算参数设置、迭代求解控制、结果管理的整个流程。此外，Vent2016 通过实验测试（参照权威的 AIJ 风洞模拟数据），模拟值与实测值误差小于 20%。综上所述，本项目选择采用 Vent2016 软件。2.2 几何模型几何模型 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项目的室外风环境模拟模型。室外通风的几何模型实际为包围建筑群的风场范围，该风场范围确定11、了计算区域，以下为本项目风场范围创建。通过 Vent 模型观察功能分析模型中包括项目中建筑物的高度以及分布情况，并通过建筑总平面图分析建筑群整体尺寸，依据建筑通风效果测试与评价标准（JGJ/T 309-2013）对于室外风场尺寸的要求，软件自动创建合适的风场范围。模型观察如下图所示：4 室外风环境模拟分析报告 图2.1 项目建筑群模型观察 2.3 网格划分网格划分 网格参数对网格划分的精度和效果起决定性作用。网格太密会导致计算速度下降并浪费计算资源；网格太疏导致计算精度不足结果不够准确，合理的网格方案需要考虑对计算域中不同的部分采用不同的网格方案。Vent2016 充分考虑以下影响网格划分和网12、格质量的因素：建筑附近或者远离建筑的区域：前者要求网格较密，后者网格密度可以适当减小；贴近地面的区域：网格需要加密以捕捉地面摩擦力对近地面层风场的影响；贴近建筑的区域：网格需要加密以捕捉建筑表面摩擦力对靠近建筑表面风场的影响；有明显局部特征的建筑物轮廓：如较大尺寸的尖角、凹槽、凸起，网格需要加密捕捉局部特征对风场的影响；2.4 湍流模湍流模型型 湍流模型反映了流体流动的状态，在流体力学数值模拟中，不同的流体流动应该选择合适的湍流模型才会最大限度模拟出真实的流场数值。Vent2016 依据建筑通风效果测试与评价标准JGJ/T 309-2013 推荐的 RNG k 湍流模型进行室外流场计算。下表为13、几种工程流体中常见的湍流模型适用性：表 2.1 常用湍流模型适用范围 常用湍流模型 特点和适用工况 standard k-模型 简单的工业流场和热交换模拟，无较大压力梯度、分离、强曲率流，适用于初始的参数研究 RNG k-模型 适合包括快速应变的复杂剪切流、中等旋涡流动、局部转捩流如边界层分离、钝体尾迹涡、大角度失速、房间通风、室外空气流动 realizable k-模型 旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流，类似于 RNG 5 室外风环境模拟分析报告 2.5 边界条件边界条件 边界条件为进行数值模拟计算的必要条件，对于建筑风场，需要输入风场的入口和出口边界条件。1)入口风设置 14、风场入口平均风速为风场计算的必要边界条件，Vent2016 依据民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50736-2012）提供全国各地冬夏两季的风速数据库，过渡季节的风速要以当地气象资料作为参考。项目的入口风速参考数据库中项目所在地的冬季气象资料，具体数据见 2.8 章模拟工况。2)梯度风 由于随着高度的增加，风速会增大，而且风速随高度增大的规律还与地面粗糙度有关。Vent2016 参考建筑通风效果测试与评价标准JGJ/T 309-2013，采用指数函数梯度风。四类地貌（不同地面粗糙度）中平均风速随高度变化的规律：=RzzR 式中：、z任何一点的平均风速和高度；R、Rz标准高度Rz处的平均15、风速R和标准高度值，建筑结构荷载规范GB50009-2001 规定自然风场的标准高度取 10m；地面粗糙度指数，其取值如下表；表 2.2 不同类型地表面下的值与梯度风高度表 地面类型 适用区域 指数 n A 近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区 0.12 B 田野乡村、丛林、丘陵，房屋较稀疏的乡镇和城市郊区 0.16 C 密集建筑群的城市市区 0.22 D 密集建筑群且房屋较高的城市市区 0.30 3)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。6 室外风环境模拟分析报告 2.6 数学模型数学模型 CFD 方法是针对流体流动的质量守恒、动量守恒和能量守恒建立数16、学控制方程，其一般形式如下表 2 所示：()()()SgraddivUdivt+=+该式中的 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 2.3。表 2.3 计算流体力学的控制方程 名称 变量 S 连续性方程 1 0 0 x 速度 u teff+=+xwzxvyxuxxPeffeffeff y 速度 v teff+=+ywzyvyyuxyPeffeffeff z 速度 w teff+=gzwzzvyzuxzPeffeffeff+湍流 动能 k effk+BkGG 湍流 耗散 eff()RkCGCGkCBk+2231 温度 T Tt+Pr TS 表 2.3 中17、的常数如下：2SGtk=，ijijSSS2=，+=jiijijxuxuS21，yTgGTtTB=，2kCt=，0845.0=C，42.11=C，68.12=C，223tanhwuvC+=，85.0=T，7.0=C，7 室外风环境模拟分析报告=k 由 eff=+3679.006321.003929.23929.23929.13929.1计算 其中 0.10=。如果 eff，则 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 算法说明算法说明 目前 CFD 计算方法方法主要采用有限差分法和有限体积法。一般情况下，两者的数18、学本质及其表达是相同的，只是物理含义有所区别，有限差分基于微分的思想，有限体积基于物理守恒的原理。Vent2016 软件采用有限体积法，同时采用压强校正法（SIMPLE）处理连续性方程，将运动方程的差分方程代入连续性方程建立起基于连续性方程代数离散的压强联系方程，求解压强量或压强调整量。2.7.2 差分格式差分格式 CFD 计算需要将 CFD 数学模型中的高度非线性的方程离散为可用于求解的方程，这个过程需要用到差分方法。Vent2016 采用二阶迎风格式对方程进行离散，二阶迎风格式的准确性可满足一般流体模拟计算的要求，同时满足建筑通风效果测试与评价标准JGJ/T 309-2013 对于数值模拟19、算法的要求。2.8 模拟工况模拟工况 根据广东省建筑气象参数标准，选取全年各季节主导风向作为分析的工况见下表 2.4。表 2.4 计算选取的风速与风向 季节 风向 风速（m/s）夏季、过渡季工况 292.5 2.30 冬季 67.5 2.70 8 室外风环境模拟分析报告 说明：风向逆时针为正，正东为 0，正北为 90，正西为 180，正南为 270。图 2.8-1 风向示意图 3 结果分析结果分析 3.1 工况工况 1（夏季（夏季、过渡季工况）过渡季工况）模拟夏季、过渡季平均风速情况下的建筑周边流场分布状况时，设定风向为东南风。1)风速矢量图 9 室外风环境模拟分析报告 图 3.1 人行高度处20、风速矢量图 图 3.1 为夏季、过渡季典型工况下人行高度处风速矢量分布图，可以看出：人行高度通风流畅，设计建筑与周边建筑的合适间距和朝向布局改善了人行高度处的风环境质量，周围没有形成较大的涡流区域。2)风速云图 10 室外风环境模拟分析报告 图 3.2 人行高度处风速云图 图 3.2 为夏季、过渡季典型工况下人行高度处风速云图，可以看出：人行高度 1.5 米处的风速基本都处于合理的范围之内，建筑物周围室外风速大部分在 0m/s3.20m/s 之间，室外整体风速小于 5m/s，强风区较少，能基本满足夏季、过渡季人们在室外进行正常活动、行走的要求。11 室外风环境模拟分析报告 3.2 工况工况 221、（冬冬季工况）季工况）模拟冬季平均风速情况下的建筑周边流场分布状况时，设定风向为东北风。1)冬季风速放大系数云图 图 3.3 冬季风速放大系数云图 图 3.3 为冬季典型工况下冬季风速放大系数云图，可以看出：人行高度 1.5 米处的风速放大系数基本都处于合理的范围之内，系数大部分处于 01.91 之间，气流组织均匀能有效避免由于高层建筑所导致局部风速过大，行人举步维艰或强风卷刮物体伤人等事故的发生。12 室外风环境模拟分析报告 2)风速云图 图 3.4 人行高度处风速云图 图 3.4 为冬季典型工况下人行高度处风速云图，可以看出：人行高度处的风速基本都处于0m/s3.59m/s 范围之内，风速22、大小在人体舒适度要求范围之内，可不进行采取过多的防风措施。13 室外风环境模拟分析报告 3）建筑迎风面、背风面表面压力分布 图 3.5 建筑表面迎风侧压力分布 图 3.6 建筑表面背风侧压力分布 14 室外风环境模拟分析报告 图 3.5 和图 3.6 为冬季风典型工况下建筑表面迎风侧和背风侧压力分布图，本项目建筑迎风面和背风面表面的风压差约为 4.19Pa，可为室内自然通风创造有效的驱动力，保证舒适的室内风环境。4 结论结论 通过对广东机电职业技术学院钟落潭校区综合实训楼 S1 项目全年各主导风向下的室外风环境模拟进行总结，并按照广东省绿色建筑评价标准DBJ/T15-83-2017 中第 4.23、2.6 条进行得分判定，如下表所示：表 4.1 各主导风向下的各模拟结果与标准值 各主导风向评价标准 指标参数 模拟结果 得分 冬季 夏季、过渡季 东北风 东南风 场地内的风速值 模拟范围（m/s）3.59 3.20 2 标准范围（m/s）5 风速放大系数 模拟值 1.91 标准范围 2 迎风面与背风面的风压差 模拟范围（Pa）4.19 1 标准范围（Pa）5 夏季、过渡季场地风环境 无风区和漩涡区 无 2 外窗室内外风压差达 0.5 Pa 比例 模拟范围（Pa）0 标准范围（Pa）50%注：“”表示该评价要点不作要求。（1）在冬季室外主导风向下，项目主要通过建筑物之间间距来改善首层公共活动区域风环境。主要活动区域的风速基本都处于 0m/s3.59m/s 之间，风速放大系数基本处于 01.91之间，建筑迎风面与背风面表面风压差约为 4.19Pa，有利于室内自然通风，符合评价要求。（2）在夏季以及过渡季节主导风向下，场地内人活动区不出现涡旋或无风区。根据上述各个季节室外风环境分析结果，建筑物设计规划合理，符合标准评价要求，因此本评价条文可得 5 分。15