十七中室外風(fēng)環(huán)境模擬分析實(shí)施報(bào)告

1、室外風(fēng)環(huán)境模擬分析報(bào)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(jì)總負(fù)責(zé)人）審定人：校審人：計(jì)算人：北京中帝恒成建筑設(shè)計(jì)有限公司專業(yè)資料2016 年 02 月 18日專業(yè)資料目錄1建筑概況 .22評價(jià)依據(jù) .23分析法 .23.1原理概述 .23.2模擬軟件 .33.3計(jì)算原理 .33.4模型設(shè)置 .53.5參數(shù)設(shè)置 .54評價(jià)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） .75.3工況 2（夏季平均風(fēng)速工況） .95.4工況 3（過渡季平均風(fēng)速工況） .106結(jié)論 .11專業(yè)資料1 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(diǎn)

2、北京市區(qū)第十七中學(xué)百子灣校區(qū)氣候子區(qū)寒冷建筑面積地上 5861.93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0°2 評價(jià)依據(jù)1.北京市綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) DB11T825-20112.民用建筑設(shè)計(jì)通則 GB 50352 20053.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)GB50736 20124. 實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊3 分析法3.1原理概述建筑群和高大建筑物會(huì)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圍地形地貌有著很復(fù)雜的關(guān)系。在有較強(qiáng)來流時(shí)，建筑物圍某些地區(qū)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)；如果這些強(qiáng)風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在建筑

3、物入口、通道、露臺等行人頻繁活動(dòng)的區(qū)域，則可能使行人感到不舒適、甚至帶來傷害，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(huì)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。專業(yè)資料圖 1 室外空氣流動(dòng)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(shí)在與冬季主導(dǎo)風(fēng)向垂直向最好增加裙房，加大底座尺寸，避免沖刷效應(yīng)和邊角效應(yīng)等，如圖 1 所

4、示。調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示：在建筑圍行人區(qū)，若平均風(fēng)速V>5 m/s的出現(xiàn)頻率小于10% ，行人不會(huì)有什么抱怨（在10% 大風(fēng)情況下建筑圍行人區(qū)風(fēng)速小于5 m/s ，即可認(rèn)為建筑圍行人區(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(bǔ)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(dòng)時(shí)，若在小于 2m 的距離平均風(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(jì)階段，應(yīng)對建筑物的室外風(fēng)環(huán)境做出評價(jià)，分析建筑之間位置關(guān)系對室外風(fēng)環(huán)境的影響。 同時(shí)，室外風(fēng)環(huán)境深刻影響建筑室風(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)，

5、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；通過建筑圍氣流將建筑邊以及房間里的熱量散發(fā)到空氣中去；同時(shí)通過通風(fēng)，為室提供新鮮空氣，降低室二氧化碳濃度。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)境對室環(huán)境影響兩面容。3.2模擬軟件本項(xiàng)目采用CFD 手段對建筑及圍的微環(huán)境進(jìn)行模擬分析，評價(jià)室外流場分布狀況。模擬計(jì)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、 多介質(zhì)中的流動(dòng)， 并且可以考慮粘度

6、、 密度、溫度變化的影響。 在流體模型上面， Phoenics置了 22 種適合于各種Re 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k e 模型的各種變異，共計(jì) 21 個(gè)湍流模型， 8 個(gè)多相流模型， 10 多個(gè)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(dòng)力、船舶水利、暖通空調(diào)、建筑、油化工、冶金及核工業(yè)領(lǐng)域。3.3計(jì)算原理CFD 法是針對流體流動(dòng)的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒建立數(shù)學(xué)控制程，其一般形式如下所示：divUdivgradSt該式中的 可以是速度、湍流動(dòng)能、湍流耗散率以及溫度等。針

7、對不同的程，其具體表現(xiàn)形式如表 1。專業(yè)資料名稱變量連續(xù)性程10x 速度ueffty 速度vefftz 速度wefft湍流kkeff動(dòng)能湍流eff耗散溫度TtPrT表 1 中的常數(shù)如下：Gkt S 2 ， S2Sij Sij， SijC0.0845 ， C11.42， C 20.6321k由1.39291.392900其中0 1.0。如果eff ，則C31/02R， 其中13k表 1 計(jì)算流體力學(xué)的控制程S0PeffueffvxxxyxPeffueffvyxyyyPeffueffvzxzyzGkGB2C1 k G kC3 GBC2kRST1u jui， GBT gtT2xix j，Ty1.68

8、 ， C3vtanhw 2，Tu 22.39290.3679計(jì)算2.3929effk1.393Sk/，0 4.38 ，0.012weffzxweffzyweffgzztCk 2，0.85，C0.7 ，專業(yè)資料3.4模型設(shè)置本報(bào)告根據(jù)建筑總平面圖以及其他相關(guān)資料建立本項(xiàng)目的室外風(fēng)環(huán)境模擬模型，分析模型中包括本項(xiàng)目的建筑物及其邊建筑物。模型外場尺寸選擇主要以不影響建筑群邊界氣流流動(dòng)為準(zhǔn)，外場計(jì)算尺寸為298m × 292m × 90 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)格劃分式，如果網(wǎng)格

9、劃分過細(xì)，會(huì)造成計(jì)算速度降低過大，局部網(wǎng)格畸變重等問題，如果網(wǎng)格劃分過大，會(huì)造成計(jì)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(jì)算速度和精度，以及充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X× Y× Z=102 ×110× 40 ，共 448800個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)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)速大小沿建筑高度向按梯度遞增。模擬分析時(shí)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

10、指數(shù)取值如表2 所示。根據(jù)項(xiàng)目邊情況，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(xiàng)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圍的風(fēng)環(huán)境狀況，并給予分析及評價(jià)。3) 出流邊界條件建筑出流面上空氣流動(dòng)按湍流充分發(fā)展考慮,邊界條件按自由出口設(shè)定。專業(yè)資料4)計(jì)算曲線Phoenics 數(shù)值模擬代數(shù)程的終止標(biāo)準(zhǔn)按連續(xù)性程與動(dòng)量程殘差為1.0E 2 ，但由于計(jì)算量較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，監(jiān)測點(diǎn)值變化不大時(shí)，就可認(rèn)為計(jì)算準(zhǔn)確，本次模擬所有工況迭

11、代次數(shù)均在2000次以上。5) 模擬工況本項(xiàng)目位于北京市，根據(jù)實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)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)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(jià)標(biāo)準(zhǔn)北京市綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)DB11/T825-2011 第條規(guī)定：優(yōu)化場地風(fēng)環(huán)境，保證室外活動(dòng)區(qū)域的舒適性和建筑通風(fēng)，控制建筑物圍人行區(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專業(yè)資料5.

12、2工況 1（冬季平均風(fēng)速工況）模擬冬季平均風(fēng)速情況下的建筑邊流場分布狀況時(shí)，設(shè)定風(fēng)向?yàn)镹E，風(fēng)速為2.6m/s 。專業(yè)資料1. 風(fēng)速矢量圖解析：由圖可以看到，項(xiàng)目東向?yàn)椴賵?，較為開闊，氣流主要從東北向角進(jìn)入?yún)⒃u區(qū)，北側(cè)和西側(cè)的邊建筑起到了一定的擋風(fēng)作用，有利于參評區(qū)的冬季防風(fēng)。參評建筑邊風(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?dòng)的同時(shí)，有利于排除參評區(qū)產(chǎn)生的污濁氣體。專業(yè)資料5.3工況 2（夏季平均風(fēng)速工況）模擬夏季平均風(fēng)速情況下的建筑邊流場分

13、布狀況時(shí)，設(shè)定風(fēng)向?yàn)镾SW，風(fēng)速為2.2m/s 。1. 風(fēng)速矢量圖解析：西南向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)污濁空氣的擴(kuò)散。參評建筑邊風(fēng)速均小于5m/s 。2. 風(fēng)速云圖最大風(fēng)速2.5m/s專業(yè)資料解析：參評區(qū)受到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(xiàng)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(huì)對行人的室外活動(dòng)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)速情況下的建筑邊流場分布狀況時(shí)，設(shè)定風(fēng)向?yàn)镹W ，風(fēng)速為2

14、.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)污濁空氣的擴(kuò)散。參評建筑邊風(fēng)速均小于5m/s。2. 風(fēng)速云圖專業(yè)資料最大風(fēng)速3m/s解析：人行高度處的風(fēng)速處于合理的圍之，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)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(bào)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(xiàng)目室外風(fēng)速狀況序號相應(yīng)工況需分析的容最大風(fēng)速最大風(fēng)速放達(dá)標(biāo)判斷（ m/s ）大系數(shù)工況 1冬季平均風(fēng)