1、室 外 风 环 境 模 拟 分 析 报 告北京市第十七中学分校改扩建工程建 筑 专 业主 持 人：（设计总负责人） 审 定 人： 校 审 人： 计 算 人： 北京中帝恒成建筑设计有限公司2016 年 02 月 18 日1目 录1.建筑概况 .22.评价依据 .23.分析方法 .23.1 原理概述 23.2 模拟软件 33.3 计算原理 33.4 模型设置 43.5 参数设置 54.评价标准 .65.模拟结果和分析 .65.1 风环境模拟模型 65.2 工况 1（冬季平均风速工况） .65.3 工况 2（夏季平均风速工况） .85.4 工况 3（过渡季平均风速工况） .96.结论 .1021 建
2、筑概况工程名称 北京市第十七中学分校改扩建工程工程地点 北京市朝阳区第十七中学百子湾校区内气候子区 寒冷建筑面积 地上 5861.93 地下 3321.8建筑层数 地上 5 地下 2建筑高度 地上 18.0m 地下 8.4m北向角度 02 评价依据1. 北京市绿色建筑评价标准DB11T825-20112. 民用建筑设计通则GB 5035220053. 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB5073620124. 实用供热空调设计手册3 分析方法3.1 原理概述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
3、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。高层建筑群室外人行区域最容易形成再生风和二次风问题，导致冬季室外风速过大，行人难以停留。图 1 室外空气流动与建筑之间所产生的效用示意图3建筑合理布局是改善室外行人区热舒适的关键；主要是避免在寒冷冬季室外行人区风速加速，如风巷效应，同时在与冬季主导风向垂
4、直方向最好增加裙房，加大底座尺寸，避免冲刷效应和边角效应等，如图 1 所示。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，室外风环境深刻影
5、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。3.2 模拟软件本项目采用 CFD 手段对建筑及周围的微环境进行模拟分析，评价室外流场分布状况。模拟计算采用的 Phoenics 软件可以对三维
6、稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流、多孔介质中的流动，并且可以考虑粘度、密度、温度变化的影响。在流体模型上面，Phoenics 内置了 22 种适合于各种 Re 数场合的湍流模型，包括雷诺应力模型、多流体湍流模型和通量模型及 ke 模型的各种变异，共计 21 个湍流模型，8 个多相流模型，10 多个差分格式，由于较好的结构化网格的适应性，使得 Phoenics 能达到较佳的收敛速度和求解精度。广泛的应用于航空航天、能源动力、船舶水利、暖通空调、建筑、石油化工、冶金及核工业领域。3.3 计算原理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学控制方程，其一般
7、形式如下所示： SgradivUdit 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 1。4表 1 计算流体力学的控制方程名称 变量 S连续性方程 1 0 0x 速度 utef xwzxvyxuxPefefef y 速度 vtef yy efefefz 速度 wtef gzwzvyzuxzPefefef 湍流动能kefkBkG湍流耗散ef RkCCBk 231温度 TTtPrTS表 1 中的常数如下： 2SGtk， ij， jiijij xu21， yTgGtB， 2kCt， 0845.C， 4.1， 68.C， 23tanhwv， 85.0T， 7
8、.0，k由 ef79.00632.0.9.计算其中 .10。如果 ef，则 3.1kCR230/ ， 其中 /S， 8.40， 012.3.4 模型设置本报告根据建筑总平面图以及其他相关资料建立本项目的室外风环境模拟模型，分析模型中包括本项目的建筑物及其周边建筑物。模型外场尺寸选择主要以不影响建筑群边界气流流动为准，外场计算尺寸为 298m292m90 m（宽长高）。划分工具采用 PHOENICS 软件自带网格工具进行网格划分，此过程中考虑了多种网格划分方 式，如果网格划分过细，会造成计算速度降低过大，局部网格畸变严重等问题，如果网格划分过大5，会造成计算精度下降，局部无法识别等问题，在综合考
9、虑网格质量、计算速度和精度，以及充分考虑了建筑体量和建筑物所在基地大小的基础上，选择 XYZ=10211040，共 448800 个网格进行计算，主要区域网格尺寸为 2m。网格效果如图 2 所示。图 2 网格效果图3.5 参数设置1) 梯度风设置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。根据相关标准，不同地貌情况下入口梯度风的指数 取值如表 2 所示。根据项目周边情况，模拟中梯度风指数取城市郊区类的 值。表 2 大气边界层不同地貌的 值类别 空旷平坦地面 城市郊区 大城市中心 0.14 0.
10、22 0.282) 模拟说明鉴于此项目主要分析人行高度处的风环境质量，因此，可以选取人行高度 1.5m 处的风速矢量 图、云图、建筑整体表面压力分布图来说明其周围的风环境状况，并给予分析及评价。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。4) 计算曲线Phoenics 数值模拟代数方程的终止标准按连续性方程与动量方程残差为 1.0E2，但由于计算量较大，根据经验，监测点值变化不大时，就可认为计算准确，本次模拟所有工况迭代次数均在 2000 次以上。5) 模拟工况本项目位于北京市，根据实用供热空调设计手册确定模拟工况，各工况的具体风向和风速设置如表 3 所示
11、。6表 3 模拟工况序号 相应工况需分析的内容 主导风向 环境平均风速（m/s）工况 1 冬季平均风速条件下的防风状况 NE 2.6工况 2 夏季平均风速条件下的自然通风状况 SSW 2.2工况 3 过渡季平均风速条件下的自然通风状况 NW 2.24 评价标准北京市绿色建筑评价标准DB11/T825-2011 第 5.1.9 条规定：优化场地风环境，保证室外活动区域的舒适性和建筑通风，控制建筑物周围人行区域距地面 1.5m 高处的风速低于 5m/s。5 模拟结果和分析5.1 风环境模拟模型5.2 工况 1（冬季平均风速工况）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 NE，风速
12、为 2.6m/s。参评建筑71. 风速矢量图解析：由图可以看到，项目东向为操场，较为开阔，气流主要从东北方向角进入参评区，北侧和西侧的周边建筑起到了一定的挡风作用，有利于参评区的冬季防风。参评建筑周边风速均小于 5m/s。2. 风速云图解析：风速分布在 0.02 2.3m/s 之间，最大风速出现在宿舍楼东南角，风速放大系数约为 1.2。冬季室外风速适宜，不影响室外行人的正常活动的同时，有利于排除参评区内产生的污浊气体。最大风速2.3m/s85.3 工况 2（夏季平均风速工况）模拟夏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 SSW，风速为 2.2m/s。 1. 风速矢量图解析：西南向
13、周边建筑布局相对稀疏，气流阻力小。故夏季室外气流组织顺畅，可以促进参评区内污浊空气的扩散。参评建筑周边风速均小于 5m/s。2. 风速云图解析：参评区受到周边建筑的遮挡影响小，人行高度处的风速分布在 0.5 2.5m/s 之间，风速大小适宜，最大风速出现在宿舍楼的西侧，风速放大系数 1.3。故本项目夏季室外风速大小适宜，气流组织顺畅，可以促进夏季参评区的散热，且不会对行人的室外活动产生不利影响。最大风速2.5m/s95.4 工况 3（过渡季平均风速工况）模拟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 NW，风速为 2.2m/s。1. 风速矢量图解析：过渡季室外气流组织顺畅，可以促
14、进参评区内污浊空气的扩散。参评建筑周边风速均小于 5m/s。2. 风速云图解析：人行高度处的风速处于合理的范围之内，风速分布在 0.2 3m/s 之间，最大风速出现在宿舍楼的东北角，风速放大系数 1.4。参评区内过渡季风速大小适宜，气流组织非常顺畅，可以保证参评区与外界的空气有效交换，故过渡季室外风环境良好。最大风速3m/s106 结论本报告主要对十七中学宿舍楼室外风环境状况进行模拟，选取了夏季、冬季和过渡季平均风速工况对建筑周边人行区域环境的舒适性进行分析，室外风环境模拟风速及其放大系数汇总如表 4 所示。表 4 本项目室外风速状况序号 相应工况需分析的内容 最大风速 （m/s） 最大风速放 大系数 达标判断工况 1 冬季平均风速条件下的防风状况 2.3 1.2 工况 2 夏季平均风速条件下的自然通风状况 2.5 1.3 工况 3 过渡季平均风速条件下的自然通风状况 3 1.4 不同季节不同来流风速工况下，参评区场地内 1.5m 高处的室外风速均小于 5m/s，风速放大系数小于 2。风速大小适宜，分布均匀，冬季不会影响室外行人的活动，且有利于夏季和过渡季室外通风散热和排除污染物。根据上述分析，本项目室外风环境满足北京市绿色建筑评价标准DB11/T825-2011 第 5.1.9条评分项的要求。
