中学体育馆建设工程 --室外风环境模拟分析报告

1、中学体育馆建设工程 室外风环境模拟分析报告目 录1 模拟概述21.1项目概况21.2 气候状况21.3 分析概述21.4 参考依据31.5 评价说明32 技术路线32.1 分析方法42.2 湍流模型52.3 参数设置62.5 室外模拟工况73 模拟分析83.1 工况 1（夏季工况）83.2 工况 2（冬季工况）93.3 工况 3（春季工况）123.5 门窗风压表141）门窗风压表142）内外表面门窗风压大于0.5Pa的比例174 结论171 模拟概述1.1 项目概况本工程位于中学，有较好交通条件和区位条件。本项目规划总用地面积45840.9，新建总建筑面积8822.6，容积率0.58，绿地率13.6%。1.2 气候状况广州市，位于广东省中南部，东江、西江、北江交汇处，珠江三角洲北缘，濒临中国南海。广州位于东经112度57分至114度3分，北纬22度26分至23度56分。市中心位于北纬23度06分32秒，东经113度15分53秒。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21.9为摄氏度，是中国年平均温差最小

2、的大城市之一。1.3 分析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。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

3、外风环境深刻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，对广州市番禺区石碁第四中学体育馆建设工程及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以及舒适性分析提供参考数据。1.4 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/T 15-83-2017委托方提供的本项目用地项目的总平面图、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 503522005 委托方提供的其他相关资料1.5 评价说明广东省绿色建筑评价标准 DBJ/T 15-83-2017 第 4.2.6 条（得分项）1. 在冬季典型风速和风向条件下

4、（1）建筑物周围人行区风速低于5ms，且室外风速放大系数小于2，得2分。（2）除迎风第一排建筑外，建筑物迎风面与背风面表面压差不大于5Pa，得1分。2.过渡季、夏季典型风速条件下，（1）场地内不出现涡旋区或无风区，得2分。（2）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 技术路线本报告主要对石碁第四中学体育馆建设工程及周边的风场分布状况及其对室内通风的影响进行分析，验证其是否满足建筑周围人行区风速低于 5 m/s，不影响室外活动的舒适性和建筑的通风。2.1 分析方法建筑物室外风环境的评价方法目前主要采用的方法有风洞试验、网络法及数值计算方法。风洞试验是当前建筑室外风环境及风工程领域使用的主要方法，它是通过制作实际建筑物的缩尺模型在大气边界层风洞中进行的，通过必要的手段产生类似于实绩建筑周围的风场，然后通过布置在模型表面及其周围的试验仪器测量风速、风压等相关数据，当前研究内容已经涵盖了建筑物在不同地貌下以及各种体型的高层建筑的风压风速分布研究以及不同高度比和相对位置的变化所产生的相互干扰影响。但是风洞试验也存在着诸如模型制作费力，试验周期较长，难以同时研究不同的建筑

5、设计方案等缺点，而且缩小尺寸的试验模型并不总是能反映全比例结构的各方面特征，另外，在测点布置、同步测压等一系列问题上也有很多不足有待解决。网络法是从宏观角度对自然通风进行分析，主要用于自然通风建筑设计初期的风量预测。它利用质量、能量守恒等方程计算风压和热压作用下的自然通风量。但由于网络法不考虑房间内部的空气流动形态对自然通风效果的影响，所以无法给出房间内部的空气详细流动情况分析。近年来随着计算机技术的飞速发展，数值计算已成为评价方法的主流。而通风过程的数值模拟研究主要有节点法、数学模型法和计算流体力学法。计算流体力学（CFD）法因其快速简便、准确有效、成本较低等优点在越来越多的在工程问题得到使用，并逐渐成为有效的处理工程问题的手段，受到广泛认可。CFD 模拟是从微观角度，针对某一区域或房间，利用质量、能量及动量守恒等基本方程对流场模型进行求解，分析其空气流动状况。采用CFD对自然通风模拟，主要用于自然通风风场布局优化和室内流场分析，以及对象内庭这类高大空间的流场模拟，通过CFD提供的直观详细的信息，便于设计者对特定的房间或区域进行通风策略调整，使之更有效的实现自然通风。本项目采用 CF

6、D 手段对石广州市番禺区石碁第四中学体育馆建设工程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VENT2014软件可以对三维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，VENT2014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k-e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VENT2014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。2.2 湍流模型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学控制方程，其一般形式如下表2所示：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。表 1 计算流体力学的控制方程名称变量连续性方程100x 速度y 速度z 速度湍流动能湍流耗散温度表 1中的常数如下：， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 由 计算

7、其中 。如果 ，则 ， 其中 ， ， 2.3 参数设置1) 梯度风设置由于随着高度的增加，风速会增大，因此，模拟中采用沿高度方向梯度风设置。城市梯度风按照以下公式计算：式中：高度为处的风速，m/s；基准高度（取10m高度）处的风速，m/s； 指数，主要与测定地点的地面粗糙度和温度垂直梯度有关，取0.16；不同类型地表面下的n值与梯度风高度表地面类型适用区域指数nA近海地区，湖岸，沙漠地区0.12B田野，丘陵及中小城市，大城市郊区0.16C有密集建筑的大城市区0.202) 模拟说明针对广州市番禺区石碁第四中学体育馆建设工程的建筑图纸与模型，鉴于此项目主要分析人行高度处的风环境质量，因此，可以选取人行高度处的风速矢量图、色阶图、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Vent2014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1.0E-2，但由于计算量较大，根据经验，往往根据测点值变化不大时，就可认为计算准确。计算曲线及观测点的值如图2所示。图2 Vent20

8、14数值计算曲线图2.5 室外模拟工况本报告根据广州市全年的气象参数确定典型的夏季和冬季工况，各工况的具体风向及风速设置如表3 所示。表3 模拟的工况工况相应工况需分析的内容主导风向平均风速 （m/s）工况1夏季平均风速条件下的自然通风状况292.52.3工况2冬季平均风速条件下的防风状况67.52.7工况3春季平均风速条件下的自然通风状况292.52.8其中工况 1、工况 3、主要分析在主导风向条件下广州市番禺区石碁第四中学体育馆建设工程周围风环境及前后压差是否有利于自然通风；工况 2 主要分析在冬季主导风速的情况下广州市番禺区石碁第四中学体育馆建设工程周围风环境及防风状况。3 模拟分析3.1 工况 1（夏季工况） 模拟夏季平均风速情况下的建筑周边流场分布状况时，主导风向为东南，风速为2.3 m/s。 1) 风速矢量图 图3 人行高度处风速矢量图 解析：图3为夏季情况下人行高度处风速矢量分布图，可以看出：夏季工况下，人行高度通风流畅，周围没有形成较大的涡流区域或无风区。2) 风速色阶图图4 人行高度处风速色阶图解析：图4为夏季风向的情况下人行高度处风速色阶分布图，可以看出：人行高度处

9、的风速基本都处于合理的范围之内，风场地内人活动区域不出现涡旋或无风区。3.2 工况 2（冬季工况）模拟冬季平均风速情况下的建筑周边流场分布状况时，主导风向为东北，风速为2.7m/s。1) 风速矢量图图5 人行高度处风速矢量图解析：图5为冬季风向的情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，风速分布在4.0m/s以下。2) 风速色阶图图6 人行高度处风速色阶图解析：图6为冬季风向的情况下人行高度处风速色阶分布图，可以看出：人行高度处的风速基本都处于合理的范围之内3）风速放大系数云图：图7风速放大系数图解析：图7为冬季风向为NE的情况下人行高度处风速色阶分布图。可以看出：人行高度处的风速放大系数均小于2。图8 整体表面迎风侧压力分布、图9 整体表面背风侧压力分布解析：图8和图9为冬季风向为东北的情况下,可以看出：冬季迎风侧前后压差大部分在1.1Pa4.3Pa之间。迎风面房间压差不超过5Pa。 3.3 工况 3（春季工况）模拟春季平均风速情况下的建筑周边流场分布状况时，主导风向为东南，风速为2.8m/s。1) 风速矢量图图11人行高度处风速矢量图解析：图11为春季风向的情况下人行高度处风速矢量分布图，可以看

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