Ветровой комфорт. Опыт применения в Нидерландах
Вэнди Янсен, Бэрт БлокэнПешеходы в этих зонах могут испытывать неудобства и дискомфорт, и в результате будут избегать нахождения в них. К примеру, ветреные переулки с магазинами не особо привлекают покупателей, ветреные площади в городах для встреч могут пустовать, многие пешеходные зоны не часто используются для прогулок. Существуют общеизвестные принципы улучшения ветровых условий для пешеходов, изображённые на рис. 1, где также приведены примеры из кампуса университета Эйндховена TU/e.
|
РИС. 1. ПРИМЕРЫ ПО УЛУЧШЕНИЮ КОМФОРТА ПЕШЕХОДОВ |
 |
Существует достаточно много исследований ветрового потока вокруг одиночно стоящего здания, но предсказать поведение ветра в условиях комплексной городской застройки с помощью простых методов невозможно. Метод вычислительной гидродинамики (CFD – Computational Fluid Dynamics) в этом случае может быть необходим. Для оценки комфорта пешеходов, информация о ветровых потоках в пределах застройки должна сопровождаться ветровой статистикой и критериями комфорта. Существуют различные критерии комфорта (Hunt et al.,1976, Isyumov & Davenport, 1975, Lawson, 1975, Melbourne, 1978). Нидерланды являются первой страной в мире, разработавшей и принявшей национальный стандарт NEN 8100 по оценке ветрового комфорта и опасности, вызываемой ветром, в условиях городской застройки.
В 2006 году в Нидерландах изданы нормы по ветровому комфорту NEN 8100 и новые практические указания по работе с ветровой статистикой NPR 6097. Стандарт призван обеспечить единый подход для различных проектных институтов при оценке ветрового комфорта в Нидерландах, с целью избежать противоречий.
Нормы рекомендуют производить исследование ветрового комфорта для зданий выше 30 м. Однако эти рекомендации не являются обязательными к применению, поэтому высотные здания часто возводят без должных исследований.
В результате пешеходы вблизи этих зданий могут испытывать ветровой дискомфорт. С другой стороны, городские власти осознают возникающие проблемы с ветром вблизи высотных зданий и в настоящее время разрешают новое строительство высотных зданий только при наличии исследований, подтверждающих отсутствие негативного влияния на ветровой комфорт вокруг здания.
В нормативах представлены расчётный метод и последствия определённых ветровых условий на различные виды деятельности. Нормы также позволяют выбрать два возможных метода расчёта ветровых условий: эксперименты в аэродинамической трубе (традиционный метод) и расчёты методами вычислительной гидродинамики с CFD. Результаты, полученные при помощи этих методов, должны быть заверены.
Критерий ветрового комфорта в Нидерландах основан на граничном показателе среднечасовой скорости ветра Uгр = 5 м/с для любого вида активности. В таблице 1 представлен обзор эффектов различных скоростей ветра на пешеходов. Вероятность превышения граничного показателя P (Uгр > 5 м/с), определяет степень «качества» ветровых условий местного климата. Таблица 2 показывает, что границы оценки проходят от класса А, благоприятных условий для передвижения, прогулки и сидения, до класса E – крайне неблагоприятных условий для этих видов деятельности.
Для того чтобы рассчитать вероятность превышения Uгр, в проекте необходимо пошагово произвести следующие расчёты для 12 направлений ветра:
• определить коэффициент отношения скоростей ветра (γ = Uпеш/Uспр,60 м) на уровне пешеходов Uпеш – к справочному значению скорости ветра на данной территории на высоте 60 м Uспр, 60 м;. привести граничный показатель скорости ветра для пешеходов Uгр к граничному показателю на высоте 60 м Uгр, 60 м = Uгр/γ;
• С применением статистических данных ветра для определённой местности рассчитать процент превышения (по времени) граничного показателя среднечасовой скорости ветра на высоте 60 м. В Нидерландах статистические данные для 12 направлений ветра представлены в нормах NPR 6097.
Кампус технического университета находится в процессе большой реконструкции, являющейся частью обновлённого генерального плана Campus 2020. Начальным этапом реконструкции являлась реновация здания W‑hall (рис. 2).
Обновлённый W‑hall выдвинулся на передний план и стал центром зелёного бульвара, проходящего через южную часть W‑hall от запада к востоку территории кампуса. На рисунке 2а показано новое архитектурное решение здания. W‑hall включает в себя центральную возвышенную часть высотой 33,2 м. Южная часть здания представляет собой крытую площадь с широкими входами с западной и восточной сторон (ширина входа – 49,6 м), и небольшим входом с юга (12,4 м). Площадь является центральным местом встреч в кампусе, на которой также проводятся большинство культурных и официальных мероприятий. В связи с проведением многочисленных мероприятий на площади, на её территории необходимо гарантировать условия ветрового комфорта. Беспокойства по поводу возникновения сильного ветра в этой зоне связаны с расположением существующих зданий вблизи W‑hall, а именно, главного здания (HG) и здания Vertigo (VRT). На рисунках 3а, 4а изображено расположение этих зданий. В связи с угрозой возникновения некомфортных условий произведена оценка ветрового климата кампуса технического университета до и после возведения здания W‑hall. По результатам оценки разработаны рекомендации по улучшению ветровых условий для пешеходов.
Для данного исследования был выбран метод математического моделирования с CFD, обладающий следующими преимуществами по сравнению с измерениями в аэродинамической трубе:
• есть возможность моделирования всей территории кампуса, тогда как для измерений в аэродинамической трубе существуют ограничения по габаритам модели;
• показатели скоростей ветра могут быть вычислены в любой точке модели, тогда как для измерений в аэродинамической трубе существуют ограничения по количеству и характеристикам измерительного оборудования.
Расчётная сетка высокого разрешения и качества (7,5 млн ячеек) создана в соответствии с международно-принятыми указаниями (Franke et al. 2011, Tominaga et al.2008). Применяя высокое разрешение расчётной сетки, можно увеличить не только точность расчёта, но и вычислительные затраты.
В связи с этим созданы и протестированы 3 конфигурации расчётной сетки, и, принимая по внимание точность расчётов и затраты на вычисление, выбрана оптимальная конфигурация (рис. 2–4).
После назначения граничных условий произведены расчёты с использованием уравнений Рейнольдса (RANS – Reynolds-averaged Navier–Stokes). Граничные условия включают вертикальный профиль ветра (распределение скоростей и турбулентной кинетической энергии ветра по высоте) на входе в вычислительный домен и шероховатость поверхности земли. К примеру, уличные фонари и деревья не включены в домен, но с изменением показателей шероховатости их присутствие и влияние учтено при расчётах.
Для контроля правильности расчётов CFD результаты были сверены с показателями скорости ветра на территории кампуса в 15 точках, полученных в результате измерений в течение 6 месяцев. Сравнение показало хорошие результаты. Более подробную информацию о расчётной сетке, граничных условиях и сравнении результатов измерений и CFD вы найдёте в статьях Blocken et al. (2012) и Janssen et al. (2013).
В результате моделирования, данные полученные для всех 12 направлений ветра суммированы и изображены (рис. 5) в виде вероятности превышения граничной скорости ветра Uгр > 5 м/с. На основе расчётов авторы приводят следующие выводы:
Наиболее простым и эффективным стало решение, побуждающее перекрыть южный вход на площадь. Однако архитектура здания этого не позволяла. Было предложено решение – передвинуть южный вход к западу, что позволило бы воспрепятствовать потоку ветра с юга между зданиями MA и HE. Для оценки данного проектного решения также произведены расчёты с применением CFD моделирования для различных расположений южного входа.
На рисунке 6 изображены 4 альтернативных расположения южного входа на площадь. Серые линии отображают форму кровельного покрытия площади, красные линии изображают стены. Вариант 1 (рис. 6) предполагает расширение южного входа до 49,6 м. Для трёх других вариантов ширина входа остаётся равной 12,4 м, но изменяется его расположение – к западу/востоку.
По результатам вычислений, наиболее благоприятным для ветрового климата вариантом оказалось перемещение южного входа по направлению к востоку (вариант 2, рис. 6). Вариант расположения входа на площадь, представленный на рис. 7, приобретает класс
A по ветровому климату, означающему, что площадь благоприятна не только для передвижения, но и для прогулок и сидения. Данное решение не было применено, однако в итоге возле прохода был установлен ветровой сенсор.
При превышении определённой граничной скорости ветра южный вход автоматически перекрывается, позволяя избежать тем самым неблагоприятных ветровых условий на площади. Входы с запада и востока открыты всегда.
Нидерланды представили национальный стандарт для единого подхода к оценке ветровых условий. Ветровой комфорт необходимо оценивать на основе местной ветровой статистики и аэродинамической обстановки на исследуемой территории. Последние данные могут быть получены в результате измерений в аэродинамической трубе или в результате вычислений с применением CFD моделирования.
В данном исследовании использовался метод CFD моделирования в программном комлексе ANSYS Fluent.
Полученные данные, для проверки правильности вычислений, были заверены измерениями скорости ветра на территории кампуса. Результаты моделирования предоставили информацию о зонах, нуждающихся в улучшении ветрового климата. Эта информация позволила архитекторам выявить возможные проблемы вокруг здания для их своевременного устранения.
Перевод и техническое редактирование выполнены Аделей Хайруллиной.
Adelya Khayrullina (Аделя Хайруллина) – PhD студент Технического университета Эйндховена, инженер-строитель по специальности «промышленное и гражданское строительство» (УГНТУ, Башкортостан, Россия).
1. Beranek WJ (1984). Wind environment around single buildings of rectangular shape. HERON vol. 29, no. 1, 2–31.
2. Beranek WJ (1984). Wind environment around building configurations. HERON vol. 29, no. 1, 32–70.
3. Blackmore P (2011). Wind microclimate around buildings, DG 520. BRE Press, Watford.
4. Blocken B, Janssen WD, van Hooff T (2012). CFD simulation for pedestrian wind comfort and wind safety in urban areas: general decision framework and case study for the Eindhoven University campus. Environmental Modeling and Software 30: 15–34.
5. Franke J, Hellsten A, Schlünzen H and Carissimo B (2007). Best practice guideline for the CFD simulation of flows in the urban environment. COST Action 732: Quality Assurance and Improvement of Microscale Meteorological Models.
6. Hunt JCR, Poulton EC and Mumford JC (1976). The effects of wind on people; New criteria based on wind tunnel experiments, Building and environment Vol. 11: 15–28.
7. Isyumov N, Davenport AG. 1975. The ground level wind environment in built-up areas. Proceedings of 4th International Conference on Wind Effects on Buildings and Structures. Heathrow, UK, Cambridge University Press, 403–422.
8. Janssen WD, Blocken B, van Hooff T. 2013. Pedestrian wind comfort around buildings: comparison of wind comfort criteria based on whole-flow field data for a complex case study. Build Environ 59:547.
9. Lawson TV. 1978. The wind content of the built environment. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 3:93–105.
10. Melbourne WH. 1978. Criteria for environmental wind conditions. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 3:241–249.
11. Lawson TV, Penwarden AD. 1975. The effects of wind on people in the vicinity of buildings. Proceedings of 4th International Conference on Wind Effects on Buildings and Structures. Heathrow, UK, Cambridge University Press, 605–622.
12. Tominaga Y, Mochida A, Yoshie R, Kataoka H, Nozu T, Yoshikawa M, and Shirasawa T (2008), AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96 (10–11) 1749–1761.
13. NEN 8100 (2006), Wind comfort and wind danger in the built environment, NEN 8100:2006. Dutch Standard.
14. NEN 6097 (2006), Application of mean hourly wind speed statistics for the Netherlands, NPR 6097:2006. Dutch Practice Guideline. ●
ОБ АВТОРАХ
Wendy Janssen (Вэнди Янсэн) – научный сотрудник кафедры строительной физики Технического университета Эйндховена (Нидерланды).
Bert Blocken (Бэрт Блокэн) – профессор кафедры строительной физики Технического университета Эйндховена (Нидерланды), профессор кафедры строительства Левенского католического университета (Бельгия).
СТАТЬИ ПО ТЕМЕ:
Математическое моделирование энергопотребления зданий. Перспективы развития
Моделирование зданий для продвижения инноваций через «долину смерти»
Ледовые арены Сочи. Опыт математического моделирования
Математическое моделирование вентиляции завода
Информационное моделирование зданий
