夏季风热环境实例评估报告2012phoenics

上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告项目名称：某小区室外自然通风模拟分析报告图形建模：宫晓璐计算报告：崔凤兰报告日期：2012-6-26上海飞熠软件技术有限公司电话：[phone]传真：[phone]地址：上海钦州南路81号出版大楼1917上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告一、项目概述1.1项目概况略1.2项目气象资料根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》，该设计用某市室外气象参数如下表：表7.1某市室外气象参数设计用室外气象参数单位数值冬季室外平均风速m/s3.2冬季室外最多风向的平均风速m/s4.6夏季室外平均风速m/s2.0冬季最多风向——NW冬季最多风向的频率%36夏季最多风向——SSW夏季最多风向的频率%19年最多风向——NW夏季室外大气压力Pa100590冬季日照百分率%22本项目研究夏季主导风向为西南偏南风，主导风速2m/s；冬季主导风向为西北风，主导风速3.2m/s。1.3评价标准本报告主要某小区室外自然通风状况进行模拟分析。⑴建筑总平面设计有利于冬季日照并避开冬季主导风向，夏季利于自然通风；⑵人行及活动区域的风速放大系数不应大于2；⑶在建筑物周围行人区1.5m高度的风速小于5m/s；⑷建筑物前后压差在冬季不大于5Pa；⑸夏季保证75%以上的板式建筑前后保持1.5Pa左右的压差，避免出现局部漩涡和死角，从而保证室内有效地自然通风。⑹建筑设计区域内距地1.5m处夏季平均温度控制在合理范围内，以降低热岛效应的影响。1.4参考依据《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006《绿色建筑评价技术细则》上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告《民用建筑设计通则》GB50352-2005《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》GB/T18049-2000二、技术路线本报告主要针对某小区进行室外自然通风状况模拟分析。2.1分析方法本研究的方法采用计算流体动力学（CFD）分析方法，本次分析采用通用商业流体分析软件PHOENICS2011软件对目标建筑进行风环境分析，且利用PHOENICS良好的后处理接口功能，与专业图像处理软件Tecplot相结合，实现模拟结果数据可视化。CFD通用软件以其模拟复杂流动现象的强大功能、人机对话式的界面操作以及直观清晰的流场显示引起了人们的广大关注。计算流体力学在20世纪80年代左右取得了不少重大进展，多层网格与残差光顺等加速收敛技术有效地减少了三维流动模拟的巨大计算工作量，而在低速不可压流动方面，利用人工可压缩性方法与压力校正法等对纳维尔—斯托克斯方程组（N-S方程组）的直接求解取代了局限性很大的流函数—涡量法等传统解法，从而促进了CFD技术向流体传热、多相流、燃烧与化学反应等领域迅速扩展与深入。这些进展也为通用软件的发展奠定了良好的理论基础。虽然CFD软件种类繁多，但其结构基本一致，由前处理器（Preprocessor）、求解器（Solver）及后处理器（Post-processor）等三大模块组成。各模块的作用，分别表述如下。前处理器：建立描述问题的几何模型（或者由CAD等其它软件建立并导入），确定控制方程（如N-S方程、湍流模型）、离散方法、计算方法（如SIMPLE、MAC），输入各种必需的参数（如初始条件、边界条件、松弛因子、物性参数等），并生成网格。求解器：CFD的核心，将前处理器建立的系统进行迭代求解，并输出计算结果。后处理器：给出所计算参数（如温度场、速度场、压力场及浓度场等）的可视化结果及动画处理。PHOENICS软件推出的FLAIR模块是英国CHAM公司针对建筑及暖通空调专业设计的CFD专用模块。在原有FLAIR模块的基础上，新版本FLAIR增加了大量HVAC专业的相关内容，具有2上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告更强的专业性。2.2集合建模及网格划分利用PHOENICS对建筑风环境进行评价分析后，建筑几何模型建立以及计算区域的网格划分非常重要。建筑的几何形状会影响局部的网格质量，为了避免个别建筑物的不规则几何形态而引起的局部网格质量的下降，对建筑物的几何形状进行简化处理显得非常必要。另外，对计算区域的选择也十分关键。由于风场作用的范围较大，因此计算区域应选的较大，但过分地增大计算区域，会大大加大计算的成本。合理的选择计算区域将有助于减少计算量。本研究中，我们参照建筑平面图进行几何建模，模型如图2-1所示。图2-1建筑区域模型图本研究主要针对建筑室外自然通风状况进行模拟分析，计算区域选择是能够使区域内气流充分发展，我们参照建筑平面图进行几何建模，采用非均匀结构化网格技术，对导入的CAD图形进行区域设置及网格划分。在PHOENICS软件中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，根据相关工程经验并做模拟试算后，确定设置外场计算尺寸为1200m×1000m×300m（长×宽×高），模型中沿Y轴正方向设置为北向。3上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告整个模拟区域划分空间网格110×100×52，采用结构网格分布，其中建筑所在区域进行网格局部加密处理。网格划分结果如图2-2及2-3所示。图2-2计算区域网格图（俯视）图2-3计算区域网格图（侧视）2.3边界条件的处理及控制方程的选取利用CFD技术对室外风环境模拟时，确定合理的边界条件是保证模拟计算结果正确的一个重要环节。为了让区域的模拟比较接近真实情况，对建筑所处的地理位置的风速与风向进行分析。利用风玫瑰图，给出频率最多的风速风向情况，确定为当地平均风速，作为模拟区域的输入条件。2.3.1来流风速分布当气流穿过不同的地区和地形带（如海洋、陆地、平原、山地、森林、城市等）时，会产生摩擦力而使风的能量减少，风速降低，其本身的结构（如湍流度、旋涡尺度等）也发生变4上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告化。其变化的程度随着距离高度的增加而降低，直到达到一定高度时，地面粗糙度的影响可以忽略，这一层受到地球表面摩擦力影响的大气层成为大气边界层。大气边界层的高度随着气象条件、地形和地面粗糙度的不同而有差异，一般情况下地面以上300米（不超过1000米）范围内均属于大气边界层的范围，所以这个范围以上风速才不受地表的影响，可以在大气梯度的作用下自由流动。2.3.2平均风速的指数律分布在大气边界层中，平均风速随高度发生变化，其变化规律称为风剪切或风速廓线。目前多数国家都采用经验的指数分布来描述近地层中平均风速随高度的变化，我国的建筑规范也采用指数律分布。风速廓线的指数律分布可以表示为：（2-1）式中：UZ为高度Z处的水平方向风速；U0为参考高度z0处的风速；m为由地形粗糙度所决定的幂指数。参照《建筑结构荷载规范》GB50009，本文中的m取值为0.14。2.3.3出流面的边界条件假定出流面上的流动已充分发展，流动已恢复为无建筑物阻碍时的正常流动，故其出口边界采用局部单向化处理。2.3.4控制方程的选取考虑到建筑周围的空气流动一般属于不可压缩的低速湍流，符合Boussinesq假设，且气流与建筑物的接触形成限制流，而标准k模型对于限制流(有壁面约束)具有较好的效果，并且标准k模型计算成本低、预测较为准确。本文选用Realizablek模型（适用于类似室内通风的中等涡的复杂剪切流动）对该问题进行模拟求解。本文主要考虑的为不可压缩的流动问题，其控制方程主要有以下几个：连续性方程：0iiux（2-2）5上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告动量方程：01jiiijtijijjiuuuupuvgtxxxxx（2-3）湍流动能方程：ktjkkPGjjkjvkkkutxxx（2-4）耗散率方程：132tjkkCCCjjjvuCPtxxxk（2-5）三、模拟结果3.1夏季风环境工况3.1.1风速评价图3-1，3-2在2.0m/s的西南偏南风场下，该小区室外1.5米高度处的风速云图。如图中所示，室外最低风速出现在建筑物的背风处，平均风速约为1.67m/s，最高风速出现在西北墙角处，约为2.2m/s。小区内部的风速绝大部分在1.5m/s以下，这主要是因为建筑物本遮挡了部分的风量。整体通风状况良好。建筑周边人行区域的风速基本在2.0m/s以内，小于5m/s。6上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告图3-1夏季风速云图（1.5米高度处）图3-2夏季风速矢量图（1.5米高度处）7上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告图3-2-1风速放大系数（1.5米高度处）从上述图形模拟结果分析得出，在2.0m/s的西南偏南风场下，建筑室外绝大部分区域在人行高度1.5米处的风速环境没有超过节能评估评价标准所规定的5.0m/s，风速放大系数不大于2。因此，我们认为在2.0m/s的西南偏南风场下，建筑的室外风环境在舒适度要求的范围之内。3.1.2风压评价图3-3在2.0m/s的西南偏南风场下，该小区1.5米高度处的风压云图。图3-3夏季风压云图（1.5米高度处）8上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告由图3-3可见，该小区正南面风压大约为2Pa左右，最大风压分布在小区的西南面，约为2Pa。最小风压分布在小区内部以及小区的西面，约为-3Pa。因此，在该风场下，建筑西南部及东北部表面的风压情况为该区域在夏季非空调时段利用自然通风创造了有利条件，受到两侧风压的影响，建筑中部在夏季非空调时段也能获得较好的自然通风能力，而建筑北部在夏季非空调时段的自然通风较弱，需采取措施改善通风状况。图3-4建筑迎风面风压分布图3-5建筑背风面风压分布由图3-4,3-5可知，大部分建筑物夏季前后压差保持在1.5pa左右，保证室内有效地自然通风。3.3夏季热环境工况3.3.1边界条件夏季典型气象条件下，选取典型月份典型时刻太阳照射，设置小区所在地区的纬度数值等，该模拟选取7月10号中午14时作为热环境的典型时刻，纬度位置为：30，计算域入口风速温度采用夏季室外平均温度为30°。由此进行太阳辐射热环境模拟计算。结果如图：9上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告图3-6建筑物阳面（侧视）图3-7建筑物阴面（侧视）如建筑物阴阳面图，红色部分为太阳照射区域，为建筑物的阳面区域，蓝色部分是建筑物的阴面区域。通过阴阳面不同，建筑物不同立面得热相异。10上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告图3-8建筑物遮阳阴影（俯视）如图3.8，为建筑物遮阳阴影俯视图，蓝色区域为建筑物遮阳区域，产生建筑物阴影区。图3-9建筑物及不同下垫面（草地路面水系等）（俯视）由图3-8及3-9比较可知，建筑物产生的阴影区温度较低，大概在33°左右。此外，小区内湖体温度在26°范围，草地区域温度较舒适，路面和建筑物屋顶温度在40°及55°范围。改善小区热环境可通过绿植及水系等方式。11上海飞熠软件技术有限公司某小区室外自然通风分析报告12对周边待建建筑的影响：对周边基地的风环境和热环境影响在规范允许范围内3.3.2本节评估结论本报告对项目室外风环境进行了模拟分析，模拟分析夏季对建筑物周边的人行区域的风环境舒适性，自然通风条件得出以下结论：自然通风：夏季室外平均风速条件下，大部分建筑前后压差基本大于2pa,有利于实现室内自然通风行人舒适性：通过夏季最多风向的平均风速进行模拟，本项目周边人行区域的风速均小于5m/s，且风速放大系数小于2，符合行人舒适性要求法规符合性：符合导则和其他相关规范的要求。建议：地面宜种植常绿灌木，改善小区环境暂略（待补充）3.4冬季工况由图3-1风速分布图与图3-10对比可以看出，风速较小的区域，温度较高，建筑物所在范围，速度最小处温度最高达35°左右，通风良好的范围温度在