室外风环境模拟软件边界条件

室外风环境模拟软件边界条件
模拟目标：
通过室外风环境模拟，指导建筑在规划时合理布局建筑群，优化场地过渡季、夏季的自然通风，避开冬季主导风向的不利影响。

实际工程中需采用可靠的计算机模拟程序，合理确定边界条件，基于典型的风向、风速进行建筑风环境模拟，并符合以下要求：
1）冬季典型风速和风向条件下，建筑物周围人行区风速低于5m/s,且风速放大系数小于2；
(如难以达到V＜5m/s的要求，经专家论证后可适当降低要求，但室外风速放大系数必须满足；) 第2排建筑迎风面与背风面（或主要开窗）表面风压差不超过5Pa；
2）过渡季、夏季典型风速和风向条件下，场地内人活动区不出现涡旋或无风区，50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于0.5Pa。

模拟边界条件：
为保证模拟的准确性，室外风环境模拟边界条件设置应符合下列规定：
1）模拟工况：根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中地区典型气象年的数据统计，按表1.1选择过渡季、夏季和冬季出现频率最高的风向和平均风速作为对应季节的模拟条件；
表1.1 地区室外风环境模拟工况
工况风频（%）风向风速
过渡季15.98 ESE 3.34
夏季10.87 S 3.60
冬季27.78 E 3.24
2）建模域：评价建筑（群）应充分考虑周围建筑的影响，得到的风环境计算结果方具有可参考价值。

而过多的考虑周围建筑，则会导致建模工作量过大。

建议最低建模工作量，既可以反映出最主要的影响因素对目标建筑周边风环境的影响，又将建模工作量限定在合理的范围；
3）计算域：水平方向的长和宽不宜小于7H（含建筑本身）、垂直方向高度不宜小于3H；建
- 1 -
- 2 - 筑阻挡率不宜大于5%，不应大于10%。

当模拟关注建筑物后的尾流时，下风方向的长度可适当扩大；
图1.1 计算域和建模域推荐尺寸示意图
根据风洞实验技术的要求，计算区域的选取应保证室外梯度风充分发展形成大气边界层特征的流动，且建筑阻挡率不宜＞5%，以尽可能接近真实大气流动，不致于产生气流在“受限”空间内流动从而影响模拟精度的情况。

为避免浪费网格，同时保证模拟精度可控，本规程中规定特征尺寸H 按照如下原则确定： a) 模拟对象为150米以上的超高层单体建筑时，且高于周边建筑平均高度3倍以上时：H=建
筑高度/2。

b) 模拟对象为150米以下单体建筑，H=Max{长、宽、高}。

Max{ }函数为求最大值。

c) 模拟对象为住宅小区或公共建筑群时，H=Max{区域长度、区域宽度、各单体建筑最大高
度。

绿色建筑评估过程中，要求对进行多个不同风向的模拟分析，因此会导致背风、迎风面发生切换，需要重新构建建筑前后的计算域。

考虑建模复杂程度、计算机硬件的承受能力，针对此种情况建议统一取迎风、背风面均为3H 。

具体如1.1计算域和建模域推荐尺寸示意图。

4） 网格划分：建筑的每一边人行区1.5m 或2m 高度应划分10个网格或以上；重点观测区域要在地面以上第3个网格和更高的网格以内；
5） 入口边界条件：给定入口风速的分布U （梯度风）进行模拟计算，有可能的情况下入口的K 、ε也应采用分布参数进行定义；
s s z U(z)=U ()z α （C.0.1–1）
(0.05)()()0.1()u G z z I z U z z α--⎛⎫== ⎪⎝⎭σ （C.0.1–2）
22222()()()()(()())2u v w u z z z z I z U z ++≅=σσσσ （C.0.1–3）
- 3 - (1)1/21/2()()()()()()()k S t t S S dU z z P z uw z dz
U dU z z C k z C k z dz z z αεα-≅≅-⎛⎫≅= ⎪⎝⎭ （C.0.1–4）
6） 地面边界条件：对于未考虑粗糙度的情况，采用指数关系式修正粗糙度带来的影响；对于实际建筑的几何再现，应采用适应实际地面条件的边界条件；对于光滑壁面应采用对数定律；
7） 计算收敛性：计算要在求解充分收敛的情况下停止；确定指定观察点的值不再变化或均方根残差小于10E －4；
8） 湍流模型：在计算精度不高且只关注1.5m 高度流场可采用标准k-ε 模型。

计算建筑物表面风压系数避免采用标准k-ε模型，最好能用各向异性湍流模型，如改进k-ε 模型等；
9） 差分格式：避免采用一阶差分格式。

输出结果：
1） 建筑物周围人行区1.5m 处风速矢量图及分布云图；
2） 冬季工况下的风速放大系数；
3） 目标建筑物迎风面与背风面的外表面压力分布云图。

G.0.2 室内自然通风模拟
自然通风模拟根据侧重点不同有两种模拟方法：一种为多区域网络模拟方法，其侧重点为建筑整体通风状况，为集总模型，可以建筑能耗模拟软件相结合，另一种为CFD 模拟方法，可以详细描述单一区域的自然通风特性。

由于两种方法都有人使用，故在此一并列出。

1 多区域网络模拟方法
模拟目标：
在室外设计的气象条件下（风速，风向），主要考虑过渡季的工况，室内的自然通风次数至少60%的主要功能房间的平均自然通风换气次数大于2次/h 。

模拟要求：
1）建筑通风拓扑路径图，并据此建立模型
2）通风洞口阻力模型及参数
3）可根据室外风环境模拟结果得到洞口压力边界条件
4）如计算热压通风需要室内外温度条件以及室内发热量及室外温度条件。

5）模型简化说明。

输出结果：
建筑各房间通风次数
2 CFD模拟方法
模拟要求：
1）模拟软件可采用商业版或研究版CFD软件，针对本模拟作为室内自然通风室内空气品质研究，选择过渡季的室外风环境模拟结果，使用建筑立面可开启外窗表面平均风压作为室内自然通风模拟的边界条件，并按稳态进行模拟。

2）网格要求：应对门窗实际可开启部分进行网格局部加密，且最大网格尺寸不大于200mm；
3）选择合理的湍流模型，一般情况下，风场的流动均是湍流状态，宜选用标准的k- 模型；
4）在模拟计算时不应采用一阶差分格式；
5）计算应在连续性方程均方根残差小于10E-3，求解充分收敛的情况下停止。

输出结果：
1）距地板1.2m处空气龄云图\风速云图\风速矢量图；
2）建筑各房间的通风换气次数,空气龄≤1800S视为满足2次/小时换气次数的要求；
3）在过渡季情况下,至少60%以上的主要功能房间的平均自然通风换气次数不小于2次/h的面积比例。

G.0.3 室内自然采光模拟
模拟目标：
自然采光模拟评价地上主要功能房间与地下空间的自然采光品质，用于指导相关的设计优化，校核施工图或竣工图状态是否达标。

采光模拟应满足以下要求：
1）建筑进深不宜过大，外窗需尽量避免建筑物遮挡，应进行自然采光模拟分析，主要功能房间的采光系数满足现行国家标准《建筑采光设计标准》GB/T 50033-2013的要求。

2）内区（距离建筑外围护结构5米范围外的区域）采光系数满足采光要求的面积比例达到60%。

3）建筑房间和外窗布局利于自然采光。

模拟软件要求：
1）自带建模工具或能够输入其它建模工具建立的模型；
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2）自带或者能够输入建筑所在地区的气象数据库；
3）能够为建筑模型的室内外表面、室内组件表面赋予反射率；
4）至少应具备晴天模型、CIE标准全阴天模型。

分析模型的要求：
1）数值模拟所采用的物理模型尺寸应严格按照建筑图纸建立目标建筑模型，按照实际建筑尺寸1:1构建。

2）模型中应包括所有层数、所有《建筑采光设计标准》GB50033中规定需要进行采光的房间类型。

对采光房间有直接或间接影响的非采光房间、室内隔墙（隔断）、吊顶、阳台、遮阳、设施（构件）等也应当在目标建筑模型中予以体现。

模拟参数设置要求：
1）属于Ⅳ类光气候区，光气候系数为1.10，其室外天然光设计照度值取13500lx；
2）位于东经118°04'04"，北纬24°26'46"；
3）窗户形式和玻璃类型（玻璃透射率）以及室内地面、顶棚和墙面的反射比，可参考《建筑采光设计标准》GB/T 50033-2013中附录D和《全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇-建筑》中表6.3.1对各种不同材料构造的光学性能参数所提供的参考指导值进行设置；
4）天空模型：CIE全阴天模型（CIE Overcast Sky）；
5）参考平面：工业建筑取距地面1m，民用建筑取距地面0.75m；
6）网格间距：不超过1000mm（建议各向网格最少数量不低于10）。

输出结果：
1）室内参考平面采光系数等值线图或室内参考平面天然光照度标准值等值线图：可以清楚地表示出室内采光分布情况。

2）按照1.1%的采光系数步长提供采光系数与对应面积百分比统计表，采光系数自0%开始，11%结束。

3）室内参考平面平均采光系数达标面积比例。

G.0.4 室外场地噪声模拟
模拟目标：
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室外噪声环境应符合《民用建筑隔声设计规范》GB 50118-2010和《声环境质量标准》GB 3096-2008中的要求。

软件要求：
计算软件应可预测模拟各类建筑室外噪声源的影响，软件的计算模型应符合《声学户外声传播衰减》（GBT 17247）及《环境影响评价技术导则声环境》（HJ 2.4）的规定。

边界条件：
1）噪声分析物理模型：
为保证计算机声环境模拟的准确程度应输入噪声源、模拟区域地形、模拟区域范围内的建筑等因素，具体输入条件如下：
a）模拟分析所需要的区域范围内的建筑模型；
b）区域范围内的地形；
c）区域范围内街道、公路、声屏障等。

2) 模拟工况：
环境噪声模拟应至少针对昼间（6:00-22:00）及夜间（22:00-6:00）两种基本工况进行模拟分析；除以上两种基本工况外，可根据项目实际需求，自行设置模拟时段。

3）噪声源：
对于一般城市噪声源。

因不同等级的道路的交通流量、通过车型不同，所受到的环境噪声影响也不同，建议模拟中采用较为准确的实测道路交通噪声数据，或者是参考标准《汽车定置噪声限制》、《机动车辆允许噪声标准》、《铁道客车噪声的评定》、《铁道机车辐射噪声限值》、《声环境质量标准》等相关标准中的数据。

输出结果：
声环境功能区模拟输出结果应包含以下内容：
1）水平噪声面（高度1.2m）模拟分析图，可清楚的表示出小区内噪声分布情况；
2）垂直噪声面（建筑窗外1m）模拟分析图，可清楚的表示出建筑物立面各个部位受噪声影响的情况。

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