УДК 697 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха в зданиях и сооружениях
Статья посвящена моделированию ветровых потоков при размещении новых строительных объектов в сложившейся застройке. В работе использовались технологии CFD (вычислительной гидрогазодинамики, computation fluid dynamics) для оценки влияния ветра, определения направления векторов скорости воздушных потоков при заданном расположении и геометрических характеристиках зданий, рельефа земной поверхности. При решении задач моделирования ветровых потоков на территории жилой застройки был проведен обзор инструментов для архитектурно-климатического анализа, описаны возможности расчета каждого из них, выделены достоинства и недостатки. Сделан вывод, что большая часть инструментов остается проприетарной и не интегрированной в основные программы для архитектурного и градостроительного проектирования. Описываются основные этапы моделирования и получения исходных данных для CFD-анализа: цифровые модели рельефа местности и застройки, полученные на основании геоинформационной модели города, годовые данные о фактическом направлении и скорости ветра в районе исследования. Получены значения скоростей, ветра для рассматриваемой жилой группы, траектории его движения в застройке, спроецированные на вертикальные и горизонтальные плоскости. Результаты моделирования позволяют рассматривать мероприятия по планированию и благоустройству городского пространства и снижению негативного воздействия ветра на застраиваемой территории.
микроклимат жилой застройки, ветровой режим, CFD -моделирование
Введение. Создание благоприятного ветрового режима при проектировании городской застройки является одной из основных задач климатического анализа местности. При этом при реконструкции застройки и строительстве новых зданий не всегда проводятся расчеты по оценке влияния ветра на окружающую территорию. Годовой анализ ветра обычно не используется при проектировании застройки, так как требует значительного времени предварительной обработки исходных данных. Микроклиматические условия городских районов неразрывно связаны с характером и формой застройки, озеленением и ландшафтом территории [1–6]. Воздействие зданий, как трехмерных элементов, на изменение скорости и направления ветра, особенно в составе застройки отдельных планировочных зон, должно учитываться в расчетах аэрации городов. Подобный расчет должен иметь прикладной характер и получение практических результатов необходимо упростить с использованием специальных программ для гидродинамики [7–11]. Важно учитывать аэрационный режим, как естественное проветривание застройки с целью предупреждения ее загазованности, так и возможное неблагоприятное воздействие воздушных потоков с точки зрения создаваемого микроклимата в дворовых пространствах и ветрового давления на здания.
Учет ветрового режима в архитектурно – климатическом анализе необходим при решении следующих задач [12–15]:
- воздействие ветрового давления на здания и сооружения;
- оценка зон застоя воздуха при учете инженерно-транспортной инфраструктуры, сопровождающейся загрязнением воздушного бассейна (зоны со скоростью воздушного потока до 3 м/с и штиль);
- защита жилой застройки от сильного проветривания (более 5 м/с) при расчете комфортного пребывания человека;
- размещения элементов дворовых пространств, озеленения, площадок, парковок.
Исследование процесса обтекания ветровым потоком различных форм рельефа и градостроительных объектов позволяет получить оценку ветрового воздействия на определенных территориях и на ее основе разработать ряд рекомендаций по улучшению аэрационного режима застройки [16].
Целью исследований является анализ ветровых потоков жилой застройки, выполненный различными инструментами для климатического анализа территории. В связи с этим был выбран строящийся объект в г. Воронеж, позволяющий оценить аэрационный режим застройки и сравнить результаты моделирования с реальной ситуацией. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: проанализировать доступность и возможность свободного использования плагинов и программ для CFD моделирования; смоделировать ветровой режим застройки и сравнить полученный результат с натурными замерами в определенных точках; оценить необходимость использования цифрового моделирования при размещении жилых групп, благоустройстве и реконструкции застройки.
Материалы и методы. Для оценки влияния ветра на планируемую застройку авторами были проанализированы плагины и программы, позволяющие использовать CFD моделирование (computation fluid dynamics). Платформы с открытым исходным кодом, такие как Grasshopper и Dynamo и их различные плагины появились как интерфейс, позволяющий выполнять инженерные расчеты и визуальное программирование архитекторами, работающими в программах Rhino и Revit соответственно. Эти новые инструменты сделали эксперименты и дизайн современными, а метеорологические параметры более доступными. Наиболее часто используемыми программными продуктами являются Ladybug, ENVI-met, SimScale и Eddy3D, чьи выходные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1
Сравнительный анализ программных продуктов по расчету микроклимата
|
Программное обеспечение |
Возможности расчета |
Выходные данные |
|
Ladybug v1.4.0 (www.ladybug.tools) |
Визуализация данных о погоде и солнечной энергии, моделирование солнечного излучения, движение воздуха внутри помещения |
Часы и время инсоляции, солнечное излучение
|
|
ENVI-met (www.envi-met.com) |
Моделирование наружного микроклимата, количественная оценка теплового комфорта |
Температура воздуха, скорость ветра, влажность, средняя радиационная температура |
|
SimScale (www. simscale.com) |
CFD моделирование ветрового потока, моделирование ветрового комфорта |
Скорость ветра, господствующий ветер, критерии комфорта |
|
Eddy3D (www. eddy3d.com) |
CFD-моделирование ветрового потока
|
Скорость ветра, универсальный термальный климатический индекс (UTCI) давление ветра на фасадах зданий, средняя радиационная температура |
|
ANSYS CFD (Fluent) |
CFD-моделирование ветровых нагрузок
|
Поле давления, аэродинамические коэффициенты, данные о профиле скорости в характерных сечениях |
Ladybug – это плагин для анализа окружающей среды с открытым исходным кодом для Grasshopper интерфейса Rhino не совсем стабильно работает для наружных пространств.
ENVI-met – это целостное программное обеспечение для моделирования микроклимата, способное имитировать ветровое обтекание зданий, теплопередачу строительных поверхностей, эвапотранспирацию и отражение, передачу, поглощение и пропускание солнечного излучения вообще. Поток ветра моделируется с помощью уравнения Навье-Стокса (RANS). Препятствием для более широкого внедрения программы в рабочие процессы проектирования являются такие ограничения, как стоимость, знания в области программирования, необходимость огромных вычислительных мощностей и длительное время моделирования.
SimScale – это облачная платформа CFD, способная отображать годовой ход ветра и процессы обтекания зданий ветром. Может загружать геометрические параметры объектов из программ САПР, но результаты не могут импортироваться обратно, поэтому это программное обеспечение также остается ограниченным. Среди преимуществ SimScale – быстрое время вычислений для годовых симуляций, позволяющее идентифицировать несколько критических состояний в течение года.
Eddy3D – это плагин для имитации воздушного потока и микроклимата для Grasshopper. Он использует OpenFOAM и файлы погоды EPW для прогнозирования годового хода ветра. Результаты легко настраиваются в Grasshopper и Rhino, обеспечивающих точный контроль над визуализацией. Eddy3D является примером доступного и простого в использовании инструмента проектирования CFD в Rhino/Grasshopper, в настоящее время он поддерживает только анализ ветра на открытом воздухе. Плагин Eddy3d для Grasshopper позволяет выполнять как простой просчет ветровых потоков, так и годовой расчет движения ветра с множественным направлением движения и получить коэффициент давления на фасады здания.
ANSYS CFD (Fluent) – программа для расчета ветровых нагрузок. Требует проведения большой подготовительной работы для создания геометрической модели местности в CAD формате (рельеф, архитектура), граничных условий для моделирования на стенках и пристеночной зоны. Подходит для расчета аэродинамики уже готовой концепции застройки, созданной во внешних программах. Для каждого нового расчетного случая требуется перестраивать расчетную область и начинать перестраивать сетку сначала, что усложняет процесс моделирования. Для задания сложных граничных условий требуется навык программирования на языке Python. Препятствием для более широкого внедрения программы в рабочие процессы проектирования являются также высокая стоимость.
Основная часть. Для анализа изменения ветровых потоков в жилой застройке рассмотрим этапы моделирования ветрового режима на примере построенного жилого комплекса в городе Воронеж. Особенностью исследования является наблюдение ветрового режима в годовом периоде при различных изменениях этажности и конфигурации здания. Комплекс представляет собой 19 и 25 этажные здания, примыкающие к улицам Красноармейская и Станкевича и окруженные малоэтажной и средней этажности застройкой (рис. 1).
Рис. 1. Жилая застройка для моделирования ветровых потоков на пересечении ул. Станкевича и Красноармейской
Район исследования располагается в правобережной части города на склоне протяженностью около 35 м, спускающемуся к водохранилищу. С восточной части участка размещен частный сектор со зданиями 1–2 этажа. Основы расчёта ветровых потоков выполнены при помощи плагина Eddy3d для Grasshopper и движка CFD Blue Core (рис. 2). Плагин позволяет задавать исходные данные по рельефу, застройке и климатическим параметрам и делать предварительные просчеты, далее с помощью CFD Blue Core выполняются более сложные расчеты параметров ветра на ограниченном участке.
Наиболее важным этапом CFD-моделирования является геометрически корректное отображение реальной местности, так как ветер подвержен наиболее сильному воздействию со стороны рельефа, озеленения и изменения высоты застройки. Информация о рельефе выгружалась из общедоступных цифровых моделей территорий на основе снимков SRTM (Shuttle radar topographic mission) с помощью плагина Heron. Сведения о геометрических параметрах будущей застройки получены из открытых карт с портала Open Street Map с присвоением высотных характеристик с помощью в программы Qgis. Ветровой режим оценивался на основе данных по годовой повторяемости направлений ветра. В расчетах также была использована информация о скорости и направлении ветра в районе исследования с сайта windy.com.
Моделирование ветровых потоков для жилой застройки включало пять шагов построения. Первым этапом моделирования ветра в Grasshopper является привязка геометрии и границ территории, загрузка рельефа и установка необходимых значений фонового ветрового потока. Расчет позволяет автоматически загружать данные о погоде – в формате *.epw (для имитационной модели, а также данные о скорости и направлении ветра).
Следующий шаг касается установки области расчета в виде обычного бокса. Для моделирования окружающей среды CFD в качестве области моделирования считается лучшей практикой использовать форму бокса. Однако данная форма имеет недостатки, когда речь идет о моделировании воздушного потока с несколькими направлениями ветра: может потребоваться повторная сетка и дополнительные этапы предварительной обработки, что может потребовать значительных временных ограничений. Моделирование в Grasshopper позволяет также создавать цилиндрическую вычислительную сетку, упрощающую моделирование произвольных направлений ветра. Для предварительных расчетов и сокращения времени вычисления в работе применена сетка в форме бокса.
Следующий этап моделирования – настройка локации расчета и выполнение симуляции построения векторов скорости ветра в заданных плоскостях. Расчеты проводятся в вертикальных и горизонтальных плоскостях. Данный этап включает множественные вычисления и повторение итераций с учетом розы ветров. Полученные данные отправляются в CFD Blue Core для наглядного отображения результатов расчета в объеме и возможности корректировки вычислений.
Рис. 2. CFD-модель ветровых потоков в жилой застройке, полученная с помощью плагина Eddy3D
После ряда симуляций при различных исходных фоновых направлениях и скоростях воздушного потока были получены значения векторов скорости ветра вокруг возводимых зданий. Моделирование включало симуляцию вариантов по румбам направления движения ветра. Скорость принималась от минимальной (1–3 м/с), характерной для теплого периода года до максимальной, равной 21 м/с, характерной для холодного периода. Несмотря на то, что в целом для города Воронеж господствующим направлением ветра является западное, моделирование показало, что для данной застройки наихудшими вариантами являются направления южное, юго-восточное и северо-западное.
Для наглядного отображения результатов расчета, данные, полученные с помощью Eddy3D, были интегрированы в CFD Blue Core (рис. 3). Данный переход позволяет получить точки со значениями скоростей ветра в м/с и определить наиболее ветреные места и места застойных зон. Результат аэрационного режима для рассматриваемой жилой группы представлен при ветре южного направления со скоростью 6-9 м/с и сопоставим со значениями, полученными в натурных условиях, что позволяет использовать плагин для моделирования строящихся объектов. Для сравнения результатов цифровой модели с фактическими значениями были произведены замеры скорости движения воздуха анемометром и определено его направление в характерных точках расчетной области дворового пространства на уровне дыхания человека (на высоте 1,5 м) в холодный период года. Полученное поле скоростей было наложено на схему моделирования при тех же условиях для сравнения. Расхождение в среднем не превышает 10 %, лишь в некоторых точках составило до 1–2 м/с. Отклонения теоретических и экспериментальных значений связаны с неучтенными в модели элементами благоустройства и ограждениями.
Наглядное отображение траектории ветровых потоков позволяет разместить с наибольшим комфортом места отдыха жителей и парковки автомобилей без вредного влияния на экологическое состояние территории. При этом необходимо учесть появление замкнутого вихревого потока, циркулирующего в угловых пространствах двора данного жилого комплекса. Данное обстоятельство в летний период года потребует дополнительных мер по созданию благоприятного микроклимата (навесы, озеленение и другие мероприятия). В целях защиты территории от сильных ветров рекомендуется использовать вертикальные объекты благоустройства, элементы озеленения, а также использовать данный фактор для снижения загазованности улиц и размещения парковок автомобилей.
Как показывают исследования, влияние рельефа, геометрических параметров застройки на поведение воздушного потока в уличном пространстве является существенным. Свободные приемы планировки, расположение под углом к линии застройки, увеличение отступа от проезжей части, чередование этажности и изменение конфигурации в плане влияет на изменение скорости и направления ветра. Все это указывает на необходимость применения цифрового моделирования при размещении и реконструкции объектов городской среды.
Рис. 3. Отображение ветровых потоков с градацией по скорости от 0 до 19 м/с (а) в горизонтальной, (б) вертикальной плоскостях
Планирование нового строительства и реконструкция существующих объектов должно осуществляться с анализом годового хода ветра и окружающего ландшафта, создающих особые условия на отдельных участках. Предварительные результаты моделирования в процессе архитектурного проектирования могут улучшить тепловой комфорт в стоящихся объектах, ветровой режим на открытых дворовых пространствах, улицах и патио. Подобный расчет должен иметь прикладной характер, а получение практических результатов необходимо упрощать с использованием специальных программ для гидродинамики.
Выводы
- Выявлено наличие достаточно большого количества плагинов, разработанных для целей CFD-моделирования, позволяющих проводить архитектурно-климатический анализ. Обзор инструментов для анализа микроклимата показал, что большая часть программного обеспечения остается проприетарным и не интегрированным в основные программы для проектирования. Из рассмотренных авторами в статье существующих программных разработок плагин Eddy3D выделен как доступный и простой в использовании инструмент.
- В результате компьютерного моделирования застройки были получены траектория и скорость движения воздушных потоков, участки сильных ветров и застойные зоны. Особенностью исследования является наблюдение ветрового режима в годовом периоде при различных изменениях этажности и конфигурации здания. Результаты цифровой модели ветровых потоков сопоставимы со значениями, полученными в результате натурных измерений, что позволяет рекомендовать рассмотренный программный комплекс для моделирования строящихся объектов для обоснования мероприятий по планированию и благоустройству городского пространства, снижению негативного воздействия ветра на застраиваемой территории.
- Обоснована необходимость использования цифрового моделирования при размещении жилых групп, благоустройстве и реконструкции застройки.
1. Исанова А.В., Попова И.В. Обеспечение требуемых характеристик внутреннего микроклимата при проектировании квартальной многоэтажной жилой застройки с учётом её аэрационного режима // Инженерно-строительный вестник Прикаспия. 2021. № 1 (35). С. 25-29.
2. Попова И.В., Любимова Е.В., Куролап С.А. Вычисление параметров шероховатости и оценка аэрaционного потенциала городских территорий // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. 2018. № 1 (4). С. 79-87.
3. Харченко С.В. Опыт количественной оценки влияния рельефа на аэрацию городской застройки // Геоморфология. 2016. № 3.С. 45-51. doi:https://doi.org/10.15356/0435-4281-2016-3-45-51
4. Максимова О.И. Саенко Н.А. Оценка влияния жилой застройки на аэрационный режим центрального района г. Братска // Современные наукоемкие технологии. 2005. № 5. С. 41-43.
5. Шукуров И.С., Оленьков В.Д., Пайкан В., Аманов Р.М. Обеспечение экологической безопасности городов с учетом аэрационного режима воздуха // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.2017. № 5. С. 41-44. doi:https://doi.org/10.12737/article_590878faafb818.60730967
6. Воробьева Ю.А. Мизилина Е.Г. Экологический аспект реконструкции исторически сложившейся застройки по улице Сакко и Ванцетти городского округа г. Воронеж // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология. 2017. № 1. С. 80-83.
7. Бухаров, Д.Н. Применение моделирования аэрации городской застройки в целях экологической безопасности // В сборнике: Безопасность городской среды. Материалы VIII Международной научно-практической конференции. Омск, 2021. С. 103-107.
8. Kastner P.A., Dogan T. Cylindrical meshing methodology for annual urban computational fluid dynamics simulations. Journal of Building Performance Simulation. 2019. 13(1). Pp. 59-68. doihttps://doi.org/10.1080/19401493.2019.1692906
9. Kastner P., Dogan T. Predicting space usage by multi-objective assessment of outdoor thermal comfort around a university campus. Proceedings of SimAUD 2020. URL: https://www.researchgate.net/publication/346039200
10. Оленьков В.Д., Колмогорова А.О., Сапогова А.Е. Компьютерное моделирование аэрационного режима жилой застройки с целью проветривания и ветрозащиты // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2021. Т. 21.№ 1. С. 5-12. doi:https://doi.org/10.14529/build210101
11. Оленьков В.Д. Учет ветрового режима городской застройки при градостроительном планировании с использованием технологий компьютерного моделирования // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2017. Т. 17. № 4. С. 21-27. doi:https://doi.org/10.14529/build170403
12. Силина Ю.А., Тишина Е.В., Коростелева Н.В. Важность учета микроклиматических параметров при благоустройстве дворовых пространств многоквартирных домов // В сборнике: Актуальные вопросы естествознания. материалы IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. 2019. С. 262-268.
13. Дуничкин И.В., Хамад М.М.Х. Взаимосвязь аэрационного режима и привлекательности внешнего благоустройства жилой застройки в жарком сухом климате // Наука и бизнес: пути развития. 2018.№ 5 (83). С. 34-36.
14. Балакин В.В., Сидоренко В.Ф. Трансформация воздушного потока при обтекании жилых зданий на городских улицах // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2016.№ 44-2 (63). С. 4-18.
15. Грибач Ю.С., Модестов К.А., Лескова Л.В. Расчетные исследования ветрового воздействия при выполнении анализа аэрационного режима территории жилой застройки // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2018. № 8 (1008). С. 50-51.
16. Оленьков В.Д., Пронина А.А. Оценка аэрационного режима города при решении проблем градостроительной безопасности // Градостроительство. 2014. № 6 (34). С. 37-41.
