CFD Vindstudie RegionCity

Transkript

1 CFD Vindstudie RegionCity För: Jernhusen AB Upprättad av: Ting Liu Affärsområde Stadsprojekt Granskad av: Will Sibia Uppdragsnummer:

2 Sammanfattning Vindberäkningar har utförts med CFD-teknik (Computational Fluid Dynamics). ANSYS FLUENT 15.0 användes för att simulera luftflöde i området kring byggnaderna i 3D. Vindhastighet och riktning, turbulensintensitet samt vindtryck beräknades. Lawsons komfortkriterier användes för att utvärdera vindmiljön kring byggnaderna. Komfortkriterie F har bäst vindkomfort och är lämplig för stillasittande. Vindkomfort komfortkriterie C är för ledig promenad. Komfortkriterier D/E är för stående/ingång till byggnad. Tre dominerande vindriktningar identifierades med lokal vindros och simulerades i tre motsvarande scenarion, VSV, NNE och SYD. De fem strategiska områdena som bedömdes som särskilt intressanta har analyserats enligt sina funktioner. Resultaten av vindkomfortstudien av de strategiska områdena med alla scenarier summeras i Tabell 2, i slutsaten av rapporten. Vindmiljön av de strategiska områdena utvärderades till följande: Komfortkravet för stillasittande uppfylls inte fläckvis på torget och åtgärden är att en baldakin kan byggas i sydvästlig passage ansluten till torget. Vid entrén till hus B är det inte passande som ingång till byggnaden/butiker. Vid sydligt hörn av hus B passar inte den här zonen för ingång till byggnader, för skyltar eller hängande dekorationer. Vindkomfortkriterier uppnås för resten av de strategiska områdena. Vindlast på byggnaderna visades i studien och kan tas hänsyn till struktur ingenjör.

3 Innehållsförteckning 1. Syfte Metod Lokal vindros och scenarion Komfortkriterier och krav Lawson komfortkriterier Turbulensfenomen Modell Resultat och diskussion Strategiska områden Scenario VSV Område I: På torget Område II: Terrassen och gatan framför G-huset Område III: Entré A- och B-huset Område IV: Passagen mellan B- och C-huset Område V: Trappor mellan A-E-F husen Scenario NNE Scenario SYD Vindlast på byggnaderna 26 5 Analys 29 6 Åtgärder 32 7 Nästa steg 33 Bilagor -Vindrosberäkning

4 1. Syfte Detta uppdrag utfördes åt Jernhusen i syfte att studera vindkomfort och uppkommande vindlast kring det nybyggda området. 2. Metod Vindberäkningar utförs med CFD-teknik (Computational Fluid Dynamics). Med denna teknik beräknas luftens hastighet och riktning i 3-D i ett stort antal beräkningsceller. För denna studie användes ANSYS FLUENT 15.0 för att simulera luftflöde i området kring byggnaderna. Det är ett av dem mest tillförlitliga CFD programmen. Vindberäkningar följer följande steg: Beräkna lokal vindros Identifiera olika scenarion med dominerande vindriktningar Simulera scenarion Analysera resultaten av strategiska områden i de olika scenarierna 01

5 2.1 Lokal vindros och scenarion Vinden på låg höjd kan variera ganska mycket lokalt, beroende på hinder etc. Därför görs en närliggande mätning av vinddata. Vinddatan kommer från automatisk mätning runt projektområdet därefter tas den hänsyn till att RegionCity ligger i befintlig stadsmiljön. Men vindanalysen bygger inte på exakt omgiven bebyggelse av RegionCity. Lokal vindros beräknades för modellinput. Som framgår i Figur 1 så är dominerande vindriktning sydlig, västlig samt nordostlig. Figur 1. Lokal vindros ( ). 02

6 Tre vindriktningar med högst frekvens beräknades från lokal vindros som framgår i Tabell 1. Tre scenarier (VSV, NNE, SYD) modelleras (se Figur 2). För varje vindriktning användes vindhastigheterna med högst frekvens som inputdata till modellen. Frekvens av vindhastigheter högre än simulerade hastigheter står listad i Tabell 1. Figur 2. Scenarier med dominerande vindriktningar. 03

7 2.2 Komfortkriterier och krav Lawson komfortkriterier Lawsons komfortkriterier är den mest populära metoden för att utvärdera vindkomfort kring byggnader. Den användes i den här studien. Gränsvärde på vindhastighet och procentuell andel av tiden som överskrider gränsvärdet tillämpades som två parametrar för att bedöma vindkomforttillstånd enligt Lawsons komfortkriterier (se Figur 3). Vindkomfort indelas i kategorier A-F, där F för stillasittande har bäst vindkomfort. Gränsvärdet på vindhastighet är 5 m/s för alla vindkomforttillstånd och 15 m/s för vind som innebär fara. Mer data och tid krävs för att analysera procentuell andel av tiden som överskrider gränsvärdet. Vindhastighet är dock tillräckligt för att bedöma vindkomforttillstånd i de flesta fall. Därför används huvudsakligen vindhastigheter för att göra bedömning av vindkomforten i den rapporten. Figur 3. Lawsons komfortkriterier 04

8 2.2.2 Turbulensfenomen Vindmätning karakteriseras av ständiga fluktuationer kring ett medelvärde. Det medelvärde över en viss period är vindhastigheter som användas för vindros beräkning. Dessa variationer runt medelvärdet representerar turbulensintensiteten. Turbulensintensitet är också en aspekt som kan användas för att bedöma vindkomforttillstånd. Hög turbulensintensitet betyder att vindar är byiga, dvs. de byter riktning ofta och plötsligt, vilket förstärker obehaget ytterligare. Byigheten blir speciellt stark i passager mellan byggnader och vid hörn, där luftens strömning ändras kraftigt över korta avstånd. 05

9 3. Modell Området 3km kring byggnaderna modellerades. (se Figur 4). Inom detta område är marken relativt plan. Modellens höjd var 600 m, vilket var fyra gånger högre än den högsta byggnaden i området. Figur 4. Överblick över modellerat området. 06

10 Beräkningsnätet har anpassats efter byggnadernas form och har förtätats i de områden som bedömts som extra intressanta. Detta för att uppnå en högre noggrannhet i beräkningarna. I varje cell i beräkningsnätet beräknas den tredimensionella vindvektorns storlek och riktning (hur mycket det blåser och åt vilket håll), vindtrycket samt den energi som skapas av vindens turbulens. Beräkningsnätet visas i Figur 5. Antalet beräkningsceller är ca 2,3 miljoner. Figur 5. Beräkningsceller omkring byggnaderna. 07

11 4. Resultat och diskussion 4.1 Strategiska områden Figur 6 visar de platser i området som har bedömts som särskilt intressanta att analysera. Detaljerade vindmiljöanalyser av scenario VSV på de strategiska områdena diskuteras i följande rapport. Vindmiljön för de strategiska områdena för scenario NNE och SYD nämns i rapporten om det finns risk för obehagligt vindklimat. Figur 6. Strategiska områden. I. Torget II. Terrassen och gatan framför G-huset III. Entré A-B husen IV. Passagen mellan B-C husen V. Trappor mellan A-E-F husen 08

12 4.2 Scenario VSV Vindriktningen scenario VSV är väst-syd-väst och vindhastigheten är 6 m/s i modellen. Det vindklimatet inträffar 5 % av tiden under ett genomsnittligt år och är den högsta vindfrekvensen. Figur 7 visar fördelning av vindhastighet på gående höjd (1.75m). Vindhastigheten över hela området är mindre än 5 m/s. Det innebär att vindkomfortkriterier uppfylls för alla vindkomforttillstånd. Figur 7. Fördelning av vindhastighet över hela området kring byggnaderna (höjd 1.75m). 09

13 Området med vindhastigheter högre än 4m/s grön markeras i Figur 8. Denna området inte rekommenderas för shopping, sittning eller ingång. 2.5% av vind från den här riktningen har en högre hastigheter än den modellerade hastigheten. Den aspekten bör övervägas för de strategiska områdena. Figur 8. Zoner med hög vindhastighet (> 4 m/s). 10

14 Figur 9 visar fördelning av turbulensintensitet över hela området kring byggnaderna. (höjd 1.75m). Figur 9. Fördelning av turbulensintensitet över hela området kring byggnaderna (höjd 1.75m). 11

15 Figur 10 visar området med turbulensintensitet medel (k= m²/s²). Figur 10. Zoner med turbulensintensitet medel (k= m²/s²). Figur 11 lilamarkerar zoner med turbulensintensitet hög (k > 1 m²/s²). Dessa zoner är inte passande för ingång till byggnader, för skyltar eller hängande dekorationer etc. Figur 11. Zoner med turbulensintensitet hög (k > 1 m²/s²). 12

16 4.2.1 Område I: På torget Vindhastigheter på torget är m/s (se Figur 12). Starka vindar (vindhastighet > 4 m/s) inträffar från sydvästlig och nordlig riktning mot torget. Turbulensintensiteten på torget är medel (se Figur 13). Figur 12. Fördelning av vindhastigheter över torget. Figur 13. Fördelning av turbulensintensitet över torget. 13

17 4.2.2 Område II: Terrassen och gatan framför G-huset Figur 14 visar att vindhastigheten på terrassen 1.5 m över marken är mindre än 2.5 m/s. Det uppfyller Lawsons komfortkriterier F för stillasittande. Figur 14. Vindhastighet på terrassen, 1.5 m ovanför terrassgolv. 14

18 Figur 15 visar att vindhastigheten framför G-huset är 1-2 m/s. Det uppfyller Lawsons komfortkriterier F för stillasittande. Figur 15. Vindhastighet på gatan framför G-huset. 15

19 4.2.3 Område III: Entré A- och B-huset Figur 16 visar att vindhastigheten framför A-huset är 1-3 m/s Det uppfyller Lawsons komfortkriterier D/E för stående/ ingång till byggnad. Vindhastigheten framför B-huset är 2-4 m/s. Det överskrider Lawson komfortkriterier D/E och kategoriseras därför som Lawson komfortkriterier C för ledig promenad. Figur 16. Vindhastighet framför A- och B-huset. 16

20 4.2.4 Område IV: Passagen mellan B- och C-huset Figur 17 visar att vindhastigheten mellan B- och C-huset är 2-3 m/s. Det uppfyller Lawsons komfortkriterier D/E för stående/ingång till byggnad. Figur 17. Vindhastighet på passagen mellan B- och C-huset. 17

21 4.2.5 Område V: Trappor mellan A-E-F husen Figur 18. Vindhastighet och turbulensintensitet mellan A- och E-huset. Figur 18 visar att vindhastigheten mellan A- och E-huset är mindre än 1.5 m/s, dessutom är turbulensintensiteten låg. Som framgår i Figur 19 är vindmiljön mellan E- och F- huset samma som mellan A- och E-huset. Därför uppfyller både trapporna Lawsons komfortkriterie F för stillasittande. Figur 19. Vindhastighet och turbulensintensitet mellan E- och F-huset. 18

22 4.3 Scenario NNE Vinden i scenario NNE är Nord-nord-öst och hastigheten är 4 m/s. Det vindklimatet inträffar 3 % av tiden under ett genomsnittligt år. 1.5% av vinden med den här riktningen har en högre hastighet än den modellerade hastigheten. Fördelning av vindhastighet på gående höjd (1.75m) visar i Figur 20. Vind hastigheter över hela området är mindre än 5m/s. Det innebär att vind komfortkriterier uppfylls för alla vindkomfort tillstånd. Figur 20. Fördelning av vindhastighet över hela området kring byggnaderna (höjd 1.75m). 19

23 Området med vindhastigheter 2-3 m/s blåmarkeras i Figur 21. Det här området uppfyller Lawsons komfortkriterier D/E för stående/ingång till byggnad. Bara en begränsad del av området har en vindhastighet på 3-4 m/s. Figur 21. Zoner med vindhastighet medel (2-4 m/s). 20

24 Figur 22 visar fördelning av turbulensintensitet över hela området kring byggnader (höjd 1.75m). Mellan till låg turbulensintensitet inträffas. Figur 22. Fördelning av turbulensintensitet över hela området kring byggnaderna (höjd 1.75 m). 21

25 Figur 23 visar zoner med turbulensintensitet medel. (k= m²/s²). Grönmarkerade zoner ingår i det strategiska området torget. Figur 23. Zoner med turbulensintensitet medel (k= m²/s²). 22

26 4.4 Scenario SYD Vindriktningen i scenario SYD är sydlig och vindhastigheten är 4 m/s i modellen. Det vindklimatet inträffar 3 % av tiden under ett genomsnittligt år. 1.5% av vind med den här riktningen har en högre hastighet än den modellerade hastigheten. Figur 24 visar fördelning av vindhastighet på gående höjd (1.75 m). Vindhastigheten över hela området är mindre än 4 m/s. Det innebär att vindkomfortkriterier uppfylls för alla vindkomforttillstånd. Figur 24. Fördelning av vindhastighet över hela området kring byggnaden (höjd 1.75 m) 23

27 Området med vindhastigheter 2-3 m/s blåmarkeras i Figur 25. Det här området uppfyller Lawsons komfortkriterier D/E för stående/ingång till byggnad. En del av området har en vindhastighet som är 3-4 m/s. Figur 25. Zoner med vindhastighet medel (2-4 m/s). 24

28 Figur 26 visar fördelning av turbulensintensiteter över hela området kring byggnader (höjd 1.75m). Figur 26. Fördelning av turbulensintensitet över hela området kring byggnaderna (höjd 1.75m). Mellan till låg turbulensintensitet inträffas. Turbulensintensiteten (k= m²/s²) på torget är förhållandevis hög (se Figur 27). Figur 27. Zoner med turbulensintensitet medel (k= m²/s²). 25

29 4.5 Vindlast på byggnaderna - Scenario VSV Figur 28. Tryckfält på byggnaderna på höjden 50 m. Figur 28. Tryckfält på byggnaderna i Scenario VSV. 26

30 4.5 Vindlast på byggnaderna - Scenario NNE Figur 29. Tryckfält på byggnaderna i Scenario NNE 27

31 4.5 Vindlast på byggnaderna - Scenario SYD Figur 30. Tryckfält på byggnaderna i Scenario SYD. 28

32 5. Analys Lawsons komfortkriterier och turbulenseffekt användes för att utvärdera vindmiljön kring byggnaderna. Resultaten av vindkomfortstudien av de strategiska områdena med alla scenarier summeras i Tabell 2 enligt Lawsons komfortkriterier. Komfortkriterie F har bäst vindkomfort och är behagligt för stillasittande. Komfortkriterier D/E är för stående/ingång till byggnad och komfortkriterie C är för ledig promenad. 29

33 Vindhastigheter med hänsyn till turbulenseffekt kan ge viration på vindhastigheter. Vinden t.ex mitten i torget har ett medelvärde av vindhastighet på 3.5 m/s som varierar från 2.7 m/s upp till 4.3 m/s på grund av turbulenseffekten. Dessutom varierar vinden mellan 1-3 m/s vid sydligt hörnet av B-huset. Figur 31. Överlagrad vindhastighet (Gråskalig-tabell) och turbulensintensitet (Färgad ISO-tabell) över torget i scenario VSV. 30

34 Figur 32. Området med eventuellt obehagligt utomhusklimat numrerad efter lista till vänster. Vindmiljön av de strategiska områdena, rödmarkerat i figur 32, utvärderas följande: 1. Komfortkravet för stillasittande uppfylls inte fläckvis på torget i scenario VSV Kravet för stillasittande uppfylls längs B-, C-, D- och E-huset. 2. Passagerna norr och sydväst om torget resulterar starka vindar. Dessa områden rekommenderas inte för entré, utservering eller shopping. 3. Vid entrén till hus B uppnås vindkomfortkriterie C: Ledig promenad. Det innebär att placering av byggnads- eller butiksentré inte är rekommenderat. 4. Vid sydligt hörn av hus B är det hög vindhastighet och turbulensintensitet, därför rekommenderas inte den här zonen för ingång till byggnader, för skyltar eller hängande dekorationer. 5. Vindkomfortkriterier uppnås för resten av de strategiska områdena. 31

35 6. Åtgärder Arkitektoniska åtgärder VSV vind förekommer mest i området. Den sydvästra passagen på torget har samma rikning som VSV vinden och det kan uppstå problem. Som återgärd föreslås ändrad fasadriktning alternativt att passagen kröks. Alternativa åtgärder (Utan ändring på fasadutformning) VSV vind kan orsaka ogynnsam vindmiljö på passagerna och torget. Åtgärder på den sydvästra passagen kan förbättra vindmiljön på både torget och den norra passagen. Traditionella åtgärder för att förbättra vindklimatet är att: (1) Installera skärmtak i passagen (se ett exempel i Figur 33) (2) Alternativt glasa in passagen med svängdörr. Figur 33. Exempel på skärmtak för att leda bort vindkrafter. 32

36 7. Nästa steg - Nya simuleringar med den omgivande bebyggelsen kan genomföras för att få säkrare resultat. - De olika åtgärderna kan simuleras för att undersöka vilket av alternativen som ger bäst vindkomfort. 33

37 Vindros för Göteborg Jon Olauson Juni

38 1 Data Figur 1: Läge för den vindmätning som analyserats. Mätdata mellan har hämtats från SMHI:s station 7241 i Göteborg. Mäthöjd är 10 meter ovan mark. Stationen automatiserades 1995, innan dess var mätningen manuell. Under perioden har mätmasten flyttats kortare sträckor vid fem tillfällen, det senaste av dessa var Positionen för den senaste placeringen visas i Figur 1. Under tiden med automatisk mätning har 10-minutersmedelvärden av vindhastighet och -riktning loggats var tredje timme. Pga. osäkerheterna relaterat till manuell mätning av vindhastighet, samt att automatiskt uppmätta data finns tillgängliga för 16 år, rekommenderas att bara använda perioden 1995 och framåt i analysen. Dock visas även resultat för hela mätperioden i denna rapport. 2 Vindros Som framgår av Figur 2 och 3 så är dominerande vindriktning syd till väst samt nordostlig. Det finns betydande skillnader i vindriktningar och vindhastigheter om man jämför hela perioden och perioden med automatisk mätning. Det skulle kunna förklaras med långsiktiga skillnader i regionalt vindklimat eller att mätmasten flyttats något, men det är också möjligt att den manuella mätningen har överskattat andelen höga vindhastigheter. Som nämndes ovan rekommenderas att endast använda perioden i den vidare analysen. 2

39 NORTH 15% 10% 5% WEST EAST SOUTH >= Figur 2: Vindros för hela mätperioden ( ) NORTH 15% 10% 5% WEST EAST SOUTH Figur 3: Vindros för automatisk mätning ( ) 3

40 3 Tabell Antalet mättillfällen med olika vindhastigheter och -riktningar anges i tabellerna i separat Excel-blad. Datat är uppdelat i bins med upplösningen 1 m/s och 30 grader. Som exempel är har mättillfällena i bin 7 m/s, 270 grader vindhastigheten m/s och vindriktningen grader. Observera att perioder med vindhastighet 0 inte ges någon riktning utan måste behandlas separat. 4