Исследование ветрового режима жилых кварталов в целях проветривания

В современном мире полным ходом продолжается урбанизация. Урбанизация – это процесс развития и роста городов, сопровождающийся увеличением доли городского населения в общей численности населения страны или региона. Это не просто увеличение числа людей, проживающих в городах, а сложный социально-экономический процесс, включающий в себя: рост численности городского населения, расширение городских территорий, изменение структуры населения, развитие городской инфраструктуры (строительство жилья, дорог, транспортных систем, коммунальных служб, объектов социальной сферы) [1–3].

Стремительный рост городов влечет за собой масштабные изменения в городской среде, оказывающие значительное влияние на качество жизни и комфорт её обитателей. О влиянии уплотнения городской застройки на комфортность среды писали такие зарубежные авторы, как A. Kubilay, A. Rubin, D. Derome, J. Carmeliet [4], а также O. Hågbo и K. E. T. Giljarhus [5].

Комфорт и здоровье жителей жилых районов напрямую зависят от качества окружающей среды, важнейшим компонентом которой является воздухообмен. Эффективное проветривание застройки, обеспечивающее удаление загрязняющих веществ от автомобилей и промышленности, а также поддержание оптимального микроклимата, невозможно без учёта особенностей ветрового режима [6– 12]. Особенности учёта аэрационного режима на стадии проектирования рассматривал в своих трудах Ф.Л. Серебровский [13].

Учёт аэрационного режима при проектировании городской застройки является одной из наиболее важных задач градостроительства, так же как соблюдение норм инсоляции. Однако в настоящее время исследованию ветрового режима жилых территорий уделяется недостаточно внимания [14, 15].

Сегодня в архитектурно-строительной аэродинамике активно применяется теоретический метод учёта аэрационного режима городской застройки. Данный метод носит название метода численного моделирования [16–20].

В наше время, используя современные программные комплексы, можно получать максимально точные результаты исследований в кратчайшие сроки. В данной статье для исследования ветрового режима применялся программный комплекс Ansys Discovery Life, предоставляющий широкий спектр инструментов для расчёта и анализа различных процессов, в том числе газодинамики.

Использование современных программных комплексов позволяет проверять различные теории и решать сложные задачи на стадии проектирования застройки. Результаты, полученные в ходе исследования, дают возможность предугадать и проанализировать характер движения воздушных потоков в проектируемой городской застройке и исправить имеющиеся «проблемные» зоны на стадии проектирования, тем самым обеспечить должную ветровую комфортность территории.

Целью настоящей работы является исследование ветрового режима строящегося жилого комплекса с точки зрения проветривания.

Объектом исследования был выбран строящийся жилой комплекс с учётом окружающей застройки. Предметом исследования являлся ветровой режим территории жилого комплекса. Трёхмерная визуализация строящегося жилого комплекса представлена на рис. 1.

• 1.    Описание используемого программного комплекса

Расчётная часть настоящего исследования была выполнена с применением многофункционального программного комплекса ANSYS Discovery Live. Одним из достоинств данного ком-

Рис. 1. Исследуемый жилой комплекс

Рис. 2. План и фотореалистичная концепция жилого комплекса

плекса является высокая скорость проведения расчётов и простота в освоении. Применение Discovery Live позволяет сократить затраты времени на проведение численных экспериментов в несколько десятков раз, по сравнению с ANSYS CFX.

ANSYS Discovery Live – программа концептуальных расчётов с возможностью быстрого выполнения аэродинамических исследований, от которой не требуется высокая точность. При этом в программе есть возможность выбора скорости расчёта, что напрямую влияет на точность конечного результата.

• 1.1.    Исходные данные и методика проведения

• 2.    Результаты исследования

Объектом исследования был выбран жилой комплекс, находящийся на стадии строительства. Проектом предусмотрена достаточно плотная застройка, требующая изучения аэрационного режима с точки зрения проветривания для определения условий комфортности нахождения людей на дворовой территории.

Комплекс включает в себя четыре группы зданий от 1 до 18 этажей. Дворовые территории не включают в себя автомобильные парковки. Места для парковки предусмотрены по периметру жилого комплекса, а также в промежутках между группами зданий. План проектируемого жилого комплекса с нанесёнными габаритными размерами представлен на рис. 2.

С целью более точного учета ветрового потока, входящего в жилой комплекс, для создания расчетной модели были построены план, а также объемная модель жилого комплекса с учётом окружающей застройки, приведённые на рис. 3 и 4 соответственно. Общие размеры области исследования в плане составили 719 метров в длину и 620 метров в ширину. Площадь исследуемой области застройки составила 0,45 км2, или 44,6 га, радиус застройки составил 440 метров.

Был рассмотрен ветровой режим исследуемого жилого комплекса при северо-западном направлении. Скорость входящих в застройку ветров U 0 была условно принята равной 5 м/с. В соответствии с этим было получено изометрическое поле скоростей ветра, представленное на рис. 5.

Данное направление ветра является одним из наиболее вероятных в теплый период года для города Челябинска по сравнению с остальными, поэтому его анализ имеет серьёзное значение для всего исследования.

Для достоверного анализа полученных данных поле скоростей ветра было разделено на аэрационные зоны согласно данным И.К. Лифанова [9].

Промежутки между группами жилых домов, где расположены автомобильные парковки, представлены в основном зонами комфортных и допустимых скоростей ветра, проветривание обеспечивается. При этом попадание выхлопных газов в дворовые территории незначительно.

Ввиду полузамкнутой компоновки зданий во дворах большинства групп домов преобладают зоны пониженных скоростей ветра. Несмотря на их преобладание в дворовых территориях, можно отметить, что большинство дворов хорошо защищены от поступления выхлопных газов с улицы 250-летия Челябинска.

Для исследуемой территории также были подсчитаны риски аэродинамического воздействия (см. таблицу), которые позволяют определить уровень комфортности городской застройки и подсчитать средний коэффициент трансформации

Рис. 3. План жилого комплекса с учётом окружающей застройки

Рис. 4. Трёхмерная модель с учётом окружающей застройки скорости ветрового потока для исследуемой территории по данному направлению ветра.

Следует ввести понятие риска аэродинамического воздействия. Риск отражает отношение площади конкретной аэрационной зоны к общей площади исследуемой области без учёта площади зданий в плане. С его помощью можно определить долю каждой зоны скорости ветра относительно общей площади всех зон.

Для подсчёта рисков аэродинамического воздействия на территории выбранного объекта исследования была выбрана произвольная область, включающая в себя все группы домов жилого комплекса, а также относящиеся к нему автомобильные парковки. Выбранная область представлена на рис. 6. Общая площадь выбранной зоны исследования составляет 51512,72 м2, площадь зданий в плане, находящихся в выбранной облас-

Рис. 5. Поле скоростей при северо-западном направлении ветра

Рис. 6. Область исследования рисков аэродинамического воздействия

Риски аэродинамического воздействия при восьмом направлении ветра (доля зоны диапазонов скоростей)

Скорость ветра, и, м/с Коэффициент трансформации, τ Площадь, S, м² τ·S Риск аэродинамического воздействия, P, % Более 5 (дискомфортные зоны) Более 1 0,00 0,00 0,00 3–5 (допустимые зоны) 0,6 — 1 5412,94 5412,94 14,17 1–3 (комфортные зоны) 0,2 — 0,6 18168,32 10900,99 47,57 0–1 (застойные зоны) 0 — 0,2 14611,13 2922,23 38,26 Общее значение (сумма) 38192,39 19236,16 100 Средний коэффициент τср 0,50 ти, – 13320,33 м2. Данные значения в дальнейшем были приняты при расчёте рисков аэродинамического воздействия.

В соответствии с таблицей рисков аэродинамического воздействия можно сделать вывод, что при данном направлении ветра преобладают комфортные зоны (47,57 %). Застойные зоны занимают 38,26 % исследуемой площади. Местами присутствуют зоны допустимых скоростей ветра (14,17 %).

Выводы

Проведённые исследования показали, что:

• 1)    рассмотренный жилой квартал хорошо защищён от попадания вредностей со стороны близлежащих дорог;

• 2)    дворовые территории хорошо защищены от ветра, что обеспечивает комфорт жителям в зимний период года, когда повышенные скорости ветра оказывают наиболее негативное влияние на качество жизни;

• 3)    несмотря на преобладание пониженных скоростей ветра в дворовых территориях, в теплый период года проветривание будет обеспечено конвективной циркуляцией воздуха;

• 4)    методика исследования ветрового режима городской застройки с помощью численного моделирования в программном комплексе ANSYS Discovery Live может использоваться для исследования ветрового режима жилых кварталов с целью обеспечения должного проветривания.