VINDMILJØ VED KUA CFD ANALYSE AF VIND- KOMFORT OG VINDSIK- KERHED

Transkript

1 Til Jørn Lindinger, Arkitema, Ninna Borre, Universitets- og Bygningsstyrelsen Dokumenttype Rapport Dato Juli, 2011 VINDMILJØ VED KUA CFD ANALYSE AF VIND- KOMFORT OG VINDSIK- KERHED

2 VINDMILJØ VED KUA CFD ANALYSE AF VINDKOMFORT OG VINDSIKKERHED Revision 1 Dato Udarbejdet af MHT Kontrolleret af JTB Godkendt af Beskrivelse SAT CFD analyse af vindmiljøet omkring Københavns Universitet ved Amager. Ref. Rambøll Hannemanns Allé 53 DK-2300 København S T F

3 INDHOLD 1. Introduktion 1 2. Vindkomfort og sikkerhed Vindkomfort Vindsikkerhed Vindforhold generelt 4 3. Vindforhold i KUA området 6 4. Anvendt metode til vindanalyse CFD Geometri Randbetingelser Beregningsnet Anvendte modeller Resultater Relativ vindhastighed Kriterier for vindkomfort og sikkerhed Vindkomfort Vindsikkerhed Vurdering og Konklusion Referencer 36 BILAG Bilag Luftstrømningsmønster ved KUA torv i fodgængerniveau

4 1 1. INTRODUKTION I forbindelse med udbygningen af Københavns Universitet på Amager (KUA) ønskes vindmiljøet undersøgt med henblik på at afklare, om der opstår uhensigtsmæssige vindpåvirkninger omkring byggeriet. Uønskede vindforhold kan opstå som følge at udformning og placering af bygninger, der forhindrer vinden i at strømme frit igennem et område således, at der opstår lokale accelerationer af vinden. Sådanne accelerationer udsætter fodgængere og cyklister for pludselige vindstød, der kan blive så kraftige, at de er ubehagelige og i visse tilfælde endda medfører sikkerhedsmæssige problemer. En vurdering af vindmiljøet omkring bygninger kræver, at vindhastigheden i bygningens nærområde bestemmes, enten ved en vurdering ud fra erfaringer, ved målinger eller ved beregninger. Målinger gennemføres i en vindtunnel, og giver præcise resultater, men processen er både dyr og tidskrævende, mens beregninger ved hjælp af CFD (Computational Fluid Dynamics) er et hurtigt og præcist værktøj til vurdering af hele bygningskomplekser. For at vurdere det lokale vindmiljø er der i denne analyse foretaget CFD beregninger af 12 forskellige vindretninger. Disse analyser gør det muligt at lokalisere regioner med lokale accelerationer og recirkulationszoner ved at bestemme den lokale strømningshastighed. Når resultaterne sammenholdes med statiske data for vindretningshyppighed og -styrke, er det muligt at vurdere vindkomforten i forhold til antallet af timer denne forekommer igennem et år. Vindkomforten kan således relateres til forskellige aktivitetsniveauer såsom Siddende, Spadsere eller Hurtig gang. I forbindelse med den nærvende analyse er der fokus på følgende områder ved KUA: Ramblaen hvor der bliver en portåbning ved sammenbygningen mellem kommende KUA2 og KUA3 Gårdhaverne Tagterrasserne på de to mellembygninger Indgangen mod torvet Torvet og mulighederne for ophold der og i friarealet. Københavns Universitet på Amager ligger i den østlige del af København. De fremherskende vindretninger i dette område er vestlige og sydvestlige vinde. Endvidere forekommer der typisk vinde fra nordvestlige retninger om vinteren. Vindmiljøet omkring KUA er kun delvist en funktion af selve bygningsudformningen. Stærke interaktioner med de omkringliggende bygninger vil opstå med komplekse strømningsmønstre såsom lokale hvirvler, accelerationer og dødzoner som følge. Derfor er det nødvendigt at medtage de omkringliggende bygninger i vindmiljøanalysen. De flest bygninger i nærheden af KUA er af sammen højde. Mod sydvestlig retning er der et større grønt områder, hvor bevoksningen er af mindre træer og buske, men mod alle øvrige retninger vil KUA være omkranset af bygninger, som det kan ses på Figur 4-1 i kapitel VINDKOMFORT OG SIKKERHED Opfattelsen af komfort og vindmiljø vil altid være subjektiv og kan som sådan ikke kvantificeres entydigt. En række studier af folks opfattelse af vindmiljøet i forskellige områder har dog ført til en række anbefalinger vedr. vurdering af vindmiljø.

5 2 Følgende tre punkter bør tages i betragtning, når lokalt vindmiljø vurderes: Som udgangspunkt bør områder til ophold i længere tidsrum (f.eks. caféer eller anden udendørs servering) etableres i områder, hvor der er læ, dvs. hvor vindhastigheden er lavere end i det fri. Områder hvor vindhastigheden er den samme eller højere end i den fri vind, bør kun bruges til stiarealer, hvor folk ikke forventes at tage ophold. Endelig bør adgangspartier ikke placeres i regioner med høje vindhastigheder. Det vil sige, at der opstår problemer med vindmiljøet, når områder benyttes til et formål, det ikke er egnet til ud fra de lokale vindforhold. 2.1 Vindkomfort For at kunne vurdere vindforholdene i et givet område opstilles overskridelseskriterier, der er et udtryk for komforten eller sikkerheden for at færdes i området. Disse kriterier anvendes på middelvindhastigheden og turbulensen i 1,7m højde, svarende til den gennemsnitlige hovedhøjde for fodgængere. Ud fra et omfattende studium af diverse kriterier, kom Bottema (2000) /2/ frem til følgende to kriterier: Komfortkriterium: U + σ u > 6 m/s formel (1) Sikkerhedskriterium: U + 3σ u > 20 m/s formel (2) hvor σ P max er spredning på hastigheden (turbulens) er den maksimale tilladelige overskridelse af kriteriet på årsbasis Turbulensen er svær at bestemme helt generelt. Undersøgelser fra Risø angiver en simpel sammenhæng med middelhastigheden for en metrologisk station /3/: σ = 0,151 U ,119 Det antages, at forholdet mellem spredning og middelhastighed vil være det samme i 10 meters højde som på gadeplan, hvorfor dette udtryk er anvendt til at beregne turbulensen. Da følelsen af vindkomfort afhænger af den aktivitet, der udføres imens en person påvirkes af vinden, inddeles komfortkriteriet i flere niveauer, efter hvor ofte kriteriet er overskredet. Der findes intet dansk normgrundlag for fastsættelsen af disse komfortniveauer, men der findes en SBI-anvisning nr. 128 /1/. SBI-anvisningen baserer sig på en overskridelse af 5m/s, men tager ikke højde for vindstød. SBI-anvisningen angiver, at der bør foretages forbedringer hvis 5 m/s er overskredet mere and 20 % af tiden. Kriterierne fra den hollandske norm NEN8100, som er baseret på nyere forskning, vurderes at repræsentere de faktiske vindforhold bedre. Disse kriterier fremgår af nedenstående tabel:

6 3 Tabel 2-1: Klasser for vindkomforten i et givent område efter overskridelsessandsynlighed (%) i den hollandske vindkomfortnorm NEN8100. /4/. Lawsons komfortkriterier, der er vist på Figur 2-1, illustrerer sammenhængen mellem vindhastighed og aktivitet. Som det kan ses ved sammenligning er der en vis overensstemmelse imellem normen NEN8100 og Lawsons vindkomfort kriterier. Figur 2-1: Lawsons komfortkriterier

7 4 Beaufort nummer Middel vind hastighed (m/s) Beskrivelse Effekt 0 < 0,45 Stille Røg stiger vertikalt. 1 0,45 1,55 Luftning Svag bevægelse i røg i vindens retning. 2 1,55 3,35 Svag vind Bevægelse i små blade. 3 3,35 5,60 Let vind Blade og kviste bevæger sig. Vimpler løftes. 4 5, Jævn vind Støv og papir løftes. Kviste og mindre grene bevæger sig. 5 8,25 10,95 Frisk vind Små træer bevæger sig. 6 10,95 14,10 Hård vind Bevægelse i store grene. Luftledninger synger. Det er vanskeligt at bruge paraply. 7 14,10 17,20 Stiv kuling Store træer bevæger sig. Vanskeligt at gå mod vinden. 8 17,20 20,80 Hård kuling Kviste og grene brækkes af træer. Biler er vanskelige at holde på vejen. 9 20,80 24,35 Stormende kuling Store grene på træerne knækker. Tagsten blæser ned ,35 28,40 Storm Træer rives op med rode. Store skader på bygninger. Tabel 2-1: Beaufort skalaen 2.2 Vindsikkerhed Vindsikkerhedskriteriet er blevet inddelt i tre niveauer; områder der ved stærk vind ikke kan betragtes som usikkert at færdes i, områder med begrænset sikkerhed, og områder hvor det er usikkert at færdes i ved stærk vind. Som for komfortkriteriet bygger niveauinddelingen på, hvor tit sikkerhedskriteriet (formel 2) er overskredet. SBI-anvisningen anvender ikke et selvstændigt sikkerhedskriteriet, men angiver at hvis 5 m/s er overskredet mere end 53 % af tiden er det meget ubehageligt til farligt. Den hollandske norm 8100 angiver niveauinddelingerne, der fremgår af nedenstående tabel. Tabel 2-2: Niveauer for vindsikkerhedsklasser efter overskridelsessandsynligheder (%) i den hollandske vindkomfortnorm NEN8100 /4/. Ud fra ovenstående kriterier for overskridelsessandsynligheder og en vindstatistik for området kan der for hele området beregnes, hvor tit kriterierne overskrides. Ud fra dette Kan områderne niveauinddeles efter forskellige kategorier. 2.3 Vindforhold generelt Forøgede vindhastigheder opstår typisk omkring hjørner af bygninger, i passager mellem to bygninger eller ved foden af høje bygninger. Figur 2-2 viser hvorledes placeringen af gader og bygninger i forhold til vindretningen påvirker luftgennemstrømningen i et område, og Figur 2-3 viser hvorledes høje bygninger kan fange vinden og lede den ned i jordniveau, hvilket fører til kastevinde og høje lufthastigheder omkring hjørner.

8 5 Figur 2-2: Effekter af udlægning af bebyggede områder Figur 2-3: Illustration af de komplekse strømningsforhold omkring høje bygninger Der er flere muligheder for at afhjælpe dårligt vindmiljø udover at ændre på placeringen af bygninger. Ved høje bygninger kan der f.eks. etableres fremspring i form af baldakiner eller brud i facadeforløbet. Ved hjørner kan der etableres beplantning. Endelig kan der anvendes læhegn.

9 6 Station Station VINDFORHOLD KØBENHAVNS I KUA OMRÅDET LUFTHAVN LUFTHAVN Den nærmeste meteorologiske målestation til KUA området befinder sig ved Kastrup lufthavn. Vindrosen herfra, som ses på Figur Hele 3-1, perioden viser Hele perioden tydeligt, at den dominerende vindretning er vest, og at den oftest har en hastighed på under 11 m/s. N N V Ø V 5% Ø 10% 5% % 20% m/s Procent: S m/s > 11.0m/s N Ø S V Ialt Figur 3-1: Vindrose fra Kastrup m/s % % S m/s % m/s N Ø S V Ialt % m/s % % % > 11.0m/s m/s Middel % hastighed m/s Største hastighed % Totalt > antal 11.0m/s observationer = Kilde: DMI Vindstille Middel defineret som hastighed <= 0.2m/s Antal hastighed observationer med vindstille/varierende vind: 580 = 2.0% Største hastighed Totalt antal observationer = Kilde: DMI Vindstille defineret som hastighed <= 0.2m/s Antal observationer med vindstille/varierende vind: 580 = 2.0% 210 Tabel 3-1: Vindfordeling for Kastrup 15% 20% 10% 15% 150 Procent: > 11.0m/s En anden måde at repræsentere disse data på er vha. en statistisk fordeling. Her anvendes normalt en Weibull fordeling. I Tabel 3-2 er sådan en fordeling vist for Kastrup lufthavn, der anvendes senere i rapporten under analysen af resultaterne til at beregne antallet at timer om året, hvor kritiske vindforhold opstår, se afsnit 5.3.

10 Frekvens f(u) / [%] CFD ANALYSE AF VINDKOMFORT OG VINDSIKKERHED 7 Vindfordeling fra European Wind Atlas Weibull Sektorer Frekvens A [m/s] k [-] 0 6,70 6,6 2, ,00 6,4 2, ,50 7,6 2, ,50 8,1 2, ,70 7,7 2, ,70 6,7 2, , , ,20 6,6 2, ,50 7,5 2, ,50 7,3 2, ,70 7,2 2, ,10 6,5 2,21 Total 100,00 7,1 2,32 Tabel 3-2: Weibull fordeling Weibull for fordeling vind ved i Kastrup 2 meter lufthavn over terræn efter vindretning 20.00% 18.00% 16.00% 14.00% 12.00% 10.00% 8.00% 6.00% 4.00% 2.00% 0.00% Vindhastighed / [m/s] Figur 3-2: Weibull fordeling for et helt år 10 m over terræn ved Kastrup lufthavn.

11 8 4. ANVENDT METODE TIL VINDANALYSE 4.1 CFD Computational Fluid Dynamics (CFD) er et kraftfuld værktøj til analyse af fluidstrømninger. Som navnet indikerer, er det en computerbaseret metode, der bruges til løsning af de styrende ligninger for fluidbevægelser, hvilket gøres i alle tre dimensioner. Det første trin i CFD modellering er at skabe en CAD model af det komplette gennemstrømmede område, der ønskes simuleret. Derefter skabes et beregningsnet ved at inddele området i meget mindre volumener, såkaldte kontrolvolumener. I teorien er der ingen begrænsning for størrelsen af CAD-modellen og detaljeringsgraden i nettet, men i praksis sætter computerkraften en grænse. Det næste trin er at sætte den egentlige CFD model op på det genererede net. CFD softwaren som anvendes af Rambøll er ANSYS CFX v. 13 ( Dette er et generel 3D CFD program, som kan håndtere fluidstrømninger, turbulens, fler-komponent strømninger, fler-fase strømninger, kemiske reaktioner, forbrænding og stråling. Kombinationen af modeller, som anvendes i en given model, vælges således, at al betydningsfuld fysik inkluderes i det simulerede system. CFD modellen løses endelig på en iterativ måde. Resultatet fra simuleringerne er værdier for alle vigtige variable, såsom tryk, lufthastighed, temperatur og turbulensniveau i hver eneste kontrolvolumen. Disse værdier kan repræsenteres både kvalitativt i form af plots på planer eller overflader og kvantitativt i form af beregnede værdier, f.eks. middelhastigheden i udløbet til et beregningsdomæne eller kraften på en flade. 4.2 Geometri Som nævnt tidligere vil bygningerne i området ved KUA skabe komplekse strømninger, der må inkluderes i en evaluering af det lokale vindmiljø. Figur 4-1 viser området. KUA2 KUA3 Figur 4-1: Luftfoto over KUA området

12 3000 m CFD ANALYSE AF VINDKOMFORT OG VINDSIKKERHED 9 Den eneste måde at medtage alle de nødvendige effekter er ved direkte modellering, dvs., at de omkringliggende bygninger må medtages i geometrimodellen. Endvidere er det vigtigt, at de forskellige randbetingelser placeres tilstrækkeligt langt borte fra interesseområdet til, at der ikke dannes kunstige effekter, såsom unaturlig acceleration af strømningen eller undertrykkelse af hvirvler. Derfor bliver den totale geometri betydeligt større end selve interesseområdet (Figur 4-1). Eftersom der simuleres 12 forskellige vindretninger er domænet tolvkantet med centrum på torvet foran KUA bygningerne. Afstanden mellem parallelle rande i tolvkanten er 3 km. Domænet er 200 m højt. Dermed følger CFD beregningerne de anvisninger som gives i forbindelse med /5/ og /6/ m Figur 4-2: Beregningsdomænet set fra oven hvor bygninger er markeret med blåt og træerne med grønt. 200 m Figur 4-3: Beregningsdomænet set fra siden hvor bygninger er markeret med blåt og træerne med grønt. CFD geometrien for KUA 1, 2, 3 og for det Kongelige bibliotek er dannet ud fra eksisterende CAD geometrier. Resten af bygningerne er skitseret ud fra luftfoto over området, hvorfor disse må anses for at være relativt unøjagtige, hvilket vil have en effekt på kvaliteten af resultaterne, men denne metode er langt mere nøjagtig end en modellering uden de omkringliggende bygninger.

13 10 Figur 4-4: Geometrien set fra nordøst. Geometrien med blåt er bygninger og træerne er markeret med grønt. 4.3 Randbetingelser Indløb Når vind passerer over et landskab, vil der gradvist opbygges et såkaldt atmosfærisk grænselag (AGL), dvs. et vindprofil, hvor lufthastigheden stiger gradvist som funktion af højden over jorden. Formen på grænselaget er en funktion af ændringer i terrænhøjde, bevoksning og bebyggelse. Figur 4-5: Eksempler på atmosfæriske grænselag over forskellige områder med forskellig terrænruhed. KUA ligger i et relativt lukket område, selvom der vest for området på nuværende tidspunkt er åbent landskab. Det atmosfæriske grænselag vil være relativt tykt, hvilket vil sige, at lufthastigheden øges forholdsvist langsomt som funktion af højden over terrænniveau.

14 11 I en uforstyrret strømning, der passerer over et terræn, vil der opbygges et logaritmisk grænselag givet ud fra følgende udtryk: U z hvor u * z ln z 0 (Formel 4-1) U(z) er vindhastigheden ved afstanden z over jordniveau [m/s] U * er friktionshastigheden [m/s] er von Karman konstanten (0,419 [-]) Z Z 0 er højden over jorden [m] er terrænets aerodynamiske ruhedsfaktor [m] Dette udtryk kan bruges til at definere hastighedsprofilet på indløbet til beregningsdomænet, men nøjagtigheden af dette udtryk er meget afhængigt af den valgte aerodynamiske ruhedsfaktor, der normalt vælges ud fra betragtninger om den omkringliggende bebyggelse og beplantning, f.eks. højde og tæthed. Dette valg kommer af sagens natur altid til at være meget subjektiv. Eftersom de omkringliggende bygningerne nødvendigvis må medtages i beregningen for at få den korrekte luftfordeling mellem bygningerne hen til interesseområdet, kan der med fordel anvendes et simplere udtryk for indløbsprofilet, der gør det lettere at referere tilbage til de anvendte måledata for vindhastigheden. U z U z 10m p 10 (Formel 4-2) hvor U(z) er vindhastigheden ved afstanden z over jordniveau [m/s] U 10 er vindhastigheden målt 10 m over jorden ved en meteorologisk station [m/s] Z er højden over jorden [m] p er profilafhængighedsfaktor (0,25 [-]) Der simuleres 12 forskellige vindretninger, og ved hver vindretning anvendes middelhastigheden for denne vindretning. F.eks. er middelhastigheden for vind fra nord 6,6 m/s, hvilket giver profilet vist på Figur 4-6 og følgende udtryk for indløbsrandbetingelsen: U z z 6,6 s 10m 0,25 m (Formel 4-3)

15 z [m] CFD ANALYSE AF VINDKOMFORT OG VINDSIKKERHED U(z) [m/s] Figur 4-6: Indløbsrandbetingelse for vind fra nord. Udløb På udløbsranden anvendes en såkaldt Opening randbetingelse, som er et randvilkår, der tillader strømning at passere både ud og ind af domæne. På randen specificeres et statisk referencetryk på 0 [Pa]. Sider og top På disse rande vælges friktionsfrie vægrande. Jord For at medtage effekten af diverse bygninger, beplantninger og andre objekter i vindens bane, pålægges der en ruhed på jordranden. Ruheden er en sandkornsstørrelse på 0,1, hvilket svarer til urbant område. Bygninger Det er valgt at sætte glatte vægge på alle bygningsfladerne på trods af, at disse flader ikke er helt glatte. Dette gøres eftersom det ikke umiddelbart er muligt at vælge en ruhed, der passer for alle disse flader. 4.4 Beregningsnet Beregningsnettet er et såkaldt ustruktureret net bestående af to typer beregningselementer prismeelementer på alle vægge (bygninger og jorden) og tetraederelementer i resten, som vist på Figur 4-7, hvor beregningsnettet omkring KUA er vist.

16 13 Figur 4-7: Beregningsnet lokalt omkring KUA. Med en ustruktureret netgenereringsmetode anvendes diverse netkontroller for at gøre nettet finere i regioner af særlig interesse. I dette tilfælde er nettet gjort finere omkring bygningerne. Antallet af elementer er: Tetraeder elementer: 14,81 millioner Prisme elementer: 4,59 million Totale antal elementer: 19,40 millioner 4.5 Anvendte modeller Ud over geometrien/beregningsnettet og valget af randbetingelser har valget af beregningsmodeller stor betydning for CFD resultaterne. Tidslighed Som størstedelen af alle virkelige systemer, er strømningen forbi KUA et tidsafhængigt system. På trods af dette er alle de udførte CFD beregninger steady state eller konstante i tiden. Det vil sige, at resultaterne er øjebliksbilleder af ligevægten i systemet for en given situation (vindhastighed, vindretning osv.) Sådanne resultater viser naturligvis en mindre kompleks dynamik i systemet. Turbulens For at få turbulenseffekten med i simuleringerne er det nødvendigt at anvende en såkaldt turbulensmodel. Dette skyldes for det første, at det ikke er praktisk muligt at anvende et beregningsnet på denne størrelse model, som er tilstrækkeligt fint til at opløse samtlige turbulente hvirvler. For det andet er turbulens kaotiske transiente fluktuationer, og eftersom simuleringerne er øjebliksbilleder, bliver disse fluktuationer ikke opfanget. Til beregning af turbulensen er en K- RNG model blevet anvendt.

17 14 5. RESULTATER 5.1 Relativ vindhastighed De udført CFD beregningerne giver strømningshastighederne i hele beregningsdomænet. Ved at omregne denne strømningshastighed til en relativ hastighed i forhold til indløbshastigheden i 10 m højde, fremkommer der et billede af bygningernes effekter på strømningen. I det efterfølgende vises den relative vindhastighed i to niveauer et niveau 2 m over jordniveau, hvilket svarer til fodgængerniveau og et niveau lige over tagterrasserne på KUA for samtlige de tolv simulerede vindretninger, se Figur 5-1 til Figur I forbindelse med denne analyse er der fokus på følgende områder ved KUA: Ramblaen hvor der bliver en portåbning ved sammenbygningen mellem kommende KUA2 og KUA3 Gårdhaverne Tagterrasserne på de to mellembygninger Indgangen mod torvet og mulighederne for ophold der og i friarealet. Resultaterne for de relative vindhastigheder viser, at strømningen forbi KUA er meget afhængig af vindretningen, men generelt set er der ingen kraftige accelerationer af strømningen i fokusområderne. De stærkeste accelerationer forekommer i passagen mellem KUA2 og KUA3. Gårdhaverne vil have stille vindforhold ved alle vindretninger uden at luften stagnerer helt i dem. På grund af at tagterrasserne ligger over terrænniveau, vil de blive udsat for kraftigere vinde end fokusområderne i jordniveau, men vinklingen af bygningen, lævirkningerne fra den omkringliggende bebyggelse samt læskærmene bevirker, at vindforholdene på terrasserne ser acceptable ud. Specielt er effekten af læskærmene, som er installeret stor og vil give en øget komfort i disse områder. På torvet mellem KUA bygningerne er der relativ god læ og det vil derfor ikke umiddelbart et problem at have indgange ud mod torvet. I passagen imellem KUA2 og KUA3 ses det, at vinden bliver accelereret. Dette område vil have behov for beplantningen med henblik på at sikre en reduktion af vindens passage gennem passagen. Den sydlige ende af torvet vil blive udsat for kraftigere vinde, men store dele vil kunne bruges som opholdsområde. I de nedenstående figurer er diverse fokus området cirklet med en rød cirkel for at rette fokus på områderne.

18 15 Vindretning 0 (nord) Fodgænger Tagterrasser Figur 5-1: Relativ vindhastighed i to niveauer for vindretning 0 (nord).

19 16 Vindretning 30 Fodgænger Tagterrasser Figur 5-2: Relativ vindhastighed i to niveauer for vindretning 30.

20 17 Vindretning 60 Fodgænger Tagterrasser Figur 5-3: Relativ vindhastighed i to niveauer for vindretning 60.

21 18 Vindretning 90 (øst) Fodgænger Tagterrasser Figur 5-4: Relativ vindhastighed i to niveauer for vindretning 90.

22 19 Vindretning 120 Fodgænger Tagterrasser Figur 5-5: Relativ vindhastighed i to niveauer for vindretning 120.

23 20 Vindretning 150 Fodgænger Tagterrasser Figur 5-6: Relativ vindhastighed i to niveauer for vindretning 150.

24 21 Vindretning 180 (syd) Fodgænger Tagterrasser Figur 5-7: Relativ vindhastighed i to niveauer for vindretning 180.

25 22 Vindretning 210 Fodgænger Tagterrasser Figur 5-8: Relativ vindhastighed i to niveauer for vindretning 210.

26 23 Vindretning 240 Fodgænger Tagterrasser Figur 5-9: Relativ vindhastighed i to niveauer for vindretning 240.

27 24 Vindretning 270 (vest) Fodgænger Tagterrasser Figur 5-10: Relativ vindhastighed i to niveauer for vindretning 270.

28 25 Vindretning 300 Fodgænger Tagterrasser Figur 5-11: Relativ vindhastighed i to niveauer for vindretning 300.

29 26 Vindretning 330 Fodgænger Tagterrasser Figur 5-12: Relativ vindhastighed i to niveauer for vindretning 330.

30 Kriterier for vindkomfort og sikkerhed Litteraturen oplister en lang række forskellige vindhastigheder og frekvenser for kritiske vindforhold, og på nuværende tidspunkt findes der ingen officielt vedtaget grænse imellem acceptable og uacceptable vindforhold. For det første vil grænsen opleves forskelligt fra individ til individ, og for det andet vil det afhænge af alder og fysisk formåen. Ud fra et omfattende studium af diverse kriterier kom Bottema (2000) /2/ frem til følgende to kriterier: Komfortkriterium: U + σ u > 6 m/s, P max = 15% (Formel 5.1) Sikkerhedskriterium: U + 3σ u > 20 m/s, P max = 0.18% (Formel 5.2) hvor σ Pmax er spredning på hastigheden (turbulens) er den maksimale tilladelige overskridelse af kriteriet på årsbasis Turbulensen er svær at bestemme helt generelt. Undersøgelser fra Risø angiver en simpel sammenhæng med middelhastigheden for en metrologisk station /3/: σ = 0,151 U ,119 (Formel 5.3) Det antages, at forholdet mellem spredning og middelhastighed vil være det samme i 10 meters højde som på gadeplan, hvorfor dette udtryk er anvendt til at beregne turbulensen i 2 meters højde. 5.3 Vindkomfort Det ovenfor anførte komfortkriterium i afsnit 5.2 stiller ikke blot krav til lave lokale relative vindhastigheder, men også til hyppigheden af høje vindhastigheder. For at skabe et billede af frekvensen anvendes Weibull fordelingen (se afsnit 3): U P U U kritisk % eksp A k kritisk 100 (Formel 5.4) Ud fra ovenstående udtryk, den beregnede relative vindhastighed og turbulensen er det muligt, at bestemme i hvor stor en del af året vinden overstiger komfortgrænsen på 6 m/s. På Figur 5-13 er procentdelen af året, hvor vindkomfortkriteriet overskrides for henholdsvis fodgænger og tagterrasseniveau vist.

31 28 Fodgænger KUA2 KUA3 Tagterrasser Figur 5-13 Procent af året hvor komfort kriteriet overskrides. Grænsen for acceptabelt vindmiljø ligger ved 15 %.

32 29 Rambla og passage Vinden fanges i Passagen mellem KUA3 og bygningen mod nord, hvorved der skabes ukomfortable vindforhold i den vestlige del af pladsen. Problemzonen strækker sig ikke ned til selve ramblaen, men en lignende effekt ses i passagen mellem KUA 2 og KUA 3 samt et stykke op af ramblaen. Her vil komfortkravet overskrides mere end 25 % af året, se Figur Det bør her overvejes om beplantning i området mod nord-nordvest og syd-østlig retning (markeret med grønne cirkler i nedenstående figur.) KUA2 KUA3 Figur 5-14 Rambla og passage

33 30 Gårdhaverne Det blev nævnt i afsnit 5.1, at der ikke forekom accelerationer af strømningen nede i gårdhaverne på KUA, og komfortvurderingen bekræfter, at der ikke er noget problem i dette område, se Figur Det samme er gældende for gårdhaverne ved KUA3 med undtagelse af et lille lokalt område omkring et af hjørnerne af KUA3, som det kan ses af Figur KUA2 Figur 5-15 Gårdhaver ved KUA2 KUA2 KUA3 Figur 5-16 Gårdhaver ved KUA3

34 31 Universitetstorvet foran KUA2 og KUA3 Den sydlige del af torvet vil blive udsat for højere vindhastigheder end den nordlige, hvilket kan ses på komfortplottet. Der vil forekomme en lille zone med reduceret vindkomfort ved det nordvestlige hjørne af det Kongelige Bibliotek, se Figur Umiddelbart vil en stor del af torvet kunne bruges som længerevarende opholdszone, og problemerne i den sydlige ende ville formodentlig kunne forbedres betydeligt vha. beplantning. På torvet op til KUA2 og KUA3 ses der ingen komfortmæssige problemzoner, hvorfor det vil være en udmærket placering for indgangspartier til bygningen, se Figur 5-17 og Figur KUA2 KUA3 KUA 2 Figur 5-17 Torvet imellem KUA bygningerne

35 32 Figur 5-18: Oversigt for komfort i fodgængerniveau. Tagterrasser Vindmiljøet vil være stort set acceptabelt på de to tagterrasser, se Figur 5-19 og Figur Der vil dog opstå høje hastigheder ved kanten til sydfacaden, men disse strækker sig ikke ind på terrasseområderne grundet læskærmene med en højde på 1 m. Figur 5-19 Tagterrasserne mellem bygningerne på KUA2

36 33 Figur 5-20: Oversigt for vindkomfort 1,7 m over tagterrasseniveau. 5.4 Vindsikkerhed Ved anvendelse af samme metode som beskrevet i afsnit 5.3 kan frekvensen, hvor sikkerhedskriteriet for vindsikkerheden overskrides om året bestemmes, hvor resultatet heraf er vist på Figur Der kommer ikke til at opstå kritiske situationer i fodgængerzonen omkring KUA. Imellem KUA2 og KUA1 går der en kanal, hvor der vil opstå meget høje strømningshastigheder, men dette er ikke umiddelbart en opholdszone. På tagterrasserne vil der heller ikke opstå farlige situationer. Det kan derfor konkluderes, at vindmiljøet rundt om KUA vil være sikkert, som det kan ses af Figur 5-21.

37 34 Fodgænger Tagterrasser Figur 5-21: Procent af året hvor sikkerhedskriteriet overskrides. Grænsen for acceptabelt vindmiljø ligger ved 0,18 %.

38 35 6. VURDERING OG KONKLUSION I forbindelse med udbygningen af Københavns Universitet ved Amager er vindmiljøet blevet undersøgt med henblik på at afklare, om der opstår uhensigtsmæssige vindpåvirkninger omkring byggeriet, som har betydning for fodgængerkomforten samt udendørsområder, der kan anvendes til udendørsaktiviteter. Metoden, som er anvendt for at undersøge vindmiljøet, er Computational Fluid Dynamics (CFD), hvor tolv forskellige vindretninger er undersøgt med en dominerende vindretning fra vest. I den nærværende vindanalyse har der været fokus på følgende områder ved KUA: Ramblaen hvor der bliver en portåbning ved sammenbygningen mellem kommende KUA2 og KUA3 Gårdhaverne Tagterrasserne på de to mellembygninger Indgangen mod torvet og mulighederne for ophold ved torvet og i friarealet. Luftstrømningerne i områder omkring KUA er meget afhængig af vindretningen, men generelt set viser simuleringerne et godt vindmiljø. Der er få accelerationer af strømningen i fokusområderne og generelt set læ i området. De stærkeste accelerationer forekommer i passagen mellem KUA2 og KUA3, og beregningen af antallet af årlige timer med ukomfortabelt høje vindhastigheder viste, at komfortkravet blev overskredet her i mere end 25 % af året. Eftersom denne passage skal være åben for at fodgængere kan få adgang til torvet mellem KUA bygningerne, kan det være svært at implementere effektive virkemidler for at modvirke denne effekt. Både beplantning og læskærme vil blokere trafikken gennem passagen. Men det anbefales at implementere en kombination af ovenstående læeffekter til at reducere vindpåvirkningerne. Simuleringerne viser ingen problemer i gårdhaverne. I gårdhaverne er der stille vindforhold ved alle vindretninger uden at luften stagnerer helt. På grund af at tagterrasserne ligger over terrænniveau, vil de blive udsat for kraftigere vinde, men vinklingen af bygningen, lævirkningerne fra den omkringliggende bebyggelse samt læskærmene bevirker, at vindforholdene på terrasserne ser acceptable ud. Der vil dog opstå høje hastigheder ved kanten til sydfacaden, men disse strækker sig ikke ind på terrasseområderne. På torvet mellem KUA bygningerne vil der være bedst læ i enden hen imod KUA2. Det er derfor ikke umiddelbart et problem at have indgange ud mod torvet. Visse dele af torvet vil blive udsat for kraftige vinde, men store dele vil kunne bruges som opholdsområde. Beplantning i den sydlige ende af torvet vil formodentlig kunne forbedrede vindmiljøet betydeligt i dette område. Anbefalinger: 1. Luftstrømningen på pladens foran ramblaen kan ændres igennem beplantning. Dette vil påvirke gennemstrømningen af passagen imellem KUA2 og KUA3 og potentielt mindske problemzonen. 2. Læskærme ved tagterrasserne vil være tilrådelige for at sikre et godt vindmiljø ved samtlige vindretninger. 3. Strategisk placering af beplantning i den sydlige ende af torvet mellem KUA bygningerne vil kunne forbedre vindmiljøet i dette område.

39 36 7. REFERENCER /1/ Vindmiljø omkring bygninger, SBI-anvisning 128, Statens byggeforskningsinstitut /2/ Bottema, M., A method for optimisation of wind discomfort criteria, Buildings and Environment, 35, /3/ Larsen, G. C., Ronold, K., Jørgensen, H. E., Argyriadis, K., Jaap de Boer, Ultimate loading of wind turbines, Risø, /4/ Blocken, B. og J. Persoon (2009). Pedestrian wind comfort around a large football stadium in an urban environment: CFD simulation, validation and application of the new Dutch wind nuisance standard. I: Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics , s /5/ Franke, J., Hirsch, C., Jensen, A.G., Krüs, H.W., Schatzmann, M., Westbury, P.S., Miles, S.D., Wisse, J.A., Wright, N.G., Recommendations on the use of CFD in wind engineering. In: van Beeck, J.P.A.J. (Ed.), Proceedings of the International Conference on Urban Wind Engineering and Building Aerodynamics. COST Action C14, Impact of Wind and Storm on City Life Built Environment. Von Karman Institute, Sint-Genesius-Rode, Belgium, 5 7 May /6/ Jörg Franke, Antti Hellsten, Heinke Schlünzen, Bertrand Carissimo (2007). BEST PRACTICE GUIDELINE FOR THE CFD SIMULATION OF FLOWS IN THE URBAN ENVIRONMENT, COST Action 732, QUALITY ASSURANCE AND IMPROVEMENT OF MICROSCALE METEOROLOGICAL MODELS.

40 1-1 BILAG LUFTSTRØMNINGSMØNSTER VED KUA TORV I FODGÆNGERNIVEAU Figur 7-1: Luftstrømning ved KUA torv for vindretning 0.

41 1-2 Figur 7-2: Luftstrømning ved KUA torv for vindretning 30. Figur 7-3: Luftstrømning ved KUA torv for vindretning 60.

42 1-3 Figur 7-4: Luftstrømning ved KUA torv for vindretning 90. Figur 7-5: Luftstrømning ved KUA torv for vindretning 120.

43 1-4 Figur 7-6: Luftstrømning ved KUA torv for vindretning 150. Figur 7-7: Luftstrømning ved KUA torv for vindretning 180.

44 1-5 Figur 7-8: Luftstrømning ved KUA torv for vindretning 210. Figur 7-9: Luftstrømning ved KUA torv for vindretning 240.

45 1-6 Figur 7-10: Luftstrømning ved KUA torv for vindretning 270. Figur 7-11: Luftstrømning ved KUA torv for vindretning 300.

46 1-7 Figur 7-12: Luftstrømning ved KUA torv for vindretning 330.