Как точно измерить ветровой комфорт?

Современные города переживают беспрецедентный период роста и уплотнения застройки. С каждым годом возводится все больше высотных зданий, меняющих не только силуэт города, но и его микроклимат. В плотной городской среде каждое новое здание влияет на движение воздушных потоков, создавая сложную систему взаимодействий, которые могут существенно влиять на комфорт и безопасность городских пространств.

Эти изменения требуют нового подхода к проектированию. Уже недостаточно просто рассчитать конструктивную прочность здания - необходимо понимать, как оно будет взаимодействовать с окружающей средой, как повлияет на ветровой режим прилегающих территорий.

Один из самых показательных примеров того, к чему может привести игнорирование этих факторов - это печально известное здание Walkie Talkie в Лондоне. Этот небоскреб прославился тем, что его вогнутый фасад фокусировал солнечные лучи настолько сильно, что буквально плавил припаркованные автомобили. Но еще более серьезной проблемой стало влияние здания на ветровой режим.

Характерная форма небоскреба, расширяющаяся кверху, создавала мощные нисходящие потоки воздуха. На уровне улицы скорость ветра достигала более 8 м/с, что приводило к падениям пешеходов и велосипедистов. Территория вокруг здания стала настолько некомфортной и опасной, что властям Лондона пришлось ввести обязательную оценку ветрового воздействия для всех новых высотных проектов.

Этот случай наглядно демонстрирует, почему анализ ветрового комфорта должен стать неотъемлемой частью проектирования в современных городах. Сегодня мы разберем, какие эффекты возникают при обтекании зданий ветром на примере одной типологии, как их оценивать и учитывать при проектировании, чтобы создавать действительно комфортную и безопасную городскую среду.

Для расчета первое, что необходимо сделать это определить розу ветров. Роза ветров - это графическое представление режима ветра в конкретной местности, которое показывает повторяемость направлений и скоростей ветра за определенный период.

В расчетах ветрового воздействия роза ветров учитывает:
- Частоту (повторяемость) ветров с разных направлений
- Распределение скоростей ветра по направлениям
- Сезонные изменения ветрового режима
- Данные о штилях

Это важно для:
1. Оценки наиболее вероятных направлений сильных ветров
2. Прогнозирования распространения загрязняющих веществ
3. Определения зон возможного дискомфорта для пешеходов
4. Оптимизации расположения вентиляционных систем

При анализе необходимо использовать многолетние данные метеостанций, чтобы учесть все характерные особенности местного климата и сезонные изменения. В современных расчетах используются данные из EPW файлов (EnergyPlus Weather), которые содержат почасовую информацию о параметрах окружающей среды, включая направление и скорость ветра.

Данный формат данных можно визуализировать при помощи плагина Ladybug tools. Роза ветров для Уфы будет выглядеть следующим образом (роза ветров слева):

Анализ EPW файла г. Уфы показывает, что южные ветра с повторяемостью 7,56% в год являются преобладающими. Однако Ladybug tools использует среднюю скорость ветра, из-за чего скорость южных ветров оказывается сопоставимой с северо-западными. Более репрезентативным показателем служит 95-й процентиль, дающий статистически достоверную оценку. Существенным ограничением Ladybug tools является отсутствие данных о повторяемости ветров, что не позволяет верифицировать корректность параметров.

Для корректной оценки ветрового комфорта мы разработали специализированный нод Grasshopper для чтения EPW файлов и построения корректной розы ветров. Нод оперирует тремя ключевыми параметрами: направлением ветра, его скоростью на уровне 95-го процентиля и годовой повторяемостью в каждом направлении. Такой подход позволяет проводить оценку ветрового комфорта по различным методикам, включая критерии Лоусена и NEN 8100. В рамках данного исследования применяется критерий Лоусена.

Расчет ветрового комфорта по критерию Лоусена демонстрируется на примере жилого комплекса. В качестве типологии выбрана группа многоквартирных домов, формирующих закрытый внутренний двор. Высотность секций варьируется от 15 до 30 этажей.

Критерий Лоусена (Lawson) оценивает территорию (на высоте 1,6 метра над уровнем земли) с точки зрения ветрового комфорта пешеходов и разделяет ее на несколько классов: A, B, C, D. Зона класса A является самой комфортной, класс safety является самым некомфортным. Классы комфорта по Лоусену:

1. Класс A (Sitting/Standing Long) - для длительного сидения/стояния:
- Пороговая скорость ветра > 4.0 м/с
- Не должна превышаться более 5% времени в году

2. Класс B (Sitting/Standing Short) - для кратковременного сидения/стояния:
- Пороговая скорость ветра > 6.0 м/с
- Не должна превышаться более 5% времени в году

3. Класс C (Leisurely Walking) - для неспешной ходьбы:
- Пороговая скорость ветра > 8.0 м/с
- Не должна превышаться более 5% времени в году

4. Класс D (Fast Walking) - для быстрой ходьбы:
- Пороговая скорость ветра > 10.0 м/с
- Не должна превышаться более 5% времени в году

Также включает критерий безопасности (Safety):
- Пороговая скорость ветра > 15.0 м/с
- Не должна превышаться более 0.0002% времени в году

Этот критерий позволяет оценить пригодность различных зон для разных видов активности пешеходов в зависимости от ветровых условий.

Для оценки ветрового комфорта по критериям Лоусена требуется провести CFD-моделирование обтекания территории ветром со всех направлений, представленных в EPW-файле. В рассматриваемом примере для оптимизации процесса близкие направления ветра были объединены в 15 групп (по 2-3 направления в каждой). Это позволило значительно сократить количество необходимых расчетов при сохранении репрезентативности результатов, выполнив CFD-моделирование только для 15 основных направлений вместо каждого отдельного направления из EPW-файла.

В результате совмещения всех данных направлений ветра и оценки их на основе критерия Лоусена получился следующий результат:

На основе карты ветрового комфорта можно сделать следующий анализ:

1. Зоны наибольшего комфорта (класс A, синий цвет):
- Наблюдаются точечно, преимущественно у южных фасадов зданий;
- занимают минимальную площадь территории;
- в основном формируются в местах "ветровой тени" от зданий.

2. Основные проблемные зоны (оранжевый цвет и желтый):
- Формируются обширные области дискомфорта в центральной части двора;
- наблюдаются значительные зоны повышенных скоростей ветра между зданиями;
- особенно заметны в северной части комплекса.

3. Критические участки:
- Присутствует небольшая зона красного цвета (категория безопасности) в центре территории;
- это указывает на потенциально опасные условия для пешеходов.

Для жилой типологии такое распределение ветровых зон нельзя считать оптимальным, поскольку:
- Недостаточно комфортных зон для длительного пребывания жителей;
- внутренний двор, который должен быть защищенным пространством, подвержен значительному ветровому воздействию;
- требуется дополнительная проработка архитектурно-планировочных решений для улучшения ветрового комфорта.

Рекомендуется рассмотреть меры по оптимизации:
- Пересмотр геометрии зданий
- добавление ветрозащитных элементов
- организация дополнительного озеленения для снижения скорости ветра.

Исследование ветрового комфорта становится неотъемлемой частью современного градостроительного проектирования. Рассмотренный пример жилой типологии наглядно демонстрирует важность проведения подобного анализа на ранних этапах проектирования.

Результаты моделирования показали, что даже при типовой застройке формируются обширные зоны дискомфорта, где скорость ветра превышает нормативные значения по критерию Лоусена. Особенно важно отметить:

1. Недостаточное количество зон класса А, необходимых для комфортного длительного пребывания жителей
2. Наличие критических участков с потенциально опасными ветровыми условиями
3. Необходимость оптимизации архитектурно-планировочных решений для улучшения микроклимата территории

Использование современных методов CFD-моделирования в сочетании с критериями оценки Лоусена позволяет не только выявить проблемные зоны, но и разработать эффективные меры по их устранению. Это может включать корректировку геометрии зданий, внедрение ветрозащитных конструкций и грамотное размещение элементов озеленения.

Подобный анализ особенно актуален для высотной застройки, где формирование комфортной среды напрямую влияет на качество жизни будущих жителей. Своевременное выявление и решение проблем ветрового режима позволяет создавать более комфортные и безопасные городские пространства.