KLIMAPLAN AS: Vindklima rundt Meierigården, Bryne Rapport

Transkript

1 KLIMAPLAN AS: Vindklima rundt Meierigården, Bryne Rapport November 2013

2 Oppdragsgiver Norconsult AS Kilehagen Ås Telefon Internett Foretaksnr. NO MVA Oppdragsgivers adresse Pb 130, 4065 Stavanger Oppdragsgivers referanse Armand Skansen, Norconsult Liv-Kristine Rud, LINK arkitektur Prosjektnr./arkivnr. Dato Rev.dato Antall sider Antall vedlegg Gradering Forfatter(e) Lukket T. K. Thiis, A. Ferreira Prosjektleder Sign. Ansvarlig leder KlimaPlan Sign. T. K. Thiis T. K. Thiis Oppdragsrapport Vindkomfort rundt Meierigården, Bryne Kort sammendrag I forbindelse med nybygg av bolig og næringslokaler i Jernbanegata i Bryne ønsker man å vurdere konsekvensen for vindklima for to ulike bygningsalternativer. Denne analysen er basert på meteorologiske observasjoner og numeriske simuleringer av strømningsmønsteret rund bygningene. Det er utført simuleringer med vind fra 16 vindretninger. Simuleringene er vektet i henhold til vindstatistikk og vindkomfort er angitt ihht. Nederlandsk standard (NEN8100). De to hyppigste vindretningene er Nord-Nordvest og Sør-Sørøst (NNW og SSE). Disse vindretningene er vurdert spesielt i presentasjonen av resultatene. Det er benyttet to ulike bygningsalternativer i undersøkelsen. I alternativ 1 er maksimal høyde på bygningsmassen 8.4 meter høyere enn i alternativ 2. De to bygningsalternativene fører stort sett til like vindforhold i området rundt bygningene. Begge bygningsalternativene vil føre til vindforsterkning i passasjene mellom bygningene. Vindhastigheten her vil være neste 40% høyere enn vindhastigheten i omkringliggende flate områder der vinden er uforstyrret av bygninger. Det planlegges imidlertid støyskjermer i disse sonene, noe som vil forbedre vindklimaet lokalt. På den åpne plassen vest for bygning 2 og 3 er vindklimaet godt. Store deler av plassen vil falle i klasse A i henhold til NEN8100. Denne klassen benyttes i områder som er egnet for å sitte ned utendørs. Virksomhetsområde Emneord Filnavn Klima Klima, vindkomfort, CFD-simulering Rapport_Sluppen_draft20 Rapport doc 2:24 Ås,

3 1. INNLEDNING BAKGRUNN SITUASJON METEOROLOGISKE DATA FYSISKE PROSESSER VINDSKJERMING KRITERIER FOR KOMFORTABEL VINDHASTIGHET 8 2. METODE CFD-SIMULERINGER BESKRIVELSE AV SIMULERINGER 9 3. RESULTATER FRA VINDSIMULERINGER RESULTATER ALTERNATIV RESULTATER ALTERNATIV RESULTATER SAMMENLIGNING VURDERINGER VURDERING AV USIKKERHETER VURDERING AV RESULTATER KONKLUSJONER 22 VEDLEGG 1. RELATIV VINDHASTIGHET VED BYGNINGSALTERNATIV 1 VED 16 VINDRETNINGER. 23 3:24 Ås,

4 1. INNLEDNING 1.1 Bakgrunn I forbindelse med nybygg av bolig og næringslokaler i Jernbanegata i Bryne ønsker man å vurdere konsekvensen for vindklima for to ulike bygningsalternativer. KlimaPlan AS har fått i oppdrag av LINK arkitektur å gjennomføre analyser av vindhastighet på bakgrunn av de to alternativene. KlimaPlan AS baserer vindkomfortanalysen på meteorologiske observasjoner og numeriske simuleringer av strømningsmønsteret. 1.2 Situasjon Planområdet ligger vest for Bryne jernbanestasjon i utkanten av Bryne sentrum og avgrenses av jernbanesporene og blandet bebyggelse. Arealene har tidligere vært benyttet til kjøpesenter. Tomten er merket av med et rødt rektangel på figur 1. Landskapet rundt Bryne er et forholdsvis flatt jordbrukslandskap med lav vegetasjon og lav ruhet. Den lave ruheten medvirker til at Bryne er forholdsvis sterkt eksponert for vind. N Figur 1. Byggeområdet i Jernbanegata markert med rødt. 4:24 Ås,

5 1.3 Meteorologiske data Bryne ligger ca 8 kilometer fra kysten. Den nærmeste meteorologiske målestasjoen er Obrestad som ligger ca 10 kilometer mot vest. Sola flyplass som ligger ca 17 kilometer mot nord er en annen meteorologisk målestasjon i nærheten. Tabell 1 viser gjennomsnittverdier for vindhastighet for de to stedene i 10 meters høyde (Kilde: NVE, Vindressurskart). Vindklimaet på Bryne er trolig mer likt Obrestad enn Sola. Vindroser fra Obrestad er vist i figur 2. Tabell 1. Gjennomsnittlig vindhastighet ved to målestasjoner i Rogaland Stasjon År [m/s] Vår [m/s] Sommer [m/s] Høst [m/s] Vinter [m/s] Sola Obrestad Figur 2 viser at sektoren nord-nordøst til nordøst (NNE -NE) representerer ca 40% av alle vindmålinger. Sektoren sør til sør-sørvest (S-SSW) representer ca 25 % av alle vindmålinger. Den videre undersøkelsen vil derfor konsentrere seg om vindretningene nord-nordøst (NNE) og sør-sørvest (SSW) Figur 2. Vindstatistikk, Obrestad. 5:24 Ås,

6 1.4 Fysiske prosesser I tett bebyggelse vil vindmønsteret rundt bygningene være avhengig av bygningenes innbyrdes plassering, orientering og utforming. Man ønsker vanligvis å unngå høye vindhastigheter i områder der mennesker oppholder eller beveger seg. I et komplekst bygningsmønster må man derfor vite hvilke faktorer som bidrar positivt og negativt i forhold til vindklimaet. I mellomrommet mellom bygninger som står normalt på vindretningen er det vanlig at vindhastigheten øker. Dette skjer fordi arealet normalt på vindretningen snevres inn samtidig som mengden luft som presses gjennom arealet er konstant. Det oppstår da en trakteffekt som gir høyere vindhastighet mellom bygningene. Vindhastigheten øker vanligvis med høyden over bakkenivå, slik at høye bygninger er utsatt for kraftigere vind enn lave. På losiden av en bygning kan det oppstå en virvel der vind med høy hastighet presses ned mot bakkenivå. Når bygningens høyde øker, øker også hastigheten på den nedgående luftstrømmen. Denne effekten kan forsterkes av lavere bygninger for eksempel i en gate. Figur 3 viser dette prinsippet. Figur 3. Vindforsterkning i gate med høye bygninger på lesiden av gaten. Forstyrrelser i strømningsmønsteret som skapes av terrenget, bygninger eller andre hindringer kan gi virvler i luftstrømmen. Slike virvler omtales som turbulens og vil gi variasjoner i vindhastigheten som kan følge strømningsmønsteret. Økt turbulensintensitet betyr i praksis at vinden får mer preg av kastevind. Rundt bygninger og andre hindringer øker vanligvis turbulensintensiteten. I le av bygninger skapes det vanligvis en såkalt levirvel, der vindhastigheten er lavere enn vinden omkring bygningen. Vindhastigheten øker vanligvis når luften passerer et hushjørne. Dette skyldes trykkforskjellen som er mellom lo- og leside, hvor vi har henholdsvis et over- og et undertrykk. Vi kan oppnå en lavere hastighetsendring ved hushjørner dersom de utformes avrundet eller stumpe (>90 ). Figur 4 viser hvordan utformingen av et hjørne påvirker vindhastigheten. Konturene angir vindforsterkningen rundt hjørnet hvor a) er 90, b) er avrundet og c) er avtrappet. 6:24 Ås,

7 Figur 4. Hastighetsendring ved hjørner med ulik utforming. 1.5 Vindskjerming Særlig vindutsatte områder kan skjermes mot høy vindhastighet ved å introdusere vindskjermer. Disse kan være i form av vegetasjon som vist i SINTEF-BKS byggdetaljblad og i figur 5. Figur 5. Effekt av leplanting (ref: SINTEF-BKS byggdetaljblad ) Vindskjerming kan også benyttes som et element i landskapsarkitektur som vist i figur 6. 7:24 Ås,

8 Figur 6. Vindskjerming av inngangsparti. 1.6 Kriterier for komfortabel vindhastighet Oppfattelsen av utendørs komfort er avhengig av aktivitet, vind, temperatur, solinnstråling og nedbør. Så lenge vindhastigheten ikke utgjør en fysisk fare for fotgjengere er det er derfor vanskelig å sette klare kriterier for hva som er akseptabel vindhastighet i et bymiljø. Innbyggere i områder med mye vind har dessuten høyere terskel i forhold til hva som oppfattes som høy vindhastighet enn innbyggere i stille områder. Ulike land har forskjellig formulering av slike kriterier. Det eksisterer ingen norske kriterier og derfor benyttes de nasjonale kriteriene fra Nederland (NEN 8100, Dutch Standard 2006) i evaluering av vindkomfort i denne rapporten. Her er relativ komfort angitt som funksjon av aktivitet og sannsynligheten for at vindhastigheten skal overstige 5 m/s. Her er imidlertid effekten av turbulens ikke tatt med. Høy turbulensintensitet er ofte assosiert med hastighetsøkning, slik at vinden i områdene med hastighetsøkning også får karakter av kastevind. De nederlandske vindkomfortkriteriene er gitt i tabell 2. Tabell 2. Vindkomfortkriterier i henhold til NEN :24 Ås,

9 2. METODE 2.1 CFD-simuleringer Vindstrømningen i et komplekst bygningsmønster kan beregnes ved hjelp av numeriske simuleringer i form av CFD-simuleringer (Computational Fluid Dynamics). En tredimensjonal CAD-modell (Computer Assisted Design) av bygningene implementeres i programmet. Området eller domenet vi skal analysere deles opp i små volumelementer eller celler. For hver celle beregnes vindhastighetsvektor og turbulens. Programmet som er benyttet i denne utredningen er OpenFOAM versjon 2.1. Tredimensjonale datamodeller er konstruert på bakgrunn av CAD modeller fra LINK arkitektur. Modellene er noe forenklet for å tilpasses simuleringene. Trær og annen vegetasjon er ikke tatt med i simuleringene. En planlagt 1.8 meter høy støyskjerm mellom bygningene er heller ikke tatt med i simuleringene. Metoden som er benyttet tilsvarer den som er beskrevet i Guidebook for Practical Applications of CFD to Pedestrian Wind Environment around Buildings ( Resultatene er gitt i form av en relativ vindhastighet i 2 meters høyde. Det vil si at vi angir resultatet som forholdet mellom vindhastigheten i aktuelt punkt og vindhastigheten slik den ville vært dersom strømningsmønsteret ikke var forstyrret av bygninger og topografi, se formel nedenfor Relativ vindhastighet = Vindhastighet i aktuelt punkt Vindhastighet i 2 m høyde, uforstyrret av topografi Dersom den relative vindhastigheten i et område er angitt med verdien 1.3, betyr dette at vindhastigheten her er 30 % høyere her enn i det uforstyrrede området. Fargeskalaen går fra 0 som er farget blått til 2 som er farget rødt. Vindkomfort i henhold til NEN8100 er vist som fargekart der klassene A..E er vist med ulik farge. Simuleringen av den relative vindhastighetsfordelingen er gjort på bakgrunn av en vindhastighet på 10 m/s i 10 meters høyde. Terrengruheten i simuleringene er satt til Beskrivelse av simuleringer For å kartlegge vindforholdene ved de planlagte nye bygningene er det utført simuleringer med vind fra 16 vindretninger, vist i tabell 3. Tabell 3. Simulerte vindretninger Retning Forkortelse Retning Forkortelse Nord N Sør S Nord-Nordøst NNE Sør-Sørvest SSW Nord-Øst NE Sørvest SW Øst-Nordøst ENE Vest-Sørvest WSW Øst E Vest W Øst-Sørøst ESE Vest-Nordvest WNW Sørøst SE Nordvest NW Sør-Sørøst SSE Nord-nordvest NNW 9:24 Ås,

10 De to hyppigste vindretningene er Nord-Nordvest og Sør-Sørøst (NNW og SSE). Disse vindretningene er vurdert spesielt i presentasjonen av resultatene. Det er benyttet to ulike bygningsalternativer i undersøkelsen. Alternativ 1 har et tårn omtrent midt i på tomten. Maksimal bygningshøyde i dette alternativet er 37 meter. I alternativ 2 er dette tårnet fjernet og totalhøyden på bygningsmassen er 8,4 meter lavere. Bygningene nummerert fra 1 til 4 og er vist i figur 7. Tårnet som er fjernet i alternativ 2 er vist i blått. Resultatene fra simuleringene er vist som relativ vindhastighet i fargekart og langs linjene A- B, C-D, E-F og G-H. D F G H 4 C E A B Figur 7, Planlagte bygninger sett fra øst. 3. RESULTATER FRA VINDSIMULERINGER 3.1 Resultater alternativ 1 Figur 8 viser vindmønster rundt bygningsalternativ 1 ved vind fra NNW. I passasjene mellom bygningene er det tydelige soner med høy vindhastighet. Den maksimale relative vindhastigheten er her opp til 1.5 noe som er en betydelig vindforsterkning. På plassene mellom bygning 2 og 3 og bygning 3 og 4 er det liten vindforsterkning. 10:24 Ås,

11 Figur 9. Relativ vindhastighet, alternativ 1, vindretning NNW Figur 10 illustrerer strømningsmønsteret ved vindretning NNW med strømlinjer. Figur 10. Stømlinjer som viser strømingsmønsteret rundt bygningene ved vindretning NNW 11:24 Ås,

12 Figur 11 viser vindmønsteret rundt alternativ 1 ved vind fra SSE. Også ved denne vindretningen er det kraftig vindforsterkning mellom bygning 1 og 2 og mellom bygning 2 og 3. Maksimal relative vindhastigheten er 1.6 mellom bygning 2 og 3. Også ved denne vindretningen er plassen mellom bygning 2 og 3 godt skjermet mot vind. I Jernbanegata, øst for de nye bygningene er relativ vindhastighet mellom 0.8 og 1.4. Figur 11. Relativ vindhastighet, alternativ 1, vindretning SSE Figur 12 viser vindmønsteret visualisert med strømlinjer. 12:24 Ås,

13 Figur 12. Visualisering av vindmønster rund bygninger i alternativ 1, vindretning SSE Resultater for de resterende vindretningene er vist i vedlegg 1. Figur 13 viser vindkomfort i henhold til NEN8100. Figuren er en sammenstilling av de 16 simulerte vindretningene der hver vindretning er vektet i henhold til vindstatistikken gitt i figur 2. 13:24 Ås,

14 Figur 13. Vindkomfort rundt Meierigården i henhold til NEN Fargekoding vist i tabell Resultater alternativ 2 I alternativ 2 er bygning 2, noe lavere enn i alternativ 1. Generelt vi dette føre til at mindre luft blir presset ned i gateplan og at vindhastigheten her minker. Figur 14 viser vindmønster rundt bygningene i alternativ 2 ved vindretning NNW. Vindmønsteret er svært likt det i alternativ 1, og det er minimale forskjeller mellom de to alternativene. 14:24 Ås,

15 Figur 14. Relativ vindhastighet, alternativ 2, vindretning NNW Figur 15 viser relativ vindhastighet rundt bygningsalternativ 2 ved vind fra SSE. Vindmønsteret er svært likt bygningsalternativ 1 også ved denne vindretningen. 15:24 Ås,

16 Figur 15. Relativ vindhastighet, alternativ 2, vindretning SSE 3.3 Resultater sammenligning I dette avsnittet sammenlignes relativ vindhastighet langs linjene A-B, C-D, E-F og G-H for de to bygningsalternativene. Linjen A-B ligger i 2 meters høyde i Jernbanegata øst for de nye bygningene. Figur 16 viser at både variasjonen i vindhastighet og vindstyrken varierer lite for de to bygningsalternativene. Det er generelt litt høyere vindhastighet i alternativ 1 men forskjellen overstiger ikke 5%. 16:24 Ås,

17 Relativ hastighet Relativ hastighet KlimaPlan AS Alt1 Alt2 0.4 a) Lengde Alt1 Alt b) Lengde Figur 16. Relativ vindhastighet langs linjen A-B. a) vind fra NNW b) vind fra SSE Figur 17 viser relativ vindhastighet i passasjen mellom bygning 1 og bygning 2, langs linjen C-D. Figuren viser at det er svært liten forskjell mellom de to bygningsalternativene. 17:24 Ås,

18 Relativ hastighet Relativ hastighet KlimaPlan AS Alt1 Alt2 0.8 a) Lengde 1.2 Alt1 Alt2 0.8 b) Lengde Figur 17. Relativ vindhastighet langs linje C-D, a) vind fra NNWE, b) vind fra SSE Figur 18 viser relativ vindhastighet i passasjen mellom bygning 2 og bygning 3, langs linjen E-F. 18:24 Ås,

19 Relativ hastighet Relativ hastighet KlimaPlan AS Alt1 Alt2 0.8 a) Lengde Alt1 Alt2 0.8 b) Lengde Figur 18. Relativ vindhastighet langs linje E-F, a) vind fra NNW, b) vind fra SSE Figur 19 viser relativ vindhastighet i passasjen mellom bygning 3 og bygning 4, langs linjen G-H. 19:24 Ås,

20 Relativ hastighet Relativ hastighet KlimaPlan AS Alt1 Alt2 0.6 a) Lengde 0.6 Alt1 Alt2 0.4 b) Lengde Figur 19. Relativ vindhastighet langs linje G-H, a) vind fra NNW, b) vind fra SSE 20:24 Ås,

21 4. VURDERINGER 4.1 Vurdering av usikkerheter Analysen baserer seg på meteorologiske observasjoner fra målestasjonen på Obrestad. Stasjonen ligger ved kysten, ca 10 km fra tomten. Terrenget mellom Obrestad og Bryne er forholdsvis flatt, men har en betydelig høyere ruhet enn havet. Det er derfor trolig at det ikke blåser like kraftig på Bryne som på Obrestad. Når Obrestad allikevel er valgt som referansestasjon er det på grunn av nærheten til Bryne. Valget av Obrestad som referansestasjon vil påvirke beregningen av vindkomfort. Vindkomfort som er vist i figur 13 er trolig noe konservativt beregnet, noe som i praksis betyr at området har bedre vindkomfort enn figuren viser. Simuleringene er utført for å få et overordnet bilde av vindforholdene som følge av ny bebyggelse i området. Nøyaktigheten av simuleringen er til en viss grad avhengig av antallet numeriske celler i beregningsområdet. Ved å utføre simuleringene med et større antall numeriske celler kan derfor resultatet bli mer nøyaktig enn det foreliggende resultatet. En slik simulering vil kreve mer datakraft og lenger tid til beregningene. Det er ikke inkludert vegetasjon i simuleringene. Det er en vindskjermingseffekt av vegetasjon, men denne vil variere mye med årstiden avhengig av hvor mye lauv som er på trær og busker. Støyskjermen som er planlagt mellom bygningene er heller ikke tatt med i simuleringene. Denne støyskjermen vil redusere vindhastigheten mellom bygningene slik det er indikert i figur 5. En tett støyskjerm som er 1.8 meter høy vil redusere vindhastigheten med ca 50% i en lengde på 20 meter i le av skjermen. 4.2 Vurdering av resultater Det er vist at de to bygningsalternativene vil gi stort sett samme vindklima i område mellom de nye bygningene ved de fremherskende vindretningene. I deler av Jernbanegata er relativ vindhastighet 1.5. Med utgangspunkt i det ugunstige vindklimaet på Bryne utgjør dette høy vindhastighet ved fremherskende vindretninger. Imidlertid er Jernbanegata et trafikkareal uten store krav til vindklima og vil dermed ikke utgjøre forringelse av utemiljøet i området. Ved de simulerte bygningsalternativene vil det oppstå soner med høy vindhastighet mellom bygningene, særlig mellom bygning 1 og 2. Dette vil til en viss grad avhjelpes ved den planlagte støyskjermen mellom bygningene. På den åpne plassen vest for bygning 2 og 3 er vindklimaet godt ved de fremherskende vindretningene. 21:24 Ås,

22 5. KONKLUSJONER Vindstatistikk og simuleringer viser at de mest kritiske vindretningene for vindkomforten rundt nye bygninger i Meierigården på Bryne nord-nordvest (NNE) og sør-sørøst (SSE). De to bygningsalternativene fører stort sett til like vindforhold i området mellom bygningene. Begge bygningsalternativene vil føre til vindforsterkning i passasjene mellom bygningene. Vindhastigheten her vil være neste 40% høyere enn vindhastigheten i omkringliggende flate områder der vinden er uforstyrret av bygninger. Vindkomfort i henhold til NEN8100 viser at disse områdene har en vindkomfort i klasse E som er dårlig i forhold til den bruken området er tiltenkt. Det planlegges imidlertid støyskjermer i disse sonene, noe som vil forbedre vindklimaet lokalt. På den åpne plassen vest for bygning 2 og 3 er vindklimaet godt ved de fremherskende vindretningene. Store deler av plassen vil falle i klasse A i henhold til NEN8100. Denne klassen benyttes i områder som er egnet for å sitte ned utendørs. Ås, for KlimaPlan AS Thomas K. Thiis 22:24 Ås,

23 Vedlegg 1. Relativ vindhastighet ved bygningsalternativ 1 ved 16 vindretninger. N NNE NE ENE E ESE SE SSE 23:24 Ås,

24 S SSW SW WSW w WNW NW NNW 24:24 Ås,