Bijlage 1a18 Windklimaatonderzoek met behulp van CFD

Bestemmingplan Pelmolenpad Windklimaatonderzoek met behulp van CFD

Rapportnummer OE 15219-9-RA-001 d.d. 21 september 2021

Bestemmingplan Pelmolenpad Windklimaatonderzoek met behulp van CFD

opdrachtgever

Gemeente Hoorn

rapportnummer

O E 1 52 19 - 9 - R A - 00 1

datum

2 1 s e p t e m b e r 2 02 1

referentie

K v d N / L A / / O E 15 21 9 - 9 - R A - 0 01

verantwoordelijke

ir. K.V. van der Nat

opsteller

dr. ir. L. Aanen +31 85 8228630 l.aanen@peutz.nl

peutz bv, postbus 696, 2700 ar zoetermeer, +31 85 822 87 00, zoetermeer@peutz.nl, www.peutz.nl kvk 12028033, opdrachten volgens DNR 2011, lid NLingenieurs, btw NL.004933837B01, ISO-9001:2015 mook – zoetermeer – groningen – eindhoven – düsseldorf – dortmund – berlijn – nürnberg – leuven – parijs – lyon

OE 15219-9-RA-001 2

Inhoudsopgave 1

Inleiding

4

2

Normstelling en uitgangspunten

5

2.1

Beslismodel NEN 8100

5

2.2

Windhinder en windgevaar volgens NEN 8100

5

2.2.1

Windhinder

5

2.2.2

Windgevaar

6

2.3

Windklimaat op de locatie

7

2.4

Simulatie windsnelheden met CFD

9

3

Rekenresultaten

10

4

Samenvatting en conclusies

13

OE 15219-9-RA-001 3

1

Inleiding In opdracht van Gemeente Hoorn is met behulp van Computational Fluid Dynamics (CFD) een indicatief onderzoek verricht naar de te verwachten windklimaatsituatie rondom de mogelijke bebouwing van het Bestemmingplan Pelmolenpad. Voor het vervaardigen van het CFD model is onder meer gebruik gemaakt van een door de gemeenten aangeleverde plankaart met mogelijke bouwhoogtes. De stedenbouwkundige omgeving en de begroeiing is meegenomen aan de hand van gegevens uit openbare bronnen. In totaal is een gebied gemodelleerd is van circa 1200 bij 875 meter. In het model is de mogelijke bebouwing van het bestemmingsplan Pelmolenpad opgenomen. Het doel van het onderzoek was het vaststellen en beoordelen van het te verwachten windklimaat in de directe omgeving van de geplande bebouwing en het geven van adviezen ter verbetering van het windklimaat. Voor de opzet van het onderzoek en de beoordeling van het windklimaat is uitgegaan van de Nederlandse norm NEN 8100:2006 Windhinder en windgevaar in de gebouwde omgeving.

f1.1 Het gehanteerde 3D-model van de mogelijke bebouwing, in het model is ook de mogelijke bebouwing van het bestemmingsplan Stationsgebied opgenomen

In dit rapport wordt verslag gedaan van het verrichte onderzoek waarbij de volgende indeling is gehanteerd. In hoofdstuk 2 worden de normstelling en uitgangspunten van het onderzoek toegelicht. De rekenresultaten worden gepresenteerd in hoofdstuk 3 van dit rapport. Tot slot is in hoofdstuk 4 een samenvatting van het onderzoek opgenomen en worden conclusies gegeven. OE 15219-9-RA-001 4

2

Normstelling en uitgangspunten

2.1 B e s l i s m o d e l N E N 8 1 0 0

De beoordeling van het windklimaat met betrekking tot windhinder en windgevaar, is in Nederland vastgelegd in de norm NEN 8100. Om te bepalen of windhinder en/of windgevaar te verwachten is, kan in eerste instantie gebruik worden gemaakt van het beslismodel in de NEN 8100. Hierin wordt onder meer beschreven in welke situaties windklimaatonderzoek nodig is. Voor gebouwen met een hoogte vanaf 30 meter wordt nader onderzoek met CFD- of windtunnelsimulatie noodzakelijk geacht. Ondanks de relatief beperkte bouwhoogte (tot 26 m) is in dit geval door de ligging van het plan in de buurt van open water een onderzoek echter zeker op zijn plaats

2.2 W i n d h i n d e r e n w i n d g e v a a r v o l g e n s N E N 8 1 0 0

De gevoeligheid van de mens voor wind is sterk afhankelijk van de activiteit waarmee men bezig is. Bij een laag activiteitenniveau (bijvoorbeeld wachten bij een bushalte, op een terrasje zitten) zullen lagere windsnelheden als hinderlijk ervaren kunnen worden dan bij een hoger activiteitenniveau. In de NEN 8100 wordt voor de beoordeling van het windklimaat derhalve onderscheid gemaakt tussen verschillende activiteitenklassen. Bij hogere windsnelheden kan tevens sprake zijn van gevaarlijke situaties zoals evenwichtsverlies bij het passeren van gebouwhoeken en dergelijke. Hiervoor wordt getoetst aan het specifieke gevaarcriterium.

2.2.1 Wi n d h i n d e r

Windhinder is iets wat in geen geval geheel te voorkomen is: als het stormt is de wind hinderlijk, wat voor maatregelen er ook getroffen worden. Het is daarom ook de kans op windhinder, die maatgevend gehouden wordt voor de beoordeling van het windklimaat. Voor windhinder wordt een drempelwaarde v DR;H aangehouden van 5 m/s uurgemiddelde windsnelheid op loop- of verblijfsniveau. Bij deze windsnelheid gaan mechanische effecten bij de ervaring van het windklimaat een rol spelen zoals bijvoorbeeld het omslaan van paraplu’s, in de ogen waaien van stof en in meer extreme vorm het dichtwaaien van een autoportier en dergelijke. Aan de hand van onderstaande tabel 2.1, afkomstig uit de NEN 8100, wordt een beoordeling gegeven van de te verwachten mate van windhinder.

OE 15219-9-RA-001 5

t2.1 Criteria windhinder volgens NEN 8100 Overschrijdingskans

Kwaliteitsklasse

p(vLOK > vDR;H) in procenten van het aantal uren per jaar

Activiteit I. Doorlopen

II. Slenteren

III. Langdurig zitten

< 2,5

A

Goed

Goed

Goed

2,5 – 5

B

Goed

Goed

Matig

5 – 10

C

Goed

Matig

Slecht

10 – 20

D

Matig

Slecht

Slecht

≥ 20

E

Slecht

Slecht

Slecht

Afhankelijk van de activiteitenklasse wordt de waardering van het lokale windklimaat gekwalificeerd met ‘goed’, ‘matig’ of ‘slecht’ (zie tabel 2.1). Bij een goed windklimaat ondervindt men geen overmatige windhinder. In een situatie zonder overmatige windhinder heeft het merendeel van het publiek onder normale omstandigheden geen last van windhinder. Bij een matig windklimaat ervaart men af en toe overmatige windhinder. In een slecht windklimaat ervaart men regelmatig overmatige windhinder. In een dergelijke situatie heeft het merendeel van het publiek last van windhinder. Er wordt naar gestreefd, om binnen de verschillende activiteitenklassen, een goed, eventueel nog matig windklimaat te realiseren. Activiteitenklasse ‘langdurig zitten’ is dusdanig kritisch dat deze met terughoudendheid wordt toegepast. Op terrassen en buitenruimten wordt om deze reden meestal uitgegaan van het criterium voor slenteren in plaats van langdurig zitten, met een streefwaarde van minder dan 5%. 2.2.2 Wi n d g e v a a r

Voor windgevaar wordt 15 m/s uurgemiddelde windsnelheid als drempelwaarde v DR;G gehanteerd. Op basis van tabel 2.2, afkomstig uit de NEN 8100, wordt bepaald of sprake is van windgevaar. t2.2 Criteria windgevaar volgens NEN 8100 Overschrijdingskans

Kwalificatie

p(vLOK > vDR;G) in procenten van het aantal uren per jaar 0,05 < p < 0,30

Beperkt risico

p ≥ 0,30

Gevaarlijk

De norm stelt: “Situaties waarvoor een overschrijdingskans geldt van 0,05 < p < 0,30 mogen alleen worden geaccepteerd als deze vallen binnen activiteiten klasse I (doorlopen). Voor activiteiten klasse II en III geldt de eis p ≤ 0,05. Situaties met een overschrijdingskans van p ≥ 0,30 zijn evident gevaarlijk en behoren te allen tijde te worden vermeden; het publiek mag hier niet aan worden blootgesteld.”

OE 15219-9-RA-001 6

2.3 W i n d k l i m a a t o p d e l o c a t i e

Voor de vertaling van de resultaten van de berekeningen naar de werkelijke situatie wordt gebruik gemaakt van een windstatistiek. De NEN 8100 verwijst voor de benodigde meteogegevens naar de NPR 6097:2006 Toepassing van de statistiek van de uurgemiddelde windsnelheden voor Nederland. Met behulp van de bijbehorende software wordt voor de specifieke locatie een windstatistiek berekend op basis van meteogegevens van een groot aantal meteostations en gegevens omtrent terreinruwheden tot 6 km afstand van het plan. De terreinruwheden van het omliggend gebied worden per categorie weergegeven in figuur 2.1. De kleur geeft de terreinruwheid aan, rood staat bijvoorbeeld voor stedelijk bebouwd gebied. f2.1 Terreinruwheid tot 6 km afstand volgens NPR 6097

In figuur 2.2 is de op basis van de NPR 6097 berekende windroos op 60 meter hoogte boven de betreffende locatie weergegeven. In de windroos wordt de kans op het voorkomen van wind uit een bepaalde richting weergegeven alsmede de verdeling van windsnelheden binnen de betreffende richtingen. Uit de windroos en onderstaande windstatistiek (tabel 2.3) blijkt dat op de bouwlocatie met name bij wind uit het zuiden tot westen de hoogste windsnelheden optreden en dat de wind relatief vaak uit het uit het zuidwesten (210° en 240°) komt. Daarbij is de invloed van het water op de windroos duidelijk zichtbaar door relatief hoge windsnelheden voor de windrichtingen die over het water aan komen stromen. De zuidwesten wind is hiermee voor een groot deel bepalend voor het windklimaat op de bouwlocatie.

OE 15219-9-RA-001 7

f2.2 Windroos betreffende locatie volgens NPR 6097

t2.3 Windstatistiek van de betreffende locatie volgens NPR 6097

OE 15219-9-RA-001 8

2.4 S i m u l a t i e w i n d s n e l h e d e n m e t C F D

Voor het uitvoeren van een windklimaatonderzoek beschikt Peutz over een eigen windtunnel. Als het gaat om relatief eenvoudige bebouwingssituaties, of bebouwingssituaties waar op voorhand van wordt verwacht dat geen grote windproblemen op gaan treden, kan worden volstaan met een numerieke simulatie met Computational Fluid Dynamics (CFD). In deze situatie is in overleg met de opdrachtgever van deze onderzoeksmethode uitgegaan. De rekenmethode is aan de hand van eerder uitgevoerde windtunnelprojecten gevalideerd. De grenslaagstroming die in de praktijk (bij neutrale stabiliteit ten aanzien van het temperatuurprofiel) aanwezig is wordt aan de rand van het CFD-model opgewekt zodat het juiste windprofiel (afhankelijk van de terreinruwheid) wordt gesimuleerd. Verfijning van de lokale windsituatie vindt plaats door de direct omliggende bebouwing en begroeiing mee te modelleren. De windsnelheden rondom het project worden met het CFD-model voor 12 windrichtingen berekend. Met behulp van de windstatistiek voor de bouwlocatie, zoals berekend in navolging van de NPR 6097, wordt vervolgens per windrichting de overschrijdingskans voor de kritische uurgemiddelde windsnelheden van 5 en 15 m/s voor respectievelijk windhinder en windgevaar bepaald. De totale overschrijdingskans is de som van de overschrijdingskansen per windrichting, ook wel de hinderkans en de gevaarkans genoemd.

Deze worden vervolgens getoetst aan de NEN 8100 om het lokale windklimaat te kunnen beoordelen. In bijlage 1 is het technisch inlegvel, conform de NEN 8100, opgenomen. Het technisch inlegvel bevat een aantal rubrieken en aandachtspunten die een kort, schetsmatig overzicht geven van de relevante zaken van de CFD-berekeningen.

OE 15219-9-RA-001 9

3

Rekenresultaten In figuur 3.1 is een aanzicht gegeven van het rekengrid ter plaatse van de geplande bebouwing.

f3.1 Aanzicht oppervlakte grid rekenmodel

Het toekomstige windklimaat wordt beoordeeld op basis van de uitgevoerde CFDberekeningen, de windstatistiek van de betreffende locatie en de grenswaarden zoals beschreven in de paragrafen 2.2.1 en 2.2.2 betreffende windhinder en windgevaar. In figuur 3.2 wordt in een horizontale doorsnede op hoofdhoogte (1,75 meter boven plaatselijk maaiveldniveau) de berekende hinderkans met kleurcontouren voor de geplande bebouwingssituatie weergegeven. De kleuren zijn afgestemd op de beoordelingscriteria uit de NEN 8100. Bij de beoordeling van het windklimaat wordt onderscheid gemaakt tussen de categorieën doorlopen en slenteren. Het criterium voor slenteren is van toepassing bij de gebouwentrees, verder wordt het criterium voor doorlopen gehanteerd. In slentergebieden wordt een hinderkans van minder dan 5%, overeenkomend met een beoordeling goed, nagestreefd. Het criterium voor langdurig zitten is niet toegepast.

OE 15219-9-RA-001 10

f3.2 Het te verwachten windklimaat in de geplande bebouwingssituatie, beoordeeld volgens de NEN 8100

I

Uit de resultaten blijkt dat het windklimaat op een aantal plekken in de twee plangebieden matig voor doorlopen is (geel in figuur 3.2). Gezien de bouwhoogte en de ligging dicht bij open water is dat ook begrijpelijk. Verbeteren van het windklimaat is mogelijk door het verkleinen van het aangestroomd oppervlak van de verschillende bouwdelen vanuit het zuidwesten, de richting waaruit de meeste wind komt. Ook het creëren van een laagbouwvoet aan deze gevels is mogelijk, bij voorbeeld bij markering I in de figuur. Tenslotte kan bij de inrichting van het gebied nog rekening gehouden worden met het windklimaat: door windgevoelige functies in gebieden te leggen waar het windklimaat gunstiger is, kan hinder worden voorkomen. Ook is het plaatsen van begroeiing in de gebieden met hogere hinderkansen een mogelijkheid om het windklimaat in deze gebieden te verbeteren. Er is op beperkte schaal sprake van een beperkt risico op windgevaar (zie figuur 3.3). Dit mag in principe geaccepteerd worden als dit doorloopgebieden zijn. Opgemerkt dient te worden dat het windremmende effect van eventuele geplande begroeiing, gezien het beperkte effect bij jonge aanplant, niet in de berekening is meegenomen. Na een bepaalde groeiperiode kan de vastgestelde hinderkans als gevolg van de afschermende werking van de begroeiing in de praktijk afnemen.

Daarnaast kan aan de hand van de resultaten van het onderzoek worden vastgesteld op welke plaatsen het afschermende effect van begroeiing gewenst is. Verder moet opgemerkt worden dat doordat de volumes nu allemaal maximaal ingevuld zijn, het windklimaat in een werkelijke ontwerpsituatie anders zal zijn dan berekend. Hierbij kan het windklimaat, doordat er minder hoogbouw is, gunstiger uitvallen, maar kan bijvoorbeeld door het wegvallen van een laagbouwvoet het windklimaat ook ongunstiger OE 15219-9-RA-001 11

worden. Er wordt dan ook geadviseerd om bij de verdere planvorming, met name bij de ontwikkeling van bouwdelen van meer dan 30 meter hoog, opnieuw aandacht te besteden aan het windklimaat rond de plannen. f3.3 Beoordeling van het aspect windgevaar volgens de NEN 8100

OE 15219-9-RA-001 12

4

S ame nvatting en conclusies In opdracht van Gemeente Hoorn is met behulp van Computational Fluid Dynamics (CFD) een indicatief onderzoek verricht naar de te verwachten windklimaatsituatie rondom de mogelijke bebouwing van het Bestemmingplan Pelmolenpad. Doel van het onderzoek was het vaststellen en beoordelen van het te verwachten windklimaat in de directe omgeving van de geplande bebouwing en het geven van adviezen ter verbetering van het windklimaat. Voor de opzet van het onderzoek en de beoordeling van het windklimaat is uitgegaan van de Nederlandse norm NEN 8100:2006 Windhinder en windgevaar in de gebouwde omgeving. Uit de resultaten van het onderzoek kunnen de volgende conclusies getrokken worden: − Het te verwachten windklimaat is op een aantal plekken in het bestemmingsplangebied matig voor doorlopen. Dit wordt verklaard door de ligging dicht bij open water in combinatie met de mogelijke bouwhoogtes. − Verbeteren van het windklimaat is mogelijk door het verkleinen van het aangestroomd oppervlak van de verschillende bouwdelen vanuit het zuidwesten of het creëren van een laagbouwvoet aan deze gevels. − Bij de inrichting van het gebied kan rekening gehouden worden met het windklimaat door windgevoelige functies in gebieden te leggen waar het windklimaat gunstiger is en het plaatsen van begroeiing in de gebieden met hogere hinderkansen.

− Er is op beperkte schaal sprake van een beperkt risico op windgevaar. Dit mag in principe geaccepteerd worden als dit doorloopgebieden zijn. Opgemerkt wordt dat doordat de volumes nu allemaal maximaal ingevuld zijn, het windklimaat in een werkelijke ontwerpsituatie anders zal zijn dan berekend. Hierbij kan het windklimaat zowel gunstiger als ongunstiger uitvallen. Er wordt dan ook geadviseerd om bij de verdere planvorming, met name bij de ontwikkeling van de hogere bouwdelen, opnieuw aandacht te besteden aan het windklimaat rond de plannen.

Zoetermeer,

Dit rapport bevat 13 pagina's Bijlage 1: Technisch inlegvel numerieke simulatie

OE 15219-9-RA-001 13

Bijlage 1

Te c h n i s c h i n l e g v e l n u m e r i e k e s i m u l a t i e

Project

Projectgegevens

Projectnaam

Bestemmingplan Pelmolenpad

Opdrachtgever

Gemeente Hoorn

Projectleider

dr. ir. L. Aanen

Datum

21 september 2021

Model

Algemene gegevens van het model

Omvang gemodelleerd gebied

1200 x 875 meter

Kerngebied

het gebied rondom de geplande nieuwbouw

Omgeving

bebouwing/begroeiing

Afmetingen model

1500 x 1175 x 500 meter

Blokkeringsgraad

<10%

Gemodelleerd groen

jaargemiddelde situatie

Onderzochte windrichtingen

12 (rondom in stappen van 30 graden)

Onderzochte configuraties

geplande bestemmingsplansituatie

Computeropstelling

Specifieke gegevens van gebruikte programmatuur

Programmatuur

OpenFoam 6

Algemeen

✔

FVM (eindige volume methode)

–

FEM (eindige elementen methode)

–

anders

✔

drie-dimensionaal

–

twee-dimensionaal

✔

tijd-onafhankelijk

–

tijd-afhankelijk

✔

isothermisch

–

thermisch

–

passieve scalairs

–

actieve scalairs

Rekenrooster

Circa 20,8 miljoen cellen; verfijning t.p.v. de geplande bebouwing

Turbulentiemodellering

k-ε-RNG-turbulentiemodel

Convectieve differentieschema's

snelheidscomponenten: Gauss turbulentie grootheden: Gauss scalaire variabelen: -

Randvoorwaarden

Gebruikte randvoorwaarden

Instroomprofiel

logaritmisch snelheidsprofiel, windrichtingen 150° t/m 210°: z 0=0,1 m; 120° en 240° t/m 300°: z 0=0,3 m; overige windrichtingen z0=0,7 m en bijbehorende profielen voor k en ε

Uitlaat

constante druk

Boven-/zijwanden

gesloten, wrijvingsloos

Gegevensverwerking en -beoordeling

Informatie voor locatie en beoordeling windklimaat

Amersfoortse coördinaten van de locatie

X = 132306 Y = 517677

Toegepaste eisen

VDR [m/s]

Gewenste kwaliteitsklasse

Voor comfort

Overschrijdingskans [%]

Beoordeling

p(vLOK > vDR:H)

Doorlopen

5,0

≤D

< 20

≤ matig

Slenteren

5,0

≤C

< 10

≤ matig

5,0

≤B

<5

≤ matig

15

n.v.t

0,05 < p < 0,30

beperkt risico

n.v.t

p ≥ 0,30

gevaarlijk

Zitten Regionale correctie

Geen correctie

Voor gevaar

p(vLOK > vDR;G) 15

Gepresenteerde resultaten

windhinder: figuren met p (v LOK > vDR:H )-waarden, gevaar: tekstuele beoordeling

Opmerkingen

OE 15219-9-RA-001 1. 1