適于城市住區(qū)規(guī)劃的室外熱環(huán)境實(shí)測(cè)與模擬研究.pdf

1、隨著城市化進(jìn)程加快,城市住區(qū)數(shù)量日益增加,而住區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)往往對(duì)室外熱環(huán)境不夠重視,使得城市住區(qū)熱環(huán)境不斷惡化。同時(shí),城市住區(qū)熱環(huán)境與居民生活息息相關(guān),為營(yíng)造良好的城市住區(qū)熱環(huán)境,需從城市住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就開(kāi)始著手考慮優(yōu)化其熱環(huán)境的規(guī)劃方案。
　　 現(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市住區(qū)熱環(huán)境的宏觀層面研究主要集中在熱島效應(yīng)和風(fēng)場(chǎng)等方面,并取得了一些成果。然而,城市住區(qū)熱環(huán)境受太陽(yáng)輻射、建筑布局、地形、水體、綠化以及下墊面等因素影響,且各

2、因素之間亦有關(guān)聯(lián),使得影響因素的量化研究困難重重。在微觀層面,以城市住區(qū)熱環(huán)境為對(duì)象的研究較少,且缺乏成熟的理論研究。為此,本文以城市住區(qū)熱環(huán)境為研究對(duì)象,進(jìn)行實(shí)測(cè)和模擬研究。
　　 首先,對(duì)城市住區(qū)熱環(huán)境進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究,在英國(guó)Reading大學(xué)包含四種不同建筑布局(街谷型、半圍合型、庭院型、開(kāi)敞型)的某建筑群內(nèi)布置六個(gè)固定觀測(cè)點(diǎn),通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與流動(dòng)觀測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)這六個(gè)固定觀測(cè)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的空氣干球溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、水平太陽(yáng)

3、輻射強(qiáng)度、下墊面溫度和建筑表面溫度進(jìn)行了四個(gè)季節(jié)的實(shí)測(cè)。結(jié)果表明:不同建筑布局中測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速影響因子各異;各測(cè)點(diǎn)處的空氣干球溫度與瀝青路面溫度的相關(guān)性大于水平太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的與瀝青路面溫度的相關(guān)性,且瀝青路面溫度對(duì)空氣干球溫度的影響程度不同。通過(guò)對(duì)草坪建立的熱平衡方程并進(jìn)行多因素回歸,發(fā)現(xiàn)處于不同建筑布局中的草坪能量平衡方程的線性回歸的表述項(xiàng)各異,且影響草坪溫度的主因亦不同。城市住區(qū)熱環(huán)境實(shí)測(cè)結(jié)果可為后續(xù)數(shù)值模擬提供初始條件,亦可用于模擬驗(yàn)

4、證。
　　 其次,提出并驗(yàn)證了簡(jiǎn)化求解建筑群內(nèi)天空視角系數(shù)(SVF)的射線掃描方法和面與面之間角系數(shù)的簡(jiǎn)化求解方法,建立了建筑群內(nèi)太陽(yáng)直射輻射、散射輻射和反射輻射等的簡(jiǎn)化求解模型。同時(shí),分別以建筑表面、空氣、草坪和水體等為研究對(duì)象,建立熱平衡方程,進(jìn)而建立了適于城市住區(qū)熱環(huán)境模擬分析的零方程流動(dòng)換熱求解模型,對(duì)城市住區(qū)空氣流動(dòng)與換熱進(jìn)行三維耦合求解。該模型考慮了太陽(yáng)總輻射、長(zhǎng)波輻射、草坪和水體與空氣的潛熱交換、人為排熱、空氣與建

5、筑表面的熱交換等因素。為提高模擬計(jì)算速度,降低模擬過(guò)程對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求,耦合求解時(shí)先計(jì)算下墊面和建筑表面接收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,再計(jì)算下墊面溫度和建筑表面溫度,最后采用同位網(wǎng)格和SLUR掃描的SIMPLE算法計(jì)算空氣的流場(chǎng)與干球溫度值。以英國(guó)Reading大學(xué)某建筑群為例,對(duì)上述模型進(jìn)行驗(yàn)證。以該建筑群的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和不同下墊面的熱物性參數(shù)、Reading大學(xué)的氣象數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、建筑室內(nèi)設(shè)定溫度、夏季空調(diào)計(jì)算溫度等作為初始條件進(jìn)行模擬。

6、將城市熱環(huán)境的模擬分三步進(jìn)行:第一,建立室外熱環(huán)境的物理模型;第二,計(jì)算城市住區(qū)下墊面的天空視角系數(shù)、太陽(yáng)直射輻射、散射輻射和反射輻射;第三,將第二步的計(jì)算結(jié)果作為空氣流動(dòng)換熱模擬的輸入條件。將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,結(jié)果表明模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律基本一致,且在誤差允許范圍內(nèi),從而證實(shí)了城市住區(qū)熱環(huán)境流動(dòng)換熱模型的合理性。
　　 本文的工作為數(shù)值模擬優(yōu)化城市住區(qū)熱環(huán)境奠定了理論和應(yīng)用基礎(chǔ),研究成果可用于對(duì)城市住區(qū)熱環(huán)境的前