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

1、隨著城市化進程加快,城市住區(qū)數(shù)量日益增加,而住區(qū)的規(guī)劃設(shè)計往往對室外熱環(huán)境不夠重視,使得城市住區(qū)熱環(huán)境不斷惡化。同時,城市住區(qū)熱環(huán)境與居民生活息息相關(guān),為營造良好的城市住區(qū)熱環(huán)境,需從城市住區(qū)規(guī)劃設(shè)計階段就開始著手考慮優(yōu)化其熱環(huán)境的規(guī)劃方案。
　　 現(xiàn)階段,國內(nèi)外學(xué)者對城市住區(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)境為研究對象,進行實測和模擬研究。
　　 首先,對城市住區(qū)熱環(huán)境進行了實測研究,在英國Reading大學(xué)包含四種不同建筑布局(街谷型、半圍合型、庭院型、開敞型)的某建筑群內(nèi)布置六個固定觀測點,通過遠程監(jiān)測與流動觀測相結(jié)合的方式對這六個固定觀測點處對應(yīng)的空氣干球溫度、相對濕度、風(fēng)速、水平太陽

3、輻射強度、下墊面溫度和建筑表面溫度進行了四個季節(jié)的實測。結(jié)果表明:不同建筑布局中測點的風(fēng)速影響因子各異;各測點處的空氣干球溫度與瀝青路面溫度的相關(guān)性大于水平太陽輻射強度的與瀝青路面溫度的相關(guān)性,且瀝青路面溫度對空氣干球溫度的影響程度不同。通過對草坪建立的熱平衡方程并進行多因素回歸,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)境實測結(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

4、證。
　　 其次,提出并驗證了簡化求解建筑群內(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)的簡化求解方法,建立了建筑群內(nèi)太陽直射輻射、散射輻射和反射輻射等的簡化求解模型。同時,分別以建筑表面、空氣、草坪和水體等為研究對象,建立熱平衡方程,進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換熱求解模型,對城市住區(qū)空氣流動與換熱進行三維耦合求解。該模型考慮了太陽總輻射、長波輻射、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。為提高模擬計算速度,降低模擬過程對計算機硬件的要求,耦合求解時先計算下墊面和建筑表面接收的太陽輻射強度,再計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算法計算空氣的流場與干球溫度值。以英國Reading大學(xué)某建筑群為例,對上述模型進行驗證。以該建筑群的建筑圍護結(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)和實測數(shù)據(jù)、建筑室內(nèi)設(shè)定溫度、夏季空調(diào)計算溫度等作為初始條件進行模擬。

6、將城市熱環(huán)境的模擬分三步進行:第一,建立室外熱環(huán)境的物理模型;第二,計算城市住區(qū)下墊面的天空視角系數(shù)、太陽直射輻射、散射輻射和反射輻射;第三,將第二步的計算結(jié)果作為空氣流動換熱模擬的輸入條件。將模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比,結(jié)果表明模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律基本一致,且在誤差允許范圍內(nèi),從而證實了城市住區(qū)熱環(huán)境流動換熱模型的合理性。
　　 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),研究成果可用于對城市住區(qū)熱環(huán)境的前