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,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,國內外學者對城市住區(qū)熱環(huán)境的宏觀層面研究主要集中在熱島效應和風場等方面,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)的某建筑群內布置六個固定觀測點,通過遠程監(jiān)測與流動觀測相結合的方式對這六個固定觀測點處對應的空氣干球溫度、相對濕度、風速、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。結果表明:不同建筑布局中測點的風速影響因子各異;各測點處的空氣干球溫度與瀝青路面溫度的相關性大于水平太陽輻射強度的與瀝青路面溫度的相關性,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構和不同下墊面的熱物性參數(shù)、Reading大學的氣象數(shù)據和實測數(shù)據、建筑室內設定溫度、夏季空調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,將第二步的計算結果作為空氣流動換熱模擬的輸入條件。將模擬數(shù)據與實測數(shù)據對比,結果表明模擬數(shù)據與實測數(shù)據的變化規(guī)律基本一致,且在誤差允許范圍內,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)境奠定了理論和應用基礎,研究成果可用于對城市住區(qū)熱環(huán)境的前