室外熱環(huán)境模擬方法在居住區(qū)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳宏 謝俊民 大岡龍三 / Chen Hong, Xie Junlong, Ryozo Ooka

1 研究的背景與意義

隨著城市化的飛速發(fā)展，城市熱島現(xiàn)象也日趨嚴(yán)重，城市熱環(huán)境存在加速惡化的趨勢(shì)。例如在城市熱島現(xiàn)象非常顯著的日本東京近百年來(lái)（1880～1980）氣溫升高了大約2℃（Ryozo Ooka, 2007) ，明顯高于地球溫暖化所造成全球氣溫0.6℃的升幅。城市熱島不僅導(dǎo)致城市氣溫顯著升高，而且大氣污染、氣候變化、建筑能耗劇增等一系列環(huán)境與社會(huì)問(wèn)題。在城市建設(shè)過(guò)程中，如何通過(guò)有效的城市設(shè)計(jì)的策略來(lái)調(diào)節(jié)城市與建筑熱環(huán)境、緩解環(huán)境惡化的問(wèn)題，從而達(dá)到提高城市環(huán)境品質(zhì)，降低建筑能耗的目標(biāo)已成為刻不容緩的任務(wù)與課題。

近年來(lái)。為了改善城市熱環(huán)境，從城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、以及城市設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行了大量的研究工作 （Kimura F, Takahashis,1991;T.R.Oke,1991），并且有很多改善策略被提出。很多的研究與實(shí)踐表明，城市的空間形態(tài)、建筑群的組合關(guān)系、城市的下墊面性質(zhì)等等環(huán)境構(gòu)成要素對(duì)于城市微氣候的形成具有較大的影響（Hong Chen,Ryozo Ooka, Hong Huang, 2009）。實(shí)踐證明城市規(guī)劃師與建筑師通過(guò)城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、以及城市設(shè)計(jì)的方法來(lái)改善城市與建筑熱環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)低碳城市的一種非常有效的手段。

基于上述背景，作者開發(fā)了室外熱環(huán)境模擬方法（Hong Chen,Ryozo,Ooka, Kazuya Harayama, etc.2004），同時(shí)，作為應(yīng)用案例研究，采用這一方法參與一個(gè)實(shí)際住宅區(qū)的規(guī)劃與建筑設(shè)計(jì)過(guò)程，針對(duì)住宅區(qū)的室外熱環(huán)境進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，分析與提出相應(yīng)的住宅區(qū)平面改善方案，并且對(duì)改善方案的效果進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

2 室外熱環(huán)境模擬方法

城市與建筑熱環(huán)境及風(fēng)環(huán)境非常地復(fù)雜多變，在實(shí)際工程中多采用風(fēng)洞試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬的方法來(lái)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)建成環(huán)境的環(huán)境狀況。風(fēng)洞試驗(yàn)存在周期長(zhǎng)、成本高等諸多問(wèn)題。同時(shí)，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算能力大大提高，計(jì)算流體力學(xué)Computational Fluid Dynamics (CFD)方法與軟件開始進(jìn)入實(shí)用化階段。在國(guó)外，建筑熱環(huán)境模擬方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，成為為建筑設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)的重要技術(shù)手段。

圖1 室外熱環(huán)境模擬方法

圖1 為作者參與開發(fā)的可用于實(shí)際復(fù)雜街區(qū)室外熱環(huán)境模擬計(jì)算的模擬方法。這個(gè)模擬方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間條件下的三維非穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)輻射模擬與穩(wěn)態(tài)CFD模擬。

在模擬過(guò)程中，首先根據(jù)計(jì)算對(duì)象所在地點(diǎn)的地理位置、計(jì)算時(shí)刻、街區(qū)形態(tài)與密度指標(biāo)、以及建筑與環(huán)境的表面構(gòu)成等設(shè)定計(jì)算條件與邊界條件；其次，進(jìn)行太陽(yáng)輻射模擬計(jì)算，獲得建筑外表面及地面等環(huán)境要素外表面的表面溫度；然后，將上述表面溫度的計(jì)算結(jié)果作為邊界條件進(jìn)行CFD計(jì)算，獲得風(fēng)速風(fēng)向、氣溫、濕度、平均輻射溫度（MRT）的空間分布；最后，根據(jù)設(shè)定的人體活動(dòng)量、著衣量等參數(shù)計(jì)算出室外熱環(huán)境的人體熱舒適指標(biāo)SET（新標(biāo)準(zhǔn)有效溫度New Standard Effective Temperature），并且利用這一指標(biāo)進(jìn)行室外熱環(huán)境的舒適性評(píng)價(jià)。

本文的研究案例中CFD計(jì)算采用國(guó)際通用的數(shù)值流體力學(xué)模擬軟件Star-CD，這是一個(gè)由英、美、德、法等多個(gè)國(guó)家的學(xué)者合作開發(fā)的專業(yè)的數(shù)值流體力學(xué)模擬軟件。如圖3所示，目前已經(jīng)被廣泛利用于汽車、航空航天、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域。在建筑領(lǐng)域中，Star-CD被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外的熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、以及空氣環(huán)境的數(shù)值模擬，對(duì)建筑室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。

3 研究案例——越谷湖濱城（Koshigaya Riverside Town）

3.1 研究對(duì)象

越谷湖濱城（koshigaya riverside town）是位于日本東京附近的一個(gè)獨(dú)立式住宅區(qū)。如圖2所示，住宅區(qū)由132棟2～3層的獨(dú)立式住宅構(gòu)成，住宅區(qū)附近有一個(gè)較大的人工湖及一條人工河（圖3）。建筑師希望根據(jù)夏季主導(dǎo)風(fēng)向進(jìn)行有針對(duì)性地外部空間設(shè)計(jì)，將湖面及河面上的涼爽空氣引導(dǎo)進(jìn)入住宅區(qū)內(nèi)，以便創(chuàng)造良好的室外環(huán)境，同時(shí)通過(guò)促進(jìn)建筑的自然通風(fēng)，將涼爽空氣引入室內(nèi)，改善室內(nèi)熱環(huán)境，減少空調(diào)能耗。由于建筑師將上述微氣候調(diào)節(jié)理念與住宅區(qū)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，這個(gè)住宅區(qū)獲得日本第18屆地球環(huán)境大獎(jiǎng)，并且通過(guò)CASBEE（建筑環(huán)境綜合性能評(píng)價(jià)體系：Comprehensive Assessment System for Building Environment Efficiency）的最高級(jí)，即S級(jí)的認(rèn)證。

3.2 模擬的設(shè)定

模擬的時(shí)間被選定為8月。圖4中紅色的實(shí)線所圍區(qū)域?yàn)楸疚牡难芯繉?duì)象區(qū)域。根據(jù)AMeDAS（Automated Meteorological Data Acquisition System）氣象數(shù)據(jù)，建設(shè)用地在8月份SSE與ENE等兩個(gè)方向的頻度較高，因此，本研究選用這兩個(gè)風(fēng)向?yàn)橛懻搶?duì)象。表1為CFD模擬的邊界條件。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，流入風(fēng)速被設(shè)定為高度6.5m處風(fēng)速2m/s，氣溫為32.6℃。

在本文中為了進(jìn)行住宅區(qū)總平面的原始設(shè)計(jì)方案及改善方案的比較，根據(jù)方案以及風(fēng)向的差異，共有4種工況被討論，表2為模擬計(jì)算的4種工況列表。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 原始方案的模擬結(jié)果

圖6表示case1(a)的模擬結(jié)果。當(dāng)流入風(fēng)向?yàn)镾SE時(shí)，在1.5m高度，河面上的氣流主要通過(guò)a、b、以及c等3個(gè)路徑流入住宅區(qū)內(nèi)部。其中，路徑b的風(fēng)速最大，并且在住宅區(qū)的中心部形成了一條“通風(fēng)道”。同時(shí)，可以看出通風(fēng)較好的區(qū)域，氣溫的值也相對(duì)較低，涼爽舒1300~1800 in August適。但是在住宅區(qū)的內(nèi)部，風(fēng)速較弱，尤其是在d及e等處的風(fēng)速減弱十分明顯，相應(yīng)地，風(fēng)速較弱的區(qū)域由于熱量無(wú)法及時(shí)地?cái)U(kuò)散，因此氣溫較高。

圖2 研究對(duì)象鳥瞰圖

圖3 研究對(duì)象平面圖

圖4 模擬區(qū)域

表1 邊界條件

表2 模擬計(jì)算工況

圖5 夏季風(fēng)玫瑰圖

圖7 表示case1(b)的模擬結(jié)果。case1(b)的住宅區(qū)內(nèi)部的平均風(fēng)速要大于case1(a)的值。顯示出住宅區(qū)西北側(cè)湖面上的涼爽空氣可以較好地流入小區(qū)。但是，圖中可以看出風(fēng)上側(cè)的f處的建筑對(duì)于ENE方向的流入氣流起到了阻礙作用。同時(shí)，在風(fēng)下側(cè)的組團(tuán)g處存在著明顯的弱風(fēng)區(qū)，相應(yīng)地圖中h處的氣溫也明顯高于其它區(qū)域。

3.3.2 改善方案

根據(jù)上述對(duì)于原始方案的計(jì)算與分析，我們發(fā)現(xiàn)由于住宅區(qū)內(nèi)建筑密集，對(duì)于風(fēng)的阻礙作用比較明顯，因此，存在一定的弱風(fēng)區(qū)，尤其是在SSE的風(fēng)向下表現(xiàn)的更加突出?；谏鲜龇治?，我們提出了總平面的改善方案。圖8為住宅區(qū)的改善方案。由于各種條件的限制，改善方案只能以已確定的宅基地為基礎(chǔ)，將建筑在基地內(nèi)的位置進(jìn)行前后左右的錯(cuò)動(dòng)。相比于原始方案，我們主要是針對(duì)A～F等處的建筑間距進(jìn)行了一些調(diào)整，以改善住宅區(qū)內(nèi)部的通風(fēng)。這些改變主要包括2個(gè)方面的內(nèi)容：首先，在A～D等處主要是針對(duì)流入氣流，通過(guò)調(diào)節(jié)建筑間距，加寬氣流流入通道，使氣流更容易流入住宅區(qū)內(nèi)部；其次，在E處主要是減小住宅區(qū)內(nèi)部建筑對(duì)氣流的阻礙。

3.3.3 改善方案的模擬結(jié)果

圖9表示case2(a)的模擬結(jié)果。從圖中可以看出，在風(fēng)向?yàn)镾SE的條件下，氣流主要是沿著a、b、c以及i等4條路徑流入住宅區(qū)內(nèi)部，其中a、b、c等3條路徑與原始方案的結(jié)果相同，但是在b處，原始方案的流入氣流被建筑阻礙，無(wú)法有效地流入住宅區(qū)內(nèi)部，而這種狀況在改善方案中得到了顯著改善。另外，在改善方案中i處出現(xiàn)的流入路徑有效地改善了平面右下區(qū)域的通風(fēng)狀況。住宅區(qū)內(nèi)部通風(fēng)狀況的改善同時(shí)也有效的降低了區(qū)域內(nèi)部的氣溫，尤其是在氣溫分布圖中i處沿流入路徑b的風(fēng)下側(cè)出現(xiàn)了一條明顯的“低溫帶”，另外，d區(qū)也可以看到與原始方案相比氣溫得到明顯降低。

圖10表示case2(b)的模擬結(jié)果。由于調(diào)節(jié)建筑間距，使得風(fēng)的流入通道加寬，所以f處的風(fēng)速加大，通風(fēng)狀況得到改善。同時(shí)，圖中k處的通風(fēng)狀況也得到了明顯的改善，而這一結(jié)果也使得組團(tuán)g處的氣流變得非常順暢，而在原始方案中該處的氣流被阻礙，成為弱風(fēng)區(qū)。相應(yīng)地，在改善方案中，h區(qū)的氣溫也得到了降低。

4 總結(jié)

在本文中應(yīng)用作者等開發(fā)的室外熱環(huán)境模擬方法對(duì)于一個(gè)實(shí)際住宅區(qū)（Koshigaya Riverside Town），針對(duì)夏季的2個(gè)主導(dǎo)風(fēng)向（SSE與ENE）條件下的室外熱環(huán)境進(jìn)行了預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)分析模擬計(jì)算的結(jié)果，找出原始總平面設(shè)計(jì)中室外熱環(huán)境存在的問(wèn)題點(diǎn)，并且有針對(duì)性地提出改善方案。改善方案通過(guò)對(duì)建筑間距進(jìn)行微調(diào)，有效地改善了在上述2個(gè)主導(dǎo)風(fēng)向條件下，住宅區(qū)內(nèi)部的通風(fēng)狀況，降低了住宅區(qū)內(nèi)部的氣溫。

圖6 (1)風(fēng)速矢量

圖6 (2)氣溫case1(a) 模擬結(jié)果的水平分布（高度1.5m處）

圖7 (1)風(fēng)速矢量

圖7 (2)氣溫case1(b) 模擬結(jié)果的水平分布（高度1.5m處）

圖8 (1)原始方案

圖8 (2)改善方案改善方案示意圖

圖9 (1)風(fēng)速矢量

圖9 (2)氣溫case2(a) 模擬結(jié)果的水平分布（高度1.5m處）

圖10 (1)風(fēng)速矢量

圖10 (2)氣溫case2(b) 模擬結(jié)果的水平分布（高度1.5m處）

通過(guò)對(duì)原始方案與改善方案的比較，可以看出通過(guò)改變街區(qū)的空間形態(tài)與建筑群的組合關(guān)系是調(diào)節(jié)城市微氣候的有效手段；同時(shí)，采用熱環(huán)境模擬方法針對(duì)設(shè)計(jì)方案的熱環(huán)境狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，能夠?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)與技術(shù)支持。

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