基于道路布局的城市區(qū)域熱環(huán)境數(shù)值模擬研究＊

樂 地，李念平?，蘇 林，李 靖，魏小清

（1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.中國汽車工業(yè)工程公司，天津 301600）

隨著城市的高速發(fā)展，人口密度急劇增加，城市用地日趨緊張，人均占用居住空間逐漸減少，引發(fā)了現(xiàn)代建筑的豎向發(fā)展以及城市建筑密度的增加.高層建筑的大量建設(shè)，一方面大大增加了建筑排熱密度，使熱島效應(yīng)更為嚴(yán)重，城市熱環(huán)境惡化[1－3]；另一方面，高層、高密度建筑群對城市自然通風(fēng)造成很大影響，使得無法順利排出建筑廢熱及被污染的空氣，城市熱環(huán)境和空氣質(zhì)量更難以通過自然通風(fēng)來改善[4].

本文以長沙市主城區(qū)為研究對象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，用Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，并與紅外線溫度圖進(jìn)行對比研究.

1 數(shù)學(xué)模型

本文采用k－ε湍流模型對建筑物的繞流進(jìn)行模擬計(jì)算，流體流動的基本控制方程[5]如下.

質(zhì)量守恒方程：

式中：ρ為密度；t為時間.

動量守恒方程：

式中：Su，Sv，Sw是動量守恒方程的廣義源項(xiàng)；p為壓力；μ為運(yùn)動粘度.

能量守恒方程：

一般認(rèn)為，無論湍流運(yùn)動多么復(fù)雜，非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程和Navier－Stokes方程對于湍流的瞬時運(yùn)動仍然是適用的.目前關(guān)于湍流流動與傳熱的研究十分活躍，已經(jīng)采用的數(shù)值計(jì)算方法可以大致分為3種：直接模擬、大渦模擬、雷諾時均法.前2種方法對計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和運(yùn)算速度要求很高，一般在超級計(jì)算機(jī)或工作站上進(jìn)行.雷諾時均法將湍流物理量對時間平均，將瞬時值分解為時均值和脈動值2部分代入控制方程，得到時均化的控制方程進(jìn)行計(jì)算.

在此，考慮不可壓流動，使用笛卡爾坐標(biāo)系，速度矢量在x，y和z方向的分量分別為u，v和w，則湍流瞬時控制方程如下：

采用有限容積法對微分方程進(jìn)行離散.其中，對擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分方法，對流項(xiàng)采用二階差分方法.采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力和速度的解耦，以避免不合理壓力及速度場的出現(xiàn).近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法處理.

2 模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 幾何模型的建立

本文研究的對象是長沙市主城區(qū)，區(qū)域范圍的界定是從南至北以湘江三橋至湘江二橋?yàn)榻纾瑥奈鞯綎|以湘江至瀏陽河為界.南北最長處約10km，東西最寬處約10km，區(qū)域內(nèi)面積約為78km2.

本文對長沙市主城區(qū)進(jìn)行建模，所采用的幾何模型是基于長沙市規(guī)劃局實(shí)測資料[6]建立起來的，所有的街道、高層建筑等的模型都保持了與實(shí)際物體的真實(shí)比例尺度關(guān)系（見圖1）.這樣便于分析長沙市主城區(qū)的高層建筑布局、街道走向等的特征，綜合研究區(qū)域熱環(huán)境狀況.

影響區(qū)域熱環(huán)境模擬的因素眾多，具體構(gòu)成要素包括：建筑物、街道、綠地、水體等，并結(jié)合長沙市城區(qū)規(guī)劃特點(diǎn)對各影響要素進(jìn)行分層組織，在保留長沙市城區(qū)規(guī)劃特點(diǎn)的同時簡化實(shí)物模型，以便于降低計(jì)算難度.

2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

2.2.1 計(jì)算區(qū)域

在計(jì)算室外環(huán)境風(fēng)場時，計(jì)算區(qū)域的大小會影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算量的大小.通過大量試算，確定計(jì)算區(qū)域?yàn)椋洪L度、寬度分別為計(jì)算模型長度、寬度的15倍、10倍，形成無限遠(yuǎn)邊界，如圖2所示.

2.2.2 邊界條件

圖1 長沙市高層建筑布局圖Fig.1 The layout of high－rise buildings in Changsha

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域Fig.2 Computational domain of numerical simulation

1）來流面邊界.計(jì)算區(qū)域入口處流場，邊界為速度進(jìn)口.根據(jù)長沙市氣象參數(shù)，夏季時，風(fēng)向?yàn)镾E，風(fēng)速2.6m／s，冬季時，風(fēng)向?yàn)?NW，風(fēng)速3.7m／s.

2）出流面邊界.分別用壓力出口條件（設(shè)出口表壓為零）和出流邊界條件計(jì)算，發(fā)現(xiàn)雖收斂歷史有所不同但結(jié)果基本一致.

3）壁面邊界.區(qū)域內(nèi)建筑輪廓及計(jì)算區(qū)域四周界面均為無滑移壁面.

Fluent是目前比較流行的計(jì)算流體力學(xué)軟件，被廣泛應(yīng)用于與流體力學(xué)相關(guān)的航空、水利和工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域.應(yīng)用Fluent軟件建模計(jì)算，一般可以先用其前處理器Gambit建立各種建筑及街道的模型，并進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，本文所建立的長沙市建筑模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分[7－9].

2.3 長沙市區(qū)域熱環(huán)境整體情況分析

在長沙市湘江與處于湘江以西的岳麓山地帶，湘江的天然水體和岳麓山上大面積的植被像一個巨大的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為城市調(diào)節(jié)溫度、濕度，降低“熱島效應(yīng)”危害，同時它也可以吸收空氣中的有害氣體和可吸入顆粒物，保證空氣的質(zhì)量.因此從紅外線溫度圖[10]（如圖3所示）中可以明顯地看出，由于湘江水域和岳麓山的存在，河西地帶的熱島效應(yīng)非常弱，并且空氣質(zhì)量優(yōu)良.

與之形成鮮明對比的是河?xùn)|五一廣場高層建筑密集地帶的熱島效應(yīng)強(qiáng)度明顯較河西大很多（如圖4所示），在該地帶的城市上方形成熱穹窿，像罩子一樣蓋在城市上方，阻礙熱量及污染物擴(kuò)散.由于道路的通風(fēng)作用，其熱島的穹窿形成了幾個小的穹窿，而小穹窿處的高層建筑又比較集中.測試表明道路的寬窄對熱島的降解有一定的作用，但是在高層建筑圍合的多層區(qū)域的次一級路網(wǎng)中，以及老城區(qū)的小街道的通風(fēng)就受到了很大的影響，其通風(fēng)的效果就越來越差.

圖3 湘江及岳麓山周邊區(qū)域紅外線溫度圖Fig.3 Infrared temperature map of Xiang River and Yuelu Mountains

圖4 五一廣場區(qū)紅外溫度圖Fig.4 Infrared temperature map of Wuyi Square

從圖5，圖6可以了解長沙市主城區(qū)河?xùn)|地區(qū)的夏、冬季熱環(huán)境情況.在夏季，主導(dǎo)風(fēng)為東南風(fēng)，東南風(fēng)通過街道向城市縱深蔓延，在主城區(qū)東部，由于街道較寬，道路網(wǎng)格局主要為規(guī)規(guī)矩矩的網(wǎng)格型，對風(fēng)的阻力較小，因此在東部，東南風(fēng)沒有受到太多的阻力，街道上的風(fēng)速較大，幾條南北向的主干道上的風(fēng)速約為1.2～1.7m／s（如圖7所示），東西向的幾條主干道較窄，風(fēng)速約為0.3～0.8m／s，基本沒有出現(xiàn)死風(fēng)區(qū).而主城區(qū)的西部地區(qū)，由于路網(wǎng)稠密，且不規(guī)整，高層建筑較多，對東南風(fēng)的阻力很大，除幾條主干道上風(fēng)速較大外，其他支路上的風(fēng)速均較小，因此主城區(qū)西部的熱島效應(yīng)比東部的要更強(qiáng)烈，主城區(qū)西部的空氣質(zhì)量也更差.由于此處只研究河?xùn)|城區(qū)，岳麓山在圖中簡化為西端的一道屏障.從風(fēng)速矢量圖中我們可以看出夏季主導(dǎo)風(fēng)東南風(fēng)在遇到岳麓山這個巨大屏障的阻隔時，在山前的瀟湘大道及湘江江面上形成高速的風(fēng)道，沿著道路及江面由南向北運(yùn)動.

圖5 長沙市主城區(qū)河?xùn)|地區(qū)夏季風(fēng)環(huán)境模擬Fig.5 Simulation of wind environment of Changsha in summer

圖6 長沙市主城區(qū)河?xùn)|地區(qū)冬季風(fēng)環(huán)境模擬Fig.6 Simulation of wind environment of Changsha in winter

圖7 城市自然通風(fēng)走廊Fig.7 Natural ventilation corridor in the city

在冬季，主導(dǎo)風(fēng)為西北風(fēng)，長沙河?xùn)|主城區(qū)的北部不受岳麓山的阻擋，強(qiáng)勁又寒冷的西北風(fēng)長驅(qū)直入，城區(qū)北部各街道（尤其是南北走向的街道）的風(fēng)速均較大，約1.3～2.3m／s.行人走在路上感覺風(fēng)速過大且寒冷，但空氣質(zhì)量較好，熱島效應(yīng)也較弱，冬季采暖及空調(diào)能耗也較大.西北風(fēng)在經(jīng)過主城區(qū)北部后，在進(jìn)一步進(jìn)入主城區(qū)中心區(qū)時，由于建筑密度尤其是高層建筑的密度越來越大，西北風(fēng)受到很強(qiáng)的阻擋，風(fēng)力迅速減弱，并且岳麓山對主導(dǎo)風(fēng)西北風(fēng)的阻隔越來越明顯，因此主城區(qū)中心及南部各街道上的風(fēng)速較小，在有些較窄且四周被高層建筑“圍堵”的道路上，風(fēng)速一度停滯，形成死風(fēng)區(qū)，因此在這些區(qū)域的熱島效應(yīng)較強(qiáng)，溫度較高，雖說這在一定程度上緩解了冬季的寒冷，降低了冬季采暖及空調(diào)能耗.但是，在主城區(qū)中心和南部的有害氣體及可吸入顆粒物無法及時有效地排走，造成這些區(qū)域空氣質(zhì)量很差.并且由于熱島的逆溫層的作用，污染空氣始終在城區(qū)內(nèi)部和上空循環(huán)，更加惡化了城區(qū)內(nèi)部的空氣質(zhì)量.

2.4 高層建筑布局及街道走向?qū)Τ鞘凶匀煌L(fēng)的影響分析

城市通風(fēng)的目的是利用城市中的空氣自然流通，帶走城市所吸收的太陽輻射和人為產(chǎn)熱，達(dá)到減緩城市熱環(huán)境惡化的目的.從熱量來源的角度分析，人為產(chǎn)熱主要包括在各種道路上的交通排熱和各種建筑在使用過程中的建筑排熱.對道路的通風(fēng)降溫，主要是通過以城市干路為載體的城市通風(fēng)走廊來實(shí)施的.對建筑排熱的逸散，主要是通過利用穿越建筑所在城市冠層的各種城市風(fēng)來實(shí)現(xiàn)的.實(shí)現(xiàn)城市冠層通風(fēng)，可以直接通風(fēng)、或利用一些特制的相互連結(jié)的城市綠帶，采用邊通風(fēng)邊降溫的方式，加以實(shí)現(xiàn).

如圖8中A處，風(fēng)按箭頭方向流動，由于該拐角處街道走向及兩側(cè)高層建筑布局的情況導(dǎo)致風(fēng)流動的附面層與高層建筑墻壁面產(chǎn)生分離，并在此處形成漩渦，造成在A處垃圾和粉塵的堆積，該處空氣質(zhì)量較差.圖中B和D兩處與C處對比，B和D兩處，街道走向過于曲折，拐角太多，同時路面狹窄，這幾方面原因造成B和D兩處風(fēng)流動阻力很大，風(fēng)速很小，這不利于帶走該處的熱量和被污染空氣.而C處，道路走向規(guī)整，路面較寬，因此C處風(fēng)速較大，風(fēng)環(huán)境較好.另外，從A，B，C和D街道流出的風(fēng)在碰到建筑E時，被E的墻壁所阻隔，這對將熱量和

圖8 高層建筑布局對風(fēng)向及風(fēng)速的影響Fig.8 Effects on the wind direction and speed of the layout of high－rise buildings

被污染空氣引入湘江是極為不利的，因此在江邊應(yīng)當(dāng)避免建設(shè)大面寬高層建筑，避免出現(xiàn)T字形路口，若難以實(shí)現(xiàn)時可設(shè)置底層架空或空中花園等透風(fēng)引風(fēng)措施.城市通風(fēng)路徑的設(shè)計(jì)上要注意建筑相互關(guān)系宜前后、高低錯落布置，形成通風(fēng)路徑，以利于主導(dǎo)風(fēng)通行.

圖9中A區(qū)與B區(qū)對比：由于A區(qū)高層建筑布局極為不規(guī)則，造成A區(qū)內(nèi)街道走向曲折，拐角過多，當(dāng)風(fēng)進(jìn)入該區(qū)后受到的阻力很大，風(fēng)速變得非常小，又由于建筑G對A區(qū)流出的風(fēng)進(jìn)行阻隔，造成A區(qū)熱量及被污染空氣排出困難，A區(qū)的熱環(huán)境和風(fēng)環(huán)境都較差.相比而言，B區(qū)高層建筑布局較為規(guī)整，這有利于東南風(fēng)進(jìn)入該區(qū)并順利流出，B區(qū)的幾條東西向干路C，D，E和F的風(fēng)速均較大，同時在湘江邊沒有大面寬的高層建筑阻擋，風(fēng)可以非常順利地將熱量和污染物引入湘江，由湘江對熱量和污染物進(jìn)行吸收、降解.從A區(qū)與B區(qū)風(fēng)環(huán)境的對比可以看出合理的高層建筑布局對于城市熱環(huán)境的意義.

圖9 建筑群布局及街道設(shè)計(jì)對城市通風(fēng)的影響Fig.9 Effects on the city ventilation of the layout of buildings and roads

3 結(jié) 論

本文對長沙市主城區(qū)熱環(huán)境情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，并將模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)高層建筑布局及道路布局設(shè)計(jì)對城市區(qū)域熱環(huán)境的影響很大，具體體現(xiàn)為：

1）綠地、水體地帶可以通過蒸發(fā)作用降低空氣的溫度，減小城市熱島效應(yīng)的影響.在城市規(guī)劃中一定要保證足夠的綠化、水體面積.

2）城市街道是城市的通風(fēng)走廊，通過城市街道的合理設(shè)計(jì)與布局可以充分利用季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)來改善城市區(qū)域熱環(huán)境.

3）城市高層建筑布局一定要與街道設(shè)計(jì)相契合，城市高層建筑布局應(yīng)當(dāng)前后、高低錯落布置，盡量避免大面寬建筑，充分利用城市自然通風(fēng)改善城市熱環(huán)境.

4）城市中的道路布局與城市的區(qū)域熱環(huán)境有著很大的關(guān)聯(lián)，其主要表現(xiàn)為：

a.道路或河道的寬度可對熱島的穹窿產(chǎn)生影響.

b.道路的方向?qū)ζ渚植康臒岘h(huán)境有很大的影響（如無風(fēng)的區(qū)域和相對于高層建筑群的低洼的區(qū)域）.

[1] GIRIDHARAN R，GANESAN S，LAN S S Y.Daytime urban heat island effect in high－rise and high density residential developments in Hong Kong[J].Energy and Building，2004，36（6）：525－534.

[2] JANET N，MAN S W.Modeling urban environmental quality in a tropical city[J].Landscape and Urban Planning，2005，73（1）：49－58.

[3] CHEN H，RYOZO O，KAZUYA H，et al.Study on outdoor thermal environment of apartment block in Shenzhen，China with coupled simulation of convection，radiation and conduction[J].Energy and Building，2004，36（12）：1247－1258.

[4] 徐振東.城市熱島效應(yīng)成因的研究與分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2003.XU Zhen－dong.Research and analysis on the cause of urban heat island effect[D].Dalian：Dalian University of Technology，2003.（In Chinese）

[5] 王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：7－10.WANG Fu－jun.Analysis of computational fluid dynamicsprinciples and applications of CFD software[M].Beijing：Tsinghua University Press，2004：7－10.（In Chinese）

[6] 長沙市統(tǒng)計(jì)局.長沙統(tǒng)計(jì)年鑒——2002[M].長沙：長沙市統(tǒng)計(jì)局，2002.Changsha Statistics Bureau.Changsha statistical yearbook[M].Changsha：Changsha Statistics Bureau，2002.（In Chinese）

[7] SAGRADO A P G，BEECK J.Numerical and experimental modeling of pollutant dispersion in a street canyon[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2002，90（1）：321－339.

[8] CHANG C H，MEMNEY R N.Numerical and physical modeling of bluff body flow and dispersion in urban street canyons[J].Journal of Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，89（14／15）：1325－1334.

[9] CHAN A T，AU W T W，SO E S P.Strategic guideline for street canyon geometry to achieve sustainable street air quality－partⅡ：multiple canopies and canyons[J].Atmos Environ，2003，37：2761－2772.

[10] 李念平，樂地.長沙市高層建筑群區(qū)域環(huán)境測試與分析[J].科技導(dǎo)報(bào)，2008，26（24）：57－60.LI Nian－ping，LE Di.Testing and analysis of environment of the high－rise building regions in Changsha city[J].Science ＆Technology Review，2008，26（24）：57－60.（In Chinese）