城市居住區(qū)室外熱環(huán)境的分析方法

羅 慶，余九一，王漢斌，湯小敏

（重慶大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

由于城市居住區(qū)熱環(huán)境的研究涉及了一些復(fù)雜建筑、材料和環(huán)境等因素，為了進(jìn)行相關(guān)研究，一些研究工作采用了簡(jiǎn)化的方式，例如對(duì)單體建筑進(jìn)行室外熱環(huán)境研究［1］，或者對(duì)室外熱環(huán)境中的單一因素進(jìn)行分析［2－9］。另外一些研究工作則是針對(duì)分析區(qū)域進(jìn)行了最大限度的簡(jiǎn)化，然后采用CFD建模的方式進(jìn)行分析［10－12］，雖然該方法的求解結(jié)果具有較詳細(xì)的分布信息，但是由于室外區(qū)域的構(gòu)成情況通常是比較復(fù)雜的，特別是對(duì)一些研究區(qū)域較大情況，因此，采用CFD建立計(jì)算機(jī)模型時(shí)，必然會(huì)對(duì)物理模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，從而丟失了物理模型的部分原始信息。同時(shí)，在CFD求解室外區(qū)域熱環(huán)境中涉及到的太陽(yáng)直射、散射能量在區(qū)域中的詳細(xì)分布，天空視角系數(shù)的分布等信息仍然存在一定的困難。

針對(duì)居住區(qū)當(dāng)前室外熱環(huán)境研究中存在的問(wèn)題，本文采取了一種新的分析方法［13］，該方法采用了數(shù)字圖像分析的基本原理，將分析區(qū)域的原始信息，例如建筑布局、建筑材料、綠化分布、水體分布等信息根據(jù)它們的像素值的差異性識(shí)別出來(lái)，這樣在計(jì)算模型建立過(guò)程中最大限度的保留了物理模型的原始信息，并將這些因素的熱物理參數(shù)信息融入到整體的居住區(qū)室外熱環(huán)境模型中去。

1 圖像分析方法

1.1 圖像分析的基本原理

主要用到真彩色圖像（RGB），它是利用Red、Green、Blue 3個(gè)單色分量表示1個(gè)像素顏色［14－15］，并結(jié)合物體的光譜特性分布，分析每一種物體特定的顏色像素值，并根據(jù)其像素值的分布特點(diǎn)，對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，就能識(shí)別出某一類(lèi)的下墊面物體。本文引入了數(shù)字圖像處理的原理，如圖1所示，并利用它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)儲(chǔ)存和提取居住區(qū)熱環(huán)境的相關(guān)信息。

圖1 圖像分析的基本原理

1.2 圖像識(shí)別過(guò)程

根據(jù)上述的基本原理，對(duì)某居住區(qū)的實(shí)際案例進(jìn)行相關(guān)分析。圖2是某小區(qū)的原始數(shù)字圖像，其顏色的像素值數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：400×400×3，即它是由3個(gè)400×400的數(shù)學(xué)矩陣構(gòu)成，該分析區(qū)域的實(shí)際尺寸為1600m×1600m。

圖2 分析區(qū)域的原始圖像

根據(jù)該區(qū)域識(shí)別的不同下墊面的樣本值，分別設(shè)置圖像識(shí)別標(biāo)識(shí)值，在全部圖像區(qū)域內(nèi)對(duì)R、G、B 3個(gè)圖層進(jìn)行識(shí)別，找出對(duì)應(yīng)的下墊面材料分布。以下是不同下墊面識(shí)別標(biāo)識(shí)值分布：

圖3～6是對(duì)圖2中全部像素值識(shí)別后得到的各類(lèi)下墊面的圖像分布，根據(jù)這些識(shí)別后的圖像，可以設(shè)置各類(lèi)下墊面的熱物性數(shù)據(jù)，為后期的室外熱環(huán)境數(shù)學(xué)模型的分析過(guò)程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 圖像識(shí)別后的硬化路面

圖4 圖像識(shí)別后的建筑分布

圖5 圖像識(shí)別后的水體分布

圖6 圖像識(shí)別后的植被分布

1.3 圖像分析與數(shù)學(xué)模型的結(jié)合

通過(guò)識(shí)別得到的下墊面材料分布后，對(duì)各類(lèi)下墊面材料設(shè)置相應(yīng)的熱物理屬性參數(shù)［16－17］，這樣在整個(gè)圖像區(qū)域內(nèi)得到了包括不同材料密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)的圖像分布，并將這些數(shù)據(jù)信息全部?jī)?chǔ)存在不同的400×400像素的數(shù)學(xué)矩陣中，每一個(gè)矩陣都對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)文件，在利用室外熱環(huán)境數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析時(shí)，分別調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。數(shù)字圖像和數(shù)學(xué)模型的基本結(jié)合點(diǎn)是像素單元，所有的計(jì)算過(guò)程都是在像素單元內(nèi)完成的，其基本的計(jì)算思路如圖7所示。

圖7 數(shù)學(xué)模型與圖像分析方法結(jié)合框圖

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 下墊面導(dǎo)熱模型

2.1.1 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱解析 對(duì)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)（圖8）采用的基本計(jì)算公式是一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程：

圖8 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)圖

式中：αr為室外空氣與外壁的對(duì)流換熱系數(shù)；QWT為外壁接受到的總輻射量；ρ為反射率；QS為外壁長(zhǎng)波輻射。

室內(nèi)側(cè)忽略輻射并設(shè)定室內(nèi)空氣溫度恒定，邊界條件：

2.1.2 地面導(dǎo)熱解析 圖9是地面導(dǎo)熱模型，采用類(lèi)似的方法可以分析，并對(duì)水分蒸發(fā)問(wèn)題進(jìn)行了綜合考慮：qv為水分蒸發(fā)過(guò)程中帶走的熱量［17］，在本研究中將此項(xiàng)的影響作為內(nèi)部熱源處理。

圖9 地面?zhèn)鳠崮Ｐ?/p>

相應(yīng)地，地面導(dǎo)熱的邊界條件為：

QGT為地面接受到的總輻射量。

對(duì)于地下，則設(shè)定第一類(lèi)邊界條件：T＝const（x＝ 地下）。 （6）

2.2 輻射模型

2.2.1 直射輻射模型 地面及建筑水平面接收到的太陽(yáng)直射輻射能量可以表達(dá)為［18］：

IS·Z為平面上的直射輻射；B為太陽(yáng)高度角。

垂直面上的太陽(yáng)直射輻射：

IC·Z為垂直面上的直射輻射強(qiáng)度；A為太陽(yáng)方位角。

2.2.2 天空散射輻射模型 天空散射輻射能量的確定［19］：

ID為散射輻射；SVF為研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素單元對(duì)天空的視角系數(shù)，可以通過(guò)數(shù)字圖像計(jì)算求解。

2.2.3 建筑間的長(zhǎng)波輻射和反射輻射 周邊建筑表面對(duì)分析面上的長(zhǎng)波輻射，可以采用［13］：

σ為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)；εave為平均輻射面的發(fā)射率；Tave為周邊建筑平均表面溫度；Ai為分析面的面積。

通過(guò)周邊建筑表面對(duì)直射和散射等能量反射到分析面上的能量值采用式（11）計(jì)算［18］。

Qave為直射和散射平均能量強(qiáng)度之和；ρa(bǔ)ve為周邊建筑平均反射率［16］。

2.3 空氣能量平衡模型

區(qū)域（每個(gè)像素單元內(nèi)對(duì)應(yīng)的空氣）內(nèi)空氣的熱平衡式：

Qi為區(qū)域內(nèi)氣體的蓄熱量；QF·i為空氣運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的熱量；QC·i為空氣與下墊面的對(duì)流換熱量。

區(qū)域內(nèi)部空氣溫度變化，即：

ρi、Cpi、Vi、Ti分別為i區(qū)域氣體的密度、比熱、體積、溫度，i為時(shí)間。

2.4 室外熱環(huán)境模型的求解

首先，根據(jù)原始圖像的分類(lèi)識(shí)別，獲取建筑、材料等信息，并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)文件中，便于后期計(jì)算時(shí)調(diào)用。其次，以像素單元為分析對(duì)象，將空氣平衡過(guò)程、輻射換熱、導(dǎo)熱熱量傳遞三者實(shí)現(xiàn)耦合計(jì)算，即將計(jì)算得到的地面溫度同時(shí)被空氣能量模型、輻射模型調(diào)用；輻射模型的計(jì)算結(jié)果被導(dǎo)熱模型調(diào)用等。通過(guò)三者之間計(jì)算結(jié)果的相互調(diào)用，完成整個(gè)小區(qū)室外熱環(huán)境動(dòng)態(tài)分析，求得不同時(shí)刻小區(qū)下墊面的溫度和空氣溫度等參數(shù)。

3 案例分析

3.1 模擬計(jì)算

綜合上述分析方法，對(duì)圖2中所示的案例進(jìn)行逐小時(shí)計(jì)算，計(jì)算時(shí)間為2011年9月27日8：00到28日7：00，圖10是該分析區(qū)域下墊面在幾個(gè)典型時(shí)刻的溫度分布。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在人工硬化路面區(qū)域具有明顯的溫度差異性圖像，同樣由于受到人工下墊面的強(qiáng)烈影響，其對(duì)應(yīng)上方的空氣溫度相對(duì)較高。

圖10 典型時(shí)刻下墊面溫度圖像分布

圖11 典型時(shí)刻空氣溫度圖像分布

3.2 測(cè)試與模擬結(jié)果對(duì)比分析

針對(duì)模擬分析的案例，在相同時(shí)間內(nèi)，對(duì)案例的中2個(gè)典型點(diǎn)進(jìn)行了同步的逐小時(shí)測(cè)試（圖12），測(cè)試時(shí)間為2011年9月27日8：00到28日7：00。下墊面表面溫度的測(cè)試采用紅外表面測(cè)溫儀（型號(hào)：MS6530B），對(duì)應(yīng)的空氣溫度測(cè)試采用溫濕度記錄儀（型號(hào)：AZ8721）。

圖12 典型測(cè)試點(diǎn)分布

將測(cè)試點(diǎn)的下墊面和空氣溫度值與模擬分析中對(duì)應(yīng)的下墊面和空氣溫度進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到圖13、圖14的分布結(jié)果，其結(jié)果顯示測(cè)試結(jié)果和模擬結(jié)果比較接近，證明了該分析方法的合理性。

圖13 下墊面溫度測(cè)試值與模擬值對(duì)比

圖14 空氣溫度測(cè)試值與模擬值對(duì)比

4 結(jié) 論

利用數(shù)字圖像的基本原理，根據(jù)樣本圖像提供的基礎(chǔ)顏色像素值，從原始圖像中識(shí)別出不同類(lèi)型的下墊面材料屬性，提取了物理模型中的基本信息，為數(shù)學(xué)模型提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并以像素單元為基本的分析對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了圖像與數(shù)學(xué)模型的結(jié)合，有效的分析了居住區(qū)室外熱環(huán)境的分布情況，為室外熱環(huán)境研究方法提供了新的參考。

［1］Li X T.Numerical analysis of outdoor thermal environment around buildings ［J］.Building and Environment，2005，40：853－866.

［2］Lin B R.Numerical simulation studies of the different vegetation patterns effects on outdoor pedestrian thermal comfort［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008，96：1707－1718.

［3］Khaled A.Outdoor airflow analysis and potential for passive cooling in the traditional urban context of dubai［J］.Renewable Energy，2011，36：2494－2501.

［4］Doulos L.Passive cooling of outdoor urban spaces the role of materials［J］.Solar Energy，2004，77：231－249.

［5］Lin Z P.Seasonal effect of pavement on outdoor thermal environments in subtropical Taiwan ［J］.Building and Environment，2007，42：4124－4131.

［6］Chen H.Study on mitigation measures for outdoor thermal environment on present urban blocks in Tokyo using coupled simulation ［J］.Building and Environment，2009，44：2290－2299.

［7］Fazia A T.Effects of asymmetry，galleries，overhanging facades and vegetation on thermal comfort in urban street canyons［J］.Solar Energy，2007，81：742－754.

［8］Marta J N，Oliveira P.Numerical analysis of the street canyon thermal conductance to improve urban design and climate ［J］.Building and Environment，2009，44：177－187.

［9］Giridharan R.Urban design factors influencing heat island intensity in high－rise high－density environments of Hong Kong［J］.Building and Environment，2007，42：3669－3684.

［10］Yang L N.Thermal conditions and ventilation in an ideal city model of Hong Kong ［J］.Energy and Buildings，2011，43：1139－1148.

［11］Chen H.Study on outdoor thermal environment of apartment block in Shenzhen，China with coupled simulation of convection，radiation and conduction［J］.Energy and Buildings，2004，36：1247－1258.

［12］Xie X M.The impact of urban street layout on local atmospheric environment ［J］. Building and Environment，2006，41：1352－1363.

［13］羅慶.基于數(shù)字圖像分析的室外熱環(huán)境研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2006.

［14］李百戰(zhàn)，姚潤(rùn)明，羅慶.圖像處理技術(shù)在城市建筑太陽(yáng)能規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30（8）：95－100.Li B Z，Yao R M，Luo Q.Image processing method in urban buildings solar energy design ［J］.Journal of Chongqing University：2007，30（8）：95－100.

［15］李百戰(zhàn)，羅慶，姚潤(rùn)明.城市地面對(duì)天空熱輻射角系數(shù)問(wèn)題的求解［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（2）：86－89.Li B Z，Luo Q，Yao R M.Solution on configuration factor from ground to sky ［J］.Journal of Chongqing University，2006，29（2）：86－89.

［16］王厚華.傳熱學(xué)［M］.1版.重慶：重慶大學(xué)出版社，2006.

［17］連之偉.熱質(zhì)交換原理與設(shè)備［M］.3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［18］趙榮義，范存養(yǎng).空氣調(diào)節(jié)［M］.3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994.

［19］Francisco.Modeling microclimate in urban environments and assessing its influence on the performance of surrounding buildings［J］.Energy and Buildings，2004，36：403－413.