城市綜合體建筑人為排熱及熱濕氣候動態(tài)預(yù)測

穆 康，劉 京，2，李芳芳，盧 振，劉俊躍，張建利

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱;2.城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，150090哈爾濱;3.深圳市建筑科學(xué)研究院有限公司，5180492廣東深圳)

與單一功能為主的住宅社區(qū)、商業(yè)區(qū)等不同，城市綜合體一般由三種或三種以上功能類型的建筑群組成，各部分之間相互依存而形成緊湊有機(jī)整體，其體量和容積率普遍比單一功能城市區(qū)域要高;從用能特點(diǎn)看，城市綜合體中多種形式的能源系統(tǒng)并存，其能源應(yīng)用和排熱隨時(shí)間、空間的變化規(guī)律都與單一功能的城市區(qū)域不同，因而城市綜合體被認(rèn)為是一種新的可持續(xù)的城市生長方式而得到越來越廣泛的應(yīng)用［1-2］.城市綜合體的上述特點(diǎn)也導(dǎo)致了其區(qū)域大氣熱濕氣候的特征、形成規(guī)律與單一功能的城市區(qū)域情況完全不同［3］.Bueno等［4］對圖盧茲市內(nèi)的居住區(qū)和商業(yè)區(qū)、Ohashi等［5］對東京辦公區(qū)進(jìn)行了熱排放與氣溫值的計(jì)算;陳宏等［6］以東京具有代表性的商務(wù)街區(qū)作為研究對象分析各類人為排熱對區(qū)域熱環(huán)境的影響.以上研究均以單一類型建筑街區(qū)為主要對象，對多種建筑類型并存的復(fù)雜城市綜合體室外熱氣候的研究相對有限.

本文結(jié)合城市綜合體的功能特性和用能特點(diǎn)，基于已有城市區(qū)域熱氣候預(yù)測模型，開發(fā)出針對多類型建筑并存的城市綜合體熱氣候預(yù)測模型，然后將此計(jì)算模型應(yīng)用于深圳市某實(shí)際項(xiàng)目來研究城市綜合體內(nèi)建筑人為排熱和熱濕氣候隨時(shí)間變化規(guī)律.

1 城市綜合體建筑人為排熱及熱濕氣候動態(tài)預(yù)測數(shù)值模型

本研究基于已開發(fā)的城市區(qū)域熱氣候預(yù)測模型［7-9］，該模型僅針對單一功能城市區(qū)域，由局地氣候模塊、建筑熱濕負(fù)荷計(jì)算模塊、太陽輻射計(jì)算模塊以及熱舒適性模塊等部分組成，各模塊間緊密聯(lián)系、相互影響，從而獲得城市區(qū)域內(nèi)熱濕氣候和能量交換的動態(tài)計(jì)算結(jié)果，此模型已通過實(shí)測研究驗(yàn)證了其合理性［10］.在此模型基礎(chǔ)上，本研究在對現(xiàn)有城市綜合體構(gòu)成進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上［2］，分別建立居住、辦公、商業(yè)金融、賓館、體育、文化娛樂、學(xué)校、圖書館、醫(yī)療等9類城市綜合體內(nèi)常見建筑類型的相關(guān)數(shù)據(jù)庫，將原有的單一建筑類型城市區(qū)域熱氣候預(yù)測模型中的各計(jì)算模塊進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)充，構(gòu)建成新的城市綜合體熱氣候預(yù)測模型.該新模型可按照實(shí)際城市綜合體區(qū)域內(nèi)各類型建筑的組合關(guān)系和比重，將不同類型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕物性、空調(diào)制冷系統(tǒng)種類與運(yùn)行時(shí)間、室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫濕度、換氣次數(shù)、室內(nèi)逐時(shí)顯熱潛熱散熱量等數(shù)據(jù)同時(shí)輸入，實(shí)現(xiàn)了多類型并存時(shí)的建筑負(fù)荷、人為排熱量、相應(yīng)的城市綜合體內(nèi)熱濕氣候之間動態(tài)耦合模擬.模型基本框架見圖1.

圖1 城市綜合體區(qū)域熱氣候計(jì)算模型基本框架

某類型建筑內(nèi)房間熱濕負(fù)荷計(jì)算:

式中:Cp為空氣比熱，kJ/(kg·K);ρ為空氣密度，kg/m3;V為容積，m3;θ為溫度，℃;t為時(shí)間，s;A為室內(nèi)各壁面面積，m2;·m為新風(fēng)量，kg/h;Hg為建筑內(nèi)部人員、照明、電器設(shè)備等的產(chǎn)熱量，W;Ha為空調(diào)系統(tǒng)制冷量，W;X為含濕量，g/kg;Lg為建筑內(nèi)部產(chǎn)濕量，g/h;La為空調(diào)系統(tǒng)除濕量，g/h;另外，下標(biāo)變量m為建筑類型;i為該類型建筑中的某房間，j為房間內(nèi)某壁面，上標(biāo)變量r代表室內(nèi)參數(shù)，o代表室外參數(shù)．

由某類型建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)帶來的排熱量如式(3)所示，區(qū)域內(nèi)所有建筑向大氣排放的全熱、顯熱及潛熱排熱量計(jì)算如式(4)～(6)所示，同時(shí)考慮系統(tǒng)不同，排熱高度的空間差異對排熱計(jì)算的影響:

式中:Q為空調(diào)排熱量，W;Htotal為空調(diào)全熱負(fù)荷，W;COP為制冷機(jī)組性能系數(shù);ⅠP為制冷機(jī)組負(fù)荷相關(guān)系數(shù)［9］;η為某類型建筑面積占區(qū)域內(nèi)總建筑面積百分比;ε為某類型制冷機(jī)組系統(tǒng)的顯熱比［9］;M為計(jì)算對象區(qū)域所包含建筑類型總數(shù);L為計(jì)算對象區(qū)域中各類建筑采用的空調(diào)制冷系統(tǒng)類型總數(shù)，本模型中考慮了包括離心式冷水機(jī)組、空氣源熱泵機(jī)組等多種常見制冷機(jī)組系統(tǒng)的排熱特性．另外，下標(biāo)變量l為制冷機(jī)組類型．

2 實(shí)際城市綜合體熱濕氣候動態(tài)評估

2.1 概要

以深圳市某實(shí)際規(guī)劃項(xiàng)目為模擬對象，該規(guī)劃項(xiàng)目用地中民用建筑總面積約占132.94萬m2，建筑容積率為1.89，是一個(gè)典型的城市綜合體，主要包括3種類型建筑:商業(yè)建筑、居住建筑和辦公建筑.

計(jì)算期間選取夏季典型月［11］7月—8月的4周時(shí)間，計(jì)算期間內(nèi)平均氣溫接近28℃，最高氣溫為34℃;除個(gè)別日期外，整個(gè)計(jì)算期間內(nèi)的含濕量值也較高，平均值達(dá)到20.53 g/kg，平均相對濕度達(dá)到75%;另外，計(jì)算期間內(nèi)平均風(fēng)速水平適宜，約為2.76 m/s;水平面全天太陽輻射強(qiáng)度為159 W/m2，最大值達(dá)到1 314 W/m2.綜上，該地區(qū)在計(jì)算期間內(nèi)表現(xiàn)出高溫、高濕、太陽輻射強(qiáng)的特點(diǎn).

通過對區(qū)域內(nèi)的建筑物布局進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將不規(guī)則的建筑布局簡化為整齊的方形建筑群，確定該區(qū)域內(nèi)各種下墊面的覆蓋率分別為:29%(建筑)、41%(不透水人工路面)、14%(草地)和16%(樹木).各類型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)、空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)等參考當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［12-13］，主要計(jì)算條件見表1，各類型建筑的負(fù)荷日變化率［12-13］如圖2～4所示.另外，城市交通產(chǎn)生的汽車廢熱排放也必須考慮.根據(jù)文獻(xiàn)［14］中給出的繁忙路段機(jī)動車尾氣排放的廢熱量和日變動比率，并考慮到城市發(fā)展規(guī)模、同一城市內(nèi)部具體區(qū)域交通性質(zhì)的差異，本對象區(qū)域交通廢熱峰值按8 W/m2取值，其日變化率見圖5.

表1 城市綜合體區(qū)域內(nèi)各類型建筑參數(shù)及空調(diào)參數(shù)設(shè)定

圖2 負(fù)荷日變化率(居住建筑)

圖3 負(fù)荷日變化率(商業(yè)建筑)

圖4 負(fù)荷日變化率(辦公建筑)

圖5 交通流量日變化率

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

基于建立的城市綜合體區(qū)域熱氣候計(jì)算模型，開發(fā)出了相應(yīng)動態(tài)預(yù)測軟件，利用此計(jì)算模型及模擬軟件，并結(jié)合深圳實(shí)際規(guī)劃項(xiàng)目來研究城市綜合體區(qū)域內(nèi)的熱氣候.圖6為軟件部分計(jì)算參數(shù)輸入界面示意圖.

圖6 計(jì)算參數(shù)輸入界面

2.2.1 城市綜合體內(nèi)典型日各類建筑人為排熱計(jì)算

不同類型建筑的功能不同，其建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及室內(nèi)人員活動規(guī)律也不同，導(dǎo)致不同類型建筑內(nèi)部的負(fù)荷逐時(shí)變化規(guī)律、采用空調(diào)制冷系統(tǒng)的形式等都存在明顯差異，最終使得各類建筑人為排熱隨時(shí)間變化規(guī)律和數(shù)值大小上也各有不同，選取計(jì)算期間內(nèi)室外平均溫度最高的第11日作為典型日，對此城市綜合體內(nèi)居住、辦公、商業(yè)建筑人為排熱的逐時(shí)變化量進(jìn)行模擬計(jì)算和分析，其結(jié)果與當(dāng)日氣象數(shù)據(jù)見圖7.

對建筑排熱的時(shí)間分布規(guī)律進(jìn)行分析，辦公、商業(yè)、居住建筑的排熱時(shí)間分別集中于各自空調(diào)系統(tǒng)啟閉時(shí)間段08:00—18:00、09:00—21:00、17:00—23:00內(nèi)，因此，單一類型建筑排熱隨時(shí)間分布變化規(guī)律主要受該類型建筑功能特點(diǎn)影響，其建筑排熱時(shí)間相對集中;與單一類型建筑區(qū)域不同，由于城市綜合體區(qū)域內(nèi)同時(shí)包含3種功能類型建筑，因此該區(qū)域內(nèi)建筑排熱隨時(shí)間分布較為分散，該城市綜合體在全天大部分時(shí)間8:00—23:00里都存在較大量的建筑人為排熱，從而對區(qū)域內(nèi)室外熱濕氣候產(chǎn)生了長時(shí)間持續(xù)性的影響.

圖7 典型日氣象參數(shù)變化及建筑人為排熱量逐時(shí)變化曲線

另外，從建筑排熱的峰值大小和出現(xiàn)時(shí)間來看，城市綜合體內(nèi)建筑的顯熱、潛熱排熱峰值約為57 W/m2和65.5 W/m2，分別出現(xiàn)在17點(diǎn)和14點(diǎn)，這是因?yàn)榘丛O(shè)定條件，居住建筑采用分體式空調(diào)機(jī)形式，建筑人為排熱全部以顯熱形式向外排放，顯熱排熱的規(guī)律主要體現(xiàn)居住建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)的使用特點(diǎn);而辦公建筑與商業(yè)建筑采用電動水冷式冷水機(jī)組形式，以顯熱和潛熱兩種建筑人為排熱形式向外排放，其中潛熱排熱占總排熱量70%～80%的較大比例，潛熱排熱的規(guī)律主要體現(xiàn)辦公和商業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)的使用特點(diǎn).由于各類型建筑所占比重及排熱時(shí)間規(guī)律不同，全熱排熱的峰值出現(xiàn)在17點(diǎn)，由居住、辦公及商業(yè)建筑的排熱共同構(gòu)成，約為86.9 W/m2.可以發(fā)現(xiàn)由于不同類型建筑排熱錯(cuò)峰的效果，實(shí)際上的排熱強(qiáng)度要低于125～190 W/m2等很多文獻(xiàn)中單一類型建筑區(qū)內(nèi)空調(diào)排熱估算值［4，15］.

2.2.2 城市綜合體內(nèi)大氣長期動態(tài)熱平衡分析

為了實(shí)現(xiàn)對城市綜合體區(qū)域這一相對開放的室外空間進(jìn)行熱量平衡和轉(zhuǎn)換分析，本研究以近地邊界層頂端為上邊界建立一個(gè)假想的封閉空間，其內(nèi)部熱量平衡關(guān)系見圖8.其中，由于研究對象封閉空間的外部氣象參數(shù)不易確定，左右側(cè)邊界處的溫度差、含濕量相差不大，并且側(cè)邊界處的面積相比上下側(cè)水平邊界的面積很小可以忽略，因此該研究不考慮流經(jīng)左右側(cè)邊界處的熱量.

根據(jù)以上能量關(guān)系，采用文獻(xiàn)［9］提出的研究方法，可得整個(gè)計(jì)算期間內(nèi)，此城市綜合體區(qū)域?qū)?yīng)的大氣空間內(nèi)全熱通量收支的日平均值變化情況，見圖9.設(shè)進(jìn)入?yún)^(qū)域大氣空間的熱量(或流出冷量)為正，流出的熱量(或流入冷量)為負(fù).

圖8 城市冠層內(nèi)熱收支概念圖

圖9 單位區(qū)域面積大氣全熱收支日變化

城市綜合體冠層內(nèi)全熱排熱主要包括建筑人為排熱、下墊面排熱及交通排熱等部分，在整個(gè)計(jì)算期間，建筑人為全熱排熱日平均值為77 W/m2，該部分全熱排熱總量占區(qū)域內(nèi)總?cè)珶崤艧崃康谋壤畲?，約為62.1%;下墊面全熱換熱的日平均值為48 W/m2，該部分全熱排熱總量占區(qū)域內(nèi)總?cè)珶崤艧崃康谋壤s為34%;交通排熱的日平均值為5.43 W/m2，該部分排熱總量占區(qū)域內(nèi)總?cè)珶崤艧崃康谋壤秊?.9%，另外，全熱得熱總量中除了大約44.7%的熱量排出至大氣邊界層之外，其他55.3%的全熱排熱量成為大氣空氣塊的蓄熱部分，最終造成該區(qū)域的持續(xù)高溫高濕狀態(tài).

由以上數(shù)據(jù)分析及圖9所示，城市綜合體內(nèi)建筑排熱受空調(diào)系統(tǒng)使用規(guī)律影響而隨時(shí)間變化，且其日均值及排熱總量所占比例最大，成為該區(qū)域內(nèi)全熱得熱的最主要來源;居于其次的是該區(qū)域內(nèi)下墊面換熱量，其日均值和排熱總量所占比例也保持較高水平，分析原因主要是由于該區(qū)域內(nèi)不透水人工路面覆蓋率為41%，而草地和樹木覆蓋率僅為14%和16%，高覆蓋率的不透水人工表面一方面大大削弱了城市下墊面水分蒸發(fā)作用，另一方面不透水人工表面日射吸收率高于樹葉和草地，導(dǎo)致其在白天吸收大量的太陽輻射并通過對流換熱向大氣釋放更多熱量.綜上，整個(gè)計(jì)算期間建筑排熱和下墊面換熱均保持較大強(qiáng)度并各自具備時(shí)間分布特點(diǎn)，它們是城市綜合體熱氣候形成并長期波動的主要因素.

2.2.3 城市綜合體與單一城市功能區(qū)域的局地?zé)釐u強(qiáng)度對比分析

為進(jìn)一步分析城市綜合體區(qū)域熱濕氣候的特點(diǎn)，利用已建立的計(jì)算模型，分別對包含多類型建筑的實(shí)際城市綜合體、以及僅包含單一建筑類型的城市功能區(qū)等多個(gè)算例在計(jì)算期間內(nèi)的平均局地?zé)釐u強(qiáng)度進(jìn)行對比計(jì)算，各算例中除了各類建筑熱濕負(fù)荷模塊的相關(guān)設(shè)置不同以外，區(qū)域內(nèi)氣象數(shù)據(jù)、下墊面參數(shù)、建筑布局等其他參數(shù)的設(shè)定均相同.

其中平均局地?zé)釐u強(qiáng)度通過以下兩個(gè)工況進(jìn)行對比計(jì)算，以反映對象區(qū)域的城市化進(jìn)程對熱氣候的影響:1)實(shí)際工況對應(yīng)于本文2.1節(jié)中所設(shè)定的深圳市某實(shí)際規(guī)劃項(xiàng)目的城市綜合體下墊面構(gòu)成和城市人為排熱參數(shù)的實(shí)際算例，反映該區(qū)域熱氣候現(xiàn)狀;2)基準(zhǔn)工況對應(yīng)于對象區(qū)域之外的郊區(qū)狀況以作為實(shí)際工況的對比算例(郊區(qū)以居住建筑為主，其建筑容積率為0.7，各種下墊面的覆蓋率分別為12%(建筑)、10%(不透水人工路面)、41%(草地)和37%(樹木)).平均局地?zé)釐u強(qiáng)度=(同一計(jì)算期間實(shí)際工況下1.2 m高度平均氣溫)-(同一計(jì)算期間基準(zhǔn)工況下1.2 m高度平均氣溫).

表2中給出了各算例在白天、夜間及全天不同時(shí)間段內(nèi)的平均局地?zé)釐u強(qiáng)度計(jì)算值.總體來看，所有算例在白天時(shí)段的熱島強(qiáng)度值均小于夜間值，且全天平均局地?zé)釐u強(qiáng)度值處于較高水平.深圳市氣象局采用相同指標(biāo)實(shí)測發(fā)布的夏季平均城市熱島強(qiáng)度值為1.17℃［16］，說明本文各算例的模擬結(jié)果較為合理，其中實(shí)際城市綜合體區(qū)域熱島強(qiáng)度值要偏高于深圳市平均水平.不同性質(zhì)的城市區(qū)域體現(xiàn)出來的熱島強(qiáng)度規(guī)律不同:居住區(qū)白天的熱島強(qiáng)度值最低，比辦公、商業(yè)等公共建筑區(qū)域低0.25℃左右，而夜晚的熱島強(qiáng)度值則要高0.3℃左右.以辦公或商業(yè)建筑為代表的公共建筑區(qū)域表現(xiàn)出與居住建筑相反的特點(diǎn).對比之下，實(shí)際城市綜合體受到各類型建筑人為排熱不同時(shí)間規(guī)律的共同影響，白天和夜間的熱島強(qiáng)度值都維持在較高水平，因而城市綜合體全天的熱島強(qiáng)度平均值在各算例中最大.同時(shí)，城市綜合體在整個(gè)計(jì)算期間的熱島強(qiáng)度峰值也比其他算例要高0.1～0.45℃.

表2 計(jì)算期間內(nèi)不同時(shí)段各算例的平均局地?zé)釐u強(qiáng)度值 ℃

3 結(jié) 論

1)由典型日數(shù)據(jù)可以看出，不同于單一類型建筑排熱時(shí)間相對集中，該南方典型城市綜合體在全天大部分時(shí)間段里都存在建筑人為排熱，全熱排熱峰值出現(xiàn)在17點(diǎn)約為86.9 W/m2，區(qū)域內(nèi)建筑人為排熱的規(guī)律主要體現(xiàn)各類建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)的使用特點(diǎn).

2)整個(gè)計(jì)算期間，建筑人為排熱總量占區(qū)域內(nèi)總?cè)珶崤艧崃康谋壤畲?，約為62.1%，其次是下墊面換熱量，所占比例為34%，說明建筑人為排熱和下墊面換熱是城市綜合體高溫氣候形成的主要因素.

3)與單一城市功能區(qū)的熱島強(qiáng)度值相比，城市綜合體在白天和夜間時(shí)段的熱島強(qiáng)度值均處于較高水平，使得城市綜合體的熱島強(qiáng)度無論是日均值還是整個(gè)計(jì)算期間峰值都比單一城市功能區(qū)相應(yīng)的熱島強(qiáng)度值高約0.1～0.45℃.

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