居住小區(qū)布局形式對(duì)熱環(huán)境的影響

趙冰春, 汪 新, 賴志平

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

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居住小區(qū)布局形式對(duì)熱環(huán)境的影響

趙冰春, 汪 新, 賴志平

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

針對(duì)不同建筑布局形式對(duì)居住小區(qū)熱環(huán)境的影響進(jìn)行了研究.將華南地區(qū)典型居住小區(qū)形態(tài)簡(jiǎn)化為4種布局形式，采用Computational fluid dynamics(CFD)模擬技術(shù)在不同主導(dǎo)風(fēng)和各種建筑群朝向條件下對(duì)該4種小區(qū)布局形式進(jìn)行了熱環(huán)境數(shù)值模擬.研究結(jié)果表明：布局形式和建筑群朝向等對(duì)小區(qū)熱環(huán)境有很大影響，且小區(qū)熱環(huán)境主要取決于小區(qū)內(nèi)的通風(fēng)狀況.當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)為東南風(fēng)或東風(fēng)時(shí)，錯(cuò)列式和行列式居住小區(qū)有相對(duì)較好的熱環(huán)境，相對(duì)應(yīng)的建筑群朝向宜為南北朝向.

布局形式；數(shù)值模擬；熱環(huán)境；主導(dǎo)風(fēng)

建筑布局是影響居住小區(qū)風(fēng)熱環(huán)境的主要因素之一.建筑物的存在會(huì)改變空氣的流動(dòng)、影響對(duì)流換熱等以及對(duì)太陽輻射進(jìn)行吸收和反射[1]，同時(shí)也會(huì)形成陰影區(qū)而影響空氣溫度分布.Hong Huang、Ryozo Ooka[2]等在夏季現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)了東京某商業(yè)區(qū)，發(fā)現(xiàn)建筑布局和道路走向?qū)ι虡I(yè)區(qū)內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向影響最大，空氣溫度同時(shí)受到地表溫度的影響；Hong Chen、Ryozo Ooka[3]等在8月份對(duì)深圳某數(shù)幢底層架空的圍合式公寓區(qū)進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)氣溫的變化受建筑形態(tài)和布局的變化的影響，下風(fēng)向風(fēng)速較低，使標(biāo)準(zhǔn)有效溫度增加，降低了夏天熱舒適性.盡管建筑布局對(duì)居住小區(qū)的風(fēng)熱環(huán)境影響很大，但在我國小區(qū)規(guī)劃里對(duì)它的考慮主要體現(xiàn)在視覺美觀和功能要求上，而對(duì)它的氣候調(diào)節(jié)作用考慮較少.合理的建筑布局可以為居住小區(qū)提供良好的風(fēng)熱環(huán)境、適應(yīng)氣候的變化以及減少能源的消耗.因此，研究建筑布局對(duì)居住小區(qū)風(fēng)熱環(huán)境的影響對(duì)小區(qū)規(guī)劃具有重大意義.

目前，建筑布局對(duì)微氣候影響的研究主要包括以下幾方面:在研究對(duì)象上，研究某些建筑布局因素對(duì)小區(qū)微氣候的影響，比如建筑高度、建筑朝向、建筑高寬比、街道長(zhǎng)寬比、布局形式、建筑幾何形態(tài)等[4-8]；在研究模型上，主要是單一建筑、街道峽谷型、建筑物矩陣型或一些簡(jiǎn)化了的真實(shí)存在的小區(qū)[9-12]；在模擬方法上，根據(jù)不同的模擬對(duì)象選擇不同的湍流模型或者對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)或簡(jiǎn)化[13]；另外，在邊界條件的設(shè)置上，尤其是建筑物和地面溫度的設(shè)置，主要以假設(shè)溫度、通過實(shí)測(cè)得到的溫度和通過熱平衡[7, 14]計(jì)算出的溫度作為邊界溫度.這些模型對(duì)真實(shí)城市空間形態(tài)的代表不足,也很少有人研究建筑群朝向?qū)π^(qū)熱環(huán)境的影響.國內(nèi)學(xué)者對(duì)典型地區(qū)的室外熱環(huán)境進(jìn)行了研究[15-17]，通過數(shù)值模擬和實(shí)地測(cè)量相結(jié)合研究建筑布局對(duì)各地區(qū)室外熱環(huán)境的影響，并提出了相應(yīng)的改善建議.整體上，研究得不是很系統(tǒng).

為了研究不同建筑布局形式對(duì)小區(qū)熱環(huán)境的影響，本文首先對(duì)華南地區(qū)典型居住小區(qū)形態(tài)進(jìn)行了歸納及簡(jiǎn)化，然后采用CFD模擬技術(shù)對(duì)4種小區(qū)布局形式進(jìn)行熱環(huán)境數(shù)值模擬，并對(duì)每種布局形式在不同建筑群朝向和主導(dǎo)風(fēng)的情況下進(jìn)行研究.根據(jù)數(shù)值模擬得到小區(qū)的風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、體感溫度場(chǎng)并對(duì)小區(qū)熱環(huán)境進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，從而總結(jié)建筑布局形式對(duì)小區(qū)熱環(huán)境的影響.

1 居住小區(qū)熱環(huán)境的數(shù)值研究方法

本文是在不考慮植被的拖拽力、蒸發(fā)蒸騰作用和水體與空氣濕熱交換的影響情況下進(jìn)行研究；同時(shí)，考慮輻射傳熱作用和由空氣溫度變化引起的浮力作用.

1.1 控制方程組

居住小區(qū)熱環(huán)境可用以下一組雷諾平均化控制方程加以描述[18]：

(1) 質(zhì)量守恒方程

(1)

(2) 動(dòng)量守恒方程

(2)

(3) 能量守恒方程

(3)

(4)

式(4)中,νt為渦黏性系數(shù)，Pr為湍流普朗特?cái)?shù)；

(3)ST通過求解以下輻射傳遞方程獲得：

(5)

以上輻射傳遞方程采用蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法來計(jì)算.

1.2 小區(qū)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

小區(qū)熱環(huán)境以體感溫度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19]：

Tape=4.50+1.02Ta+0.28ea-1.0U-

5.8φ2+0.005 4 (QD+Qd).

(6)

式(6)中，Tape、Ta為體感溫度和氣溫，K；U為1.5 m高度處的平均風(fēng)速,m/s； ea為水汽壓，Pa；QD為直接輻射強(qiáng)度，W/m2；Qd為散射輻射強(qiáng)度，W/m2；φ2為太陽直接輻射和散射輻射之比；水汽壓ea=RH×Ea; RH為相對(duì)濕度，%；飽和水汽壓按下式計(jì)算：

(7)

2 布局形態(tài)對(duì)住宅小區(qū)風(fēng)熱環(huán)境的影響

2.1 模擬工況設(shè)計(jì)

本文以華南濕熱環(huán)境為背景，研究廣州市(北緯23.117)夏季典型氣象日12點(diǎn)時(shí)住宅小區(qū)的熱舒適，氣候條件詳見表1，廣州夏季的主導(dǎo)風(fēng)有東風(fēng)(0o)、東南風(fēng)(45o)和南風(fēng)(90o).為了方便數(shù)值模擬研究，將需要考慮的規(guī)劃因素容積率、日照間距和防火間距等對(duì)住宅小區(qū)布局簡(jiǎn)化成以下4種布局形式：錯(cuò)列式、行列式、圍合式和斜列式，如圖1所示，其建筑長(zhǎng)寬比為2.0(L=30 m,B=15 m)，建筑高度H=36 m.建筑物和地面材料屬性如表1所示.

表1 模擬工況1)

1)① 墻面、路面、屋面的導(dǎo)熱系數(shù)均為0.93 W/(m·K). ② 工況1的建筑群朝向?yàn)槟媳背?，工況2的建筑群朝向分南北、東南-西北和東西朝向3種情況.

圖1 4種居住小區(qū)布局形式 (單位：m)

2.2 計(jì)算模型與求解

計(jì)算區(qū)域的大小直接與模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)性相關(guān)連，模擬區(qū)域小流場(chǎng)會(huì)失真，計(jì)算區(qū)域大，造成網(wǎng)格數(shù)多，計(jì)算量和成本加大.根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[20]，計(jì)算域以建筑高度H(36 m)為參照，入流口設(shè)置在距離建筑群迎風(fēng)面前5H處，出流口在距離背風(fēng)面后20H處，兩個(gè)側(cè)邊界設(shè)置在距離建筑群側(cè)墻面3H處，計(jì)算域高度取5H.在本數(shù)值模擬中入流邊界采用狄里克萊邊界條件，出流邊界采用自由出流(outflow)邊界條件，側(cè)向邊界和頂部邊界采用對(duì)稱邊界，建筑壁面和地表面邊界采用無滑移光滑壁面，具體不同邊界類型的邊界條件設(shè)定和參數(shù)的設(shè)置詳見表2.

表2 邊界條件和模擬控制參數(shù)設(shè)置

2.3 模擬結(jié)果與分析

小區(qū)的熱環(huán)境以體感溫度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).由公式(6)可知，體感溫度受風(fēng)速、氣溫、太陽輻射和相對(duì)濕度影響.因?yàn)楸疚闹械奶栞椛浜拖鄬?duì)濕度是固定不變的，所以體感溫度場(chǎng)主要由風(fēng)速場(chǎng)和溫度場(chǎng)決定.

2.3.1 風(fēng)速場(chǎng)

風(fēng)速場(chǎng)主要受建筑物的阻擋作用的影響.小區(qū)的阻塞率越小，越有利于通風(fēng)，風(fēng)速場(chǎng)越好.限于論文篇幅，選取最有利于通風(fēng)的布局形式小區(qū)的風(fēng)速矢量場(chǎng)進(jìn)行分析.圖2給出了工況1中在東風(fēng)(圖中以左邊表示東)條件下錯(cuò)列式小區(qū)在離地1.5 m高處的風(fēng)速矢量場(chǎng)、溫度場(chǎng)和體感溫度場(chǎng).從圖2(a)可以看出，當(dāng)風(fēng)進(jìn)入小區(qū)，由于建筑物的存在使得通風(fēng)面積減少，主通道內(nèi)風(fēng)速增大，而建筑物近壁區(qū)風(fēng)速相對(duì)較弱；建筑物的背風(fēng)面由于只有極少部分風(fēng)進(jìn)入，形成了風(fēng)陰影區(qū)；從東到西，主通道內(nèi)風(fēng)速逐漸減小，因?yàn)橹魍ǖ纼?nèi)的風(fēng)一部分進(jìn)入到建筑物的背風(fēng)區(qū)域，一部分被夾帶到上層.由此可知，小區(qū)沿主導(dǎo)風(fēng)向的長(zhǎng)度不宜太大，否則小區(qū)下游會(huì)出現(xiàn)大面積低風(fēng)區(qū).

2.3.2 溫度場(chǎng)

由風(fēng)速剖面可知，1.5 m高處小區(qū)的入流風(fēng)速為6.59 m/s，小區(qū)內(nèi)的溫度場(chǎng)主要受對(duì)流換熱的影響.風(fēng)速越大，對(duì)流換熱越強(qiáng)，所以最有利于通風(fēng)的布局形式小區(qū)，其溫度場(chǎng)也最好.從圖2(b)可以看出，小區(qū)上游溫度較低，且建筑物兩側(cè)部分區(qū)域的溫度與背景氣溫(32 ℃)相當(dāng)，這是因?yàn)檫@塊區(qū)域的風(fēng)速高，對(duì)流換熱大，可以抵消太陽輻射引起的溫度上升；由于建筑物的背風(fēng)面存在太陽陰影區(qū)且風(fēng)速小，使得建筑物背風(fēng)面溫度與背景氣溫相當(dāng)；主通道內(nèi)從東向西，由于風(fēng)速逐漸減弱，溫度逐漸上升；在小區(qū)的尾區(qū)，風(fēng)速小，對(duì)流換熱較弱，太陽輻射相對(duì)較強(qiáng)，使得溫度普遍很高.從整體上可以看出，對(duì)流換熱是影響溫度場(chǎng)的主導(dǎo)因素：在風(fēng)速小的區(qū)域，其溫度高；在風(fēng)速大的區(qū)域，其溫度低.所以小區(qū)通風(fēng)狀況越好，溫度場(chǎng)也越好.

2.3.3 體感溫度場(chǎng)

綜合以上分析可知，風(fēng)速是影響體感溫度的主導(dǎo)因素.從圖2(c)可以看出，小區(qū)上游的體感溫度比下游低，也就是其熱舒適性比下游好；建筑物周圍的體感溫度都較高，尤其是建筑物的背風(fēng)面；從東向西，主通道內(nèi)的體感溫度逐漸上升.從整體上可以看出，體感溫度的分布情況與風(fēng)速矢量場(chǎng)大致相同：風(fēng)

圖2 錯(cuò)列式小區(qū)模擬結(jié)果

速小的區(qū)域體感溫度大，風(fēng)速大的區(qū)域體感溫度小.這符合風(fēng)速是影響體感溫度的主導(dǎo)因素.所以小區(qū)通風(fēng)狀況越好，其熱環(huán)境也越好.

限于論文篇幅，本文不對(duì)其他各種模擬情況的結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析和描述.通過對(duì)工況1中各種模擬情況得到的小區(qū)風(fēng)速矢量場(chǎng)、溫度場(chǎng)和體感溫度場(chǎng)進(jìn)行分析比較，并根據(jù)通風(fēng)條件是影響小區(qū)熱環(huán)境的主要因素可得：當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)為東風(fēng)時(shí)，4種布局形式熱環(huán)境的優(yōu)劣順序?yàn)椋哄e(cuò)列式>行列式>斜列式>圍合式；當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)為東南風(fēng)時(shí)，4種布局形式熱環(huán)境的優(yōu)劣順序?yàn)椋哄e(cuò)列式>行列式>圍合式>斜列式；當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)為南風(fēng)時(shí)，4種布局形式熱環(huán)境的優(yōu)劣順序?yàn)椋盒绷惺?圍合式>行列式>錯(cuò)列式.根據(jù)同樣的分析比較，得工況2中在相同建筑布局形式和主導(dǎo)風(fēng)下3種建筑群朝向的小區(qū)熱環(huán)境優(yōu)劣比較情況如表3所示.

表3 各種建筑布局形式的熱環(huán)境比較(工況2)1)

1) a表示南北朝向，b表示東南-西北朝向，c表示東西朝向.

3 結(jié) 論

本文研究了在廣州典型夏季氣候條件下建筑布局形式對(duì)居住小區(qū)熱環(huán)境的影響.采用CFD模擬技術(shù)不同主導(dǎo)風(fēng)和各種建筑群朝向條件下分別對(duì)4種小區(qū)典型布局進(jìn)行了熱環(huán)境數(shù)值模擬研究.研究結(jié)果表明小區(qū)布局形態(tài)和建筑群朝向等對(duì)小區(qū)熱環(huán)境有很大影響，小區(qū)熱環(huán)境主要取決于小區(qū)內(nèi)的通風(fēng)狀況.當(dāng)小區(qū)內(nèi)部主通道與主導(dǎo)風(fēng)向平行時(shí)，有利于小區(qū)通風(fēng)散熱.當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)為東南風(fēng)或東風(fēng)時(shí)，錯(cuò)列式和行列式小區(qū)有相對(duì)較好的熱環(huán)境，其建筑群朝向相對(duì)應(yīng)的宜為南北朝向.為了獲得良好的熱環(huán)境，應(yīng)當(dāng)減少建筑群對(duì)進(jìn)入小區(qū)的風(fēng)的遮擋效應(yīng)，盡量使小區(qū)內(nèi)部主通道與小區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向平行，使小區(qū)有利于通風(fēng).

本文僅考慮了3種規(guī)劃因素來對(duì)居住小區(qū)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到的布局形式較少；模擬過程沒有考慮植被和水體對(duì)小區(qū)熱環(huán)境的影響，使得到的模擬結(jié)果具有一定的局限性.今后研究可以從更多的規(guī)劃因素來概括更全面的各種布局形式，并在模擬中考慮植被和水體等對(duì)小區(qū)熱環(huán)境的影響.

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Effects of Building Layout Forms on Thermal environment in Residential Districts

Zhao Bing-chun, Wang Xin, Lai Zhi-ping

(School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

The effect of building layout forms on thermal environment in residential districts is focused on. Based on typical residential districts in South China, four typical layout forms are established. Computational fluid dynamics (CFD) technique is used to simulate the thermal environment in residential districts at different predominant wind for different architectural complex orientations. The results show that layout forms and architectural complex orientation have a great influence on thermal environment, and the thermal environment mainly depends on the ventilation in the residential district. When the predominant wind is east wind or southeast wind, staggered type and determinant residential districts have relatively good thermal environment, and it is appropriate for them to face the north or the south.

layout forms; numerical simulation; thermal environment; predominant wind

2015- 11- 25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E080201)

趙冰春(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槌鞘形夂?

10.3969/j.issn.1007- 7162.2016.06.016

TU984

A

1007-7162(2016)05- 0091- 05