不同下墊面對(duì)城市街區(qū)熱環(huán)境影響的數(shù)值仿真研究
——以中新天津生態(tài)城動(dòng)漫園區(qū)為例

陳朝陽(yáng)，張 偉

（天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384）

近年來(lái)，隨著低碳、環(huán)保、自然、健康理念的不斷增強(qiáng)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)心建筑與室外環(huán)境的關(guān)系，已不再孤立地考慮建筑本身.街區(qū)微氣候與人們的舒適程度和建筑能耗密切相關(guān)，這些因素之間的關(guān)系已經(jīng)成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題.在國(guó)外，Soundborg[1]根據(jù)街區(qū)尺度熱環(huán)境的研究，給出了城市溫度場(chǎng)的一系列經(jīng)驗(yàn)公式；Bruse 等[2]提出了 ENVI-met模型；Murakami等學(xué)者[3]運(yùn)用蒙特卡羅方法進(jìn)行了長(zhǎng)短波的輻射計(jì)算；Tsuyoshi等[4]通過數(shù)值模擬研究了綠化面積、規(guī)劃形式對(duì)熱環(huán)境的影響.在國(guó)內(nèi)，趙敬源等[5]通過街道峽谷動(dòng)態(tài)模型，研究了不同的下墊面材料、高寬比、蒸發(fā)率、街道走向、立面形式對(duì)街道峽谷熱環(huán)境的影響；于震等[6]對(duì)某單體建筑室外熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，通過求解質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量平衡方程，求解了室外空氣溫度動(dòng)態(tài)分布，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合很好.

筆者采用基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型的有限體積法和SIMPLE算法，以中新天津生態(tài)城動(dòng)漫園區(qū)為研究對(duì)象，就城市下墊面對(duì)室外熱環(huán)境的影響進(jìn)行了數(shù)值仿真研究.

1 動(dòng)漫園區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 地理信息數(shù)據(jù)

中新天津生態(tài)城坐落在天津?yàn)I海新區(qū)，規(guī)劃人口約為35萬(wàn)，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)包括動(dòng)漫園、萬(wàn)科小區(qū)、商業(yè)街、公屋展示中心、科技園、紅樹灣小區(qū)等區(qū)域.動(dòng)漫園區(qū)占地3.6 km2，位于生態(tài)城西北角，動(dòng)漫園區(qū)平面如圖1所示.

圖1 動(dòng)漫園區(qū)平面

1.2 氣象數(shù)據(jù)

天津氣候?qū)儆诖箨懶园霛駶?rùn)季風(fēng)氣候，四季特征分明.年平均氣溫12.5℃，最高氣溫39.9℃，最低氣溫-18.3℃；年平均降雨量602.9 mm；年平均日照時(shí)數(shù)為2 898.8 h，平均日照百分率為64.7%.

2 物理模型的建立與參數(shù)選擇

2.1 計(jì)算區(qū)域和邊界條件

由于動(dòng)漫園區(qū)內(nèi)地形及建筑表面極其復(fù)雜，并且模擬時(shí)受到計(jì)算機(jī)配置的限制，因此，在對(duì)動(dòng)漫園區(qū)建模時(shí)，首先需要對(duì)園區(qū)內(nèi)諸多要素進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，尤其是對(duì)不規(guī)則下墊面及建筑表面進(jìn)行簡(jiǎn)化，使得建筑外形更接近于長(zhǎng)方體，見圖2所示.

圖2 動(dòng)漫園區(qū)三維模型

本文計(jì)算區(qū)域確定為：2 133 m×1 624 m×150 m，面積為3.46 km2.將計(jì)算區(qū)域劃分為上下兩個(gè)體，并將上下兩個(gè)體分別分成內(nèi)外兩個(gè)體.劃分網(wǎng)格時(shí)，各個(gè)區(qū)網(wǎng)格類型分別為：內(nèi)下區(qū)，TGrid網(wǎng)格類型，尺寸3 m；內(nèi)上區(qū)，Cooper網(wǎng)格類型，尺寸 10 m；外區(qū)，Cooper網(wǎng)格類型，尺寸20 m.計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)量為304萬(wàn).速度入口邊界條件選用指數(shù)冪法則[7]，即

由于中新天津生態(tài)城動(dòng)漫園區(qū)屬于B類地面中的大城市郊區(qū)，故本文α取值為0.16.進(jìn)口邊界條件通過Fluent的UDF功能，根據(jù)式（1）編程給定.文中風(fēng)速與入口方向不垂直，風(fēng)速類型定義為Magnitude and Direction類型，通過加載C語(yǔ)言程序設(shè)置速度大?。粚?duì)于入口風(fēng)溫，采用距離入口最近的測(cè)點(diǎn)溫度平均值；對(duì)于入口湍流脈動(dòng)動(dòng)能k和湍流耗散率ε，采用默認(rèn)值；出口定義為壓力出流邊界條件.建筑壁面采用無(wú)滑移壁面邊界條件，相當(dāng)于靜止壁面.建筑表面附近，利用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法（standard wall functions）對(duì)湍流模型進(jìn)行修正.墻體對(duì)流換熱系數(shù)取23 W/（m2·K），墻體厚度設(shè)置為300 mm，建筑外墻外表面溫度設(shè)置為27℃.下墊面設(shè)置與建筑表面設(shè)置相似，同為靜止壁面，F(xiàn)luent中也設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件，各下墊面基本參數(shù)如表1所示.

2.2 求解參數(shù)設(shè)置

假定空氣流場(chǎng)為三維、定常、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的流體低速湍流流動(dòng).Fluent參數(shù)具體設(shè)置見表2.

表1 各下墊面基本參數(shù)

表2 Fluent計(jì)算的參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)果與討論

3.1 下墊面反射率對(duì)室外熱環(huán)境的影響

選定的仿真時(shí)間為《綠色建筑評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則》[8]規(guī)定的夏季典型日，2015-07-21T12：00.風(fēng)向?yàn)闁|南方向，距離地面10 m處風(fēng)速4.2 m/s，太陽(yáng)輻射由生態(tài)城地區(qū)的經(jīng)緯度（東經(jīng)117.5°，北緯38.7°）計(jì)算得到.來(lái)流空氣溫度為距離入口最近的測(cè)點(diǎn)溫度平均值，為25.6℃.各下墊面的溫度見表3.通過查閱設(shè)計(jì)文件得出實(shí)際情況中動(dòng)漫園區(qū)各下墊面的性質(zhì)和表面材料，最終得到動(dòng)漫園區(qū)各個(gè)下墊面的反射率，見表4.

表3 各下墊面的溫度 ℃

表4 動(dòng)漫園區(qū)各下墊面的性質(zhì)和表面材料（工況1）

為了降低1.5 m處的空氣溫度，達(dá)到改善室外熱環(huán)境、降低室內(nèi)空調(diào)能耗的目的，本文對(duì)原有的下墊面形式做出改動(dòng)，對(duì)路面采用淺色鋪磚或淺色涂料，對(duì)墻面采用淺色瓷磚或淺色平滑的粉刷，以提高其對(duì)太陽(yáng)短波輻射的反射率，提高后各表面的反射率如表5所示.

表5 改進(jìn)后動(dòng)漫園區(qū)各下墊面的性質(zhì)和表面材料（工況2）

需要強(qiáng)調(diào)的是，由于水體的比熱容比其它下墊面的比熱容大很多，同時(shí)水體吸收率比反射率也大很多，因此反射率對(duì)水體的響應(yīng)很小，水體對(duì)室外熱環(huán)境的影響主要是水分的蒸發(fā)和比熱容，所以本文不考慮水體反射率的變化.

通過CFD仿真模擬，得出兩種不同下墊面形式下，1.5 m處水平切面溫度分布云圖，如圖3所示.

圖3 不同工況下1.5 m高度處空氣溫度水平分布云圖

從圖3可以看出，隨著反射率的增加，道路對(duì)應(yīng)的空氣溫度有所下降，但是下降幅度很小，遠(yuǎn)小于鋪磚對(duì)應(yīng)的空氣溫度的下降幅度，特別是動(dòng)漫園區(qū)東南角廣場(chǎng)處.水體和綠化部分對(duì)應(yīng)的空氣溫度幾乎不變.

為了定量研究下墊面反射率對(duì)室外熱環(huán)境的改善作用，共選取了9個(gè)具有代表性的測(cè)點(diǎn)，各點(diǎn)具體位置如圖4所示.其中，1#、2#位于動(dòng)漫中心樓東南角廣場(chǎng)處，3#、4#、5# 位于道路上方，6#、7# 位于水體上方，8#、9#位于綠化上方.

圖4 各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置

從圖3a-3b的溫度場(chǎng)中讀取各點(diǎn)值可以發(fā)現(xiàn)，隨著反射率的提高，鋪磚部分上方1.5 m處空氣溫度降低0.20℃，道路部分上方1.5 m處空氣溫度降低0.13℃，水體和綠化部分上方1.5m處空氣溫度幾乎沒變.由此可知，提高下墊面的反射率會(huì)使周圍1.5 m處空氣溫度有所下降.

3.2 綠化對(duì)室外熱環(huán)境的影響

在計(jì)算模型中，參考動(dòng)漫園區(qū)的綠化方案，對(duì)整個(gè)動(dòng)漫園區(qū)植被的分布情況做相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理.將動(dòng)漫園區(qū)內(nèi)綠化部分分別設(shè)置為草坪（工況1′）、灌木（工況 2′）、喬木（工況 3′）三種不同形式的植被，設(shè)置位置見圖1，面積4.99 km2，占動(dòng)漫園區(qū)總面積的1.44%.通過CFD仿真，分別研究三種不同植被形式對(duì)動(dòng)漫園區(qū)室外熱環(huán)境的影響情況.根據(jù)廖小琴[9]所提供的等效吸收系數(shù)（見表6）進(jìn)行仿真.

表6 不同綠化形式的吸收系數(shù)[9]

三種不同綠化形式下，1.5m處水平切面溫度分布云圖如圖5所示.

圖5 不同綠化形式下z=1.5 m處空氣溫度水平分布云圖

從圖5可以看出，不同綠化形式動(dòng)漫園區(qū)西北角處溫度分布相差很大，空氣溫度從高到低的綠化形式分別為草坪、灌木和喬木.由圖5a、5b和5c的溫度場(chǎng)中讀取各測(cè)點(diǎn)值，測(cè)點(diǎn)6#-9#的溫度值經(jīng)過計(jì)算可知，灌木比草坪對(duì)應(yīng)的1.5 m處空氣溫度低0.07℃，喬木比灌木對(duì)應(yīng)的1.5 m處空氣溫度低0.22℃.這表明降低室外熱環(huán)境最好的綠化形式是喬木.

綜上可知，不同的綠化形式對(duì)1.5 m處空氣溫度改善程度依次是喬木、灌木、草坪.

3.3 水體對(duì)室外熱環(huán)境的影響

生態(tài)城下墊面原有布局情況記為工況a，水體部分見圖1，面積為1.53km2，占動(dòng)漫園區(qū)總面積的0.44%；將動(dòng)漫園區(qū)西北角水體部分改為鋪磚，記為工況b.兩種不同工況下1.5 m處水平切面溫度分布云圖如圖6所示.

圖6 不同工況下z=1.5 m處空氣溫度水平分布云圖

從圖6可以看出，從工況a到工況b，動(dòng)漫園區(qū)西北角水體對(duì)應(yīng)的空氣溫度明顯低于西北角鋪磚對(duì)應(yīng)的空氣溫度.通過從圖6a-6b溫度場(chǎng)中讀取的各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度值可以發(fā)現(xiàn)，水體對(duì)應(yīng)的空氣溫度為23.88℃，鋪磚對(duì)應(yīng)的空氣溫度為26.00℃，兩者相差2.12℃.顯然，水體對(duì)室外1.5 m處空氣溫度有明顯的降溫作用.又因?yàn)樗w對(duì)室外環(huán)境有濕度調(diào)節(jié)作用，因此，在小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，盡量增設(shè)水體.

4 改進(jìn)策略與建議

4.1 下墊面盡量選用高反射率的材料

建筑外墻應(yīng)盡量選取淺色的涂料或者瓷磚，廣場(chǎng)處也應(yīng)選取淺色鋪磚，這樣可以降低街區(qū)熱島效應(yīng).提高下墊面反射率是降低空氣溫度的有效手段，但是無(wú)限制地提高下墊面反射率會(huì)大幅度增加投資成本.因此，在綜合考慮降低室外空氣溫度和降低成本的情況下，盡量提高下墊面反射率.

4.2 盡量布置高大的喬木和灌木

在天津市，植物的季節(jié)性變化對(duì)改善建筑室外風(fēng)熱環(huán)境有著獨(dú)特的作用：可以在建筑的南向布置高大的落葉喬木、灌木，有利于夏季室內(nèi)遮擋陽(yáng)光，冬季時(shí)由于植物落葉又不影響室內(nèi)的采光；在建筑的東北向是冬季的盛行風(fēng)向，需要布置常綠高大的灌木和喬木，以便冬季能起到很好的防風(fēng)效果.

對(duì)于建筑物的立面來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)輻射主要集中在建筑物的東西向，并且這兩個(gè)方向的太陽(yáng)輻射值大小較為接近.對(duì)于東向，太陽(yáng)輻射主要集中在上午，此時(shí)室外溫度較低，熱作用還不是很明顯；但對(duì)于西向，太陽(yáng)輻射主要集中在14：00—16：00，此時(shí)空氣的溫度也達(dá)到最高，兩者累加，會(huì)較大增加空調(diào)的設(shè)計(jì)負(fù)荷，因此建議在建筑物的西向種植高大的落葉喬木，以防止太陽(yáng)西曬.

街道應(yīng)結(jié)合建筑旁的遮陰措施，加強(qiáng)道路旁的綠化，從而避免夏季太陽(yáng)光直射路上的行人，冬季則可以為行人提供太陽(yáng)輻射；廣場(chǎng)處應(yīng)在向陽(yáng)位置種植落葉喬木和灌木，這樣夏季可以遮擋陽(yáng)光，冬季則可以吸收陽(yáng)光.

4.3 人工水體宜布置在建筑物的東南側(cè)

水體，尤其是大面積的水體，對(duì)于室外人行高度處空氣溫度的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)有著明顯的作用，在夏季也可以降溫增濕，并且水體和水體周圍的陸地會(huì)形成水陸風(fēng)，這樣還可以對(duì)室外環(huán)境進(jìn)行一定的調(diào)節(jié).值得一提的是，雖然水體對(duì)室外環(huán)境具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用，但是它對(duì)環(huán)境的影響與水體區(qū)域的大小密切相關(guān)，所以在小區(qū)規(guī)劃時(shí)水體的應(yīng)用具有一定的局限性.考慮到天津地區(qū)夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)向的特點(diǎn)，建議將水體放在建筑物的東南側(cè)，以降低通風(fēng)的溫度，從而達(dá)到降低建筑物在夏季空調(diào)能耗的目的.

5 結(jié)論

（1）道路和鋪磚的下墊面反射率分別從0.10、0.15提高到0.30、0.35時(shí)，鋪磚和道路部分上方1.5 m處空氣溫度分別降低0.20℃和0.13℃，水體和綠化部分上方1.5 m處空氣溫度幾乎沒變.

（2）不同的綠化形式對(duì)室外熱環(huán)境的改善程度：?jiǎn)棠荆竟嗄荆静萜?對(duì)應(yīng)1.5 m處灌木比草坪空氣溫度低0.07℃，喬木比灌木對(duì)應(yīng)的1.5m處空氣溫度低0.22℃.

（3）水體比鋪磚1.5 m處溫度低2.12℃，水體對(duì)室外熱環(huán)境具有非常明顯的改善作用.

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