許昌市多層住宅區(qū)夏季小氣候模擬與分析

趙會兵 張玲飛

摘 要：本文選取許昌市一多層住宅區(qū)作為研究區(qū)域，采用數(shù)值模擬軟件ENVI-met對夏季炎熱天氣條件下住宅區(qū)內(nèi)部小氣候進(jìn)行模擬和分析。結(jié)果表明：多層住宅區(qū)溫度分布較為均勻，高溫區(qū)和低溫區(qū)所占比例不大，大部分地區(qū)溫度主要集中在32.5～32.7℃，風(fēng)向和風(fēng)速對氣溫的水平分布影響較為明顯;住宅區(qū)住宅內(nèi)大部分區(qū)域風(fēng)速為1.5～2.05m/s，風(fēng)環(huán)境舒適度較高，建筑的空間布局對風(fēng)環(huán)境影響較大。

關(guān)鍵詞：多層住宅區(qū);小氣候;ENVI-met

中圖分類號：TU119 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0105-04

Simulation and Analysis of Summer Microclimate in

Multistoried Residential District of Xuchang City

ZHAO Huibing ZHANG Lingfei

（College of Urban and Rural Planning and Landscape Architecture， Xuchang University，Xuchang Henan 461000）

Abstract： In this paper， a multi-storey residential area in Xuchang City was selected as the research area. The microclimate in the residential area under hot summer weather was simulated and analyzed by numerical simulation software ENVI-met. The results show that the temperature distribution in multi-storey residential areas is more uniform， and the proportion of high temperature and low temperature areas is not large. The temperature in most areas is mainly concentrated in 32.5～32.7℃. The horizontal distribution of air temperature is influenced by wind direction and speed. The wind speed in most areas of residential areas is 1.5-2.05m/s， and the comfort degree of wind environment is higher. The spatial layout of buildings has great influence on the wind environment.

Keywords： multistoried residential district;microclimate;ENVI-met

城市小氣候與人們的工作和生活密切相關(guān)。適宜的城市小氣候提供良好的溫度、濕度、風(fēng)速、光照等自然環(huán)境，不僅能夠營造舒適的室外環(huán)境，提升人體舒適感，改善空氣環(huán)境質(zhì)量、降低城市能源消耗、增加戶外活動時(shí)間[1，2]，而且能夠改善室內(nèi)環(huán)境[3]。

城市小氣候的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，除了受地理緯度、太陽輻射和地形影響外，還受人為活動和城市形態(tài)的影響[4-6]。城市形態(tài)與城市小氣候的關(guān)系最為緊密，建筑的密度、高度、街道的寬高比等城市形態(tài)因子直接或間接地影響溫度、濕度、風(fēng)速等小氣候環(huán)境要素。不良的城市形態(tài)導(dǎo)致城市冠層內(nèi)部熱交換與水循環(huán)發(fā)生紊亂，出現(xiàn)高溫、高濕、大霧等極端天氣。

對城市小氣候的研究主要采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬的方法，數(shù)值模擬技術(shù)具有快速、簡單、高效的特點(diǎn)，普遍應(yīng)用于氣候模擬與分析領(lǐng)域。ENVI-met是一種基于流體力學(xué)的數(shù)值模擬軟件，主要用于小氣候的模擬與分析[7，8]。本研究使用ENVI-met對研究區(qū)域的小氣候狀況進(jìn)行模擬，分析許昌市多層住宅區(qū)內(nèi)溫度、風(fēng)速、風(fēng)向的水平分布特征，以期為許昌市多層住宅區(qū)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)樵S昌市東城區(qū)道路主干道附近的一個(gè)住宅區(qū)。住宅區(qū)共有16棟多層單體建筑，采用圍合式布局，最高建筑為20m，公共綠地共有兩塊，分別位于住宅區(qū)西南部和住宅區(qū)中間，綠化樹木以女貞為主，種植于建筑周圍。研究區(qū)遙感影像如圖1所示。

1.2 建模方法與過程

以研究區(qū)域的高分辨率遙感衛(wèi)星影像為底圖，在ENVI-met軟件中識別底圖中的建筑、植被、道路等信息后完成地面三維模型的制作。根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)及ENVI-met建模要求，將研究區(qū)域在水平方向上劃分為140×140個(gè)網(wǎng)格，垂直方向上設(shè)置為25個(gè)網(wǎng)格，增設(shè)3個(gè)嵌套網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成后，在主模型區(qū)域內(nèi)建立建筑、綠化、道路、土壤等各種類型的下墊面模型，其中道路材質(zhì)為灰色混凝土路面，行道樹樹高7m，冠幅5m，草地植株高度為20cm。為了便于研究，將小區(qū)劃分為A、B、C三個(gè)組團(tuán)。其中，組團(tuán)A位于住宅區(qū)西部，包含單體建筑A1—A5;組團(tuán)B位于小區(qū)東部，包含單體建筑B1—B5;組團(tuán)C位于小區(qū)南部，包含單體建筑C1—C5。住宅區(qū)包含兩個(gè)公共綠地G1和G2，其中G1是居民的主要公共活動空間，G2為待開發(fā)用地。住宅區(qū)二維模型如圖2所示。

1.3 模擬初始條件設(shè)置

對小氣候進(jìn)行模擬時(shí)，不僅需要研究區(qū)域內(nèi)的建筑布局、土地利用情況等下墊面資料，還需要風(fēng)速、氣溫、濕度等宏觀氣象數(shù)據(jù)。由于《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》所包含的氣象數(shù)據(jù)專門用于建筑熱環(huán)境分析，能更好地反映室外的小氣候特征，因此，本研究以該數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，選取其中的典型氣象年數(shù)據(jù)作為宏觀氣象背景數(shù)據(jù)的來源。為了分析住宅區(qū)夏季炎熱天氣時(shí)段14：00的小氣候特征，選取7月14日為典型炎熱天氣日，設(shè)置模擬起始時(shí)間為13：00，模擬時(shí)長為1h，模擬終止時(shí)間為14：00。研究區(qū)域ENVI-met模型主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2 結(jié)果模擬與分析

2.1 空氣溫度的水平分布特征分析

日出后太陽輻射不斷增強(qiáng)，地表獲得的熱量增多，溫度持續(xù)上升，地表同時(shí)又將部分熱量通過長波輻射的形式傳導(dǎo)給近地空氣，氣溫升高。近地空氣14：00吸收的熱量達(dá)到極值，氣溫最高。住宅區(qū)在14：00空氣溫度分布情況如圖3所示。

從圖3可以看出，14：00，住宅區(qū)1.5m空氣溫度普遍高于32.19℃。高溫區(qū)主要集中在公共綠地G2北部區(qū)域、G1整個(gè)區(qū)域以及建筑B1、B2、B3的東部，這三個(gè)區(qū)域相互連通，形成一個(gè)高溫帶。高溫帶內(nèi)的溫度高于32.7℃，最高氣溫達(dá)33.21℃，明顯高于其他區(qū)域。模型氣象條件中風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)225°，風(fēng)速為4m/s，氣流運(yùn)動較為顯著。受西南風(fēng)的影響，空氣從開闊地區(qū)G1經(jīng)過建筑A5和建筑C1之間的狹窄區(qū)域侵入住宅區(qū)內(nèi)部，并沿東北方向逐步向內(nèi)擴(kuò)張，從公共綠地G2一直延伸至東北部?？諝獾臏囟热Q于熱量收支，近地空氣與外界熱量交換方式以地表對空氣的輻射為主，當(dāng)氣流運(yùn)動較為劇烈時(shí)，空氣熱交換也是溫度的重要影響因素之一。住宅區(qū)中G1、G2為開闊地帶，建筑B1、B2、B3為氣流的尾端，風(fēng)速較小，空氣熱交換強(qiáng)度較弱，溫度較高。公共綠地G1、G2臨接地區(qū)為狹窄區(qū)域，空氣流經(jīng)該區(qū)域時(shí)，流速加快，提高了空氣熱交換能力，溫度得到有效降低。建筑之間的溫度分布較為均衡，受建筑陰影、植被蒸騰作用的綜合影響，主要集中在32.5～32.7℃。

表2為1.5m處空氣溫度覆蓋網(wǎng)格數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。該結(jié)果表明，溫度為32.5～32.6℃的網(wǎng)格數(shù)量最多，共有3 362個(gè)，占網(wǎng)格總數(shù)的30.71%;溫度為32.6～32.7℃的網(wǎng)格數(shù)量為2 278，占網(wǎng)格總數(shù)20.81%。位于以上兩個(gè)溫度區(qū)間的網(wǎng)格數(shù)量與總網(wǎng)格數(shù)量比高于50%，高于32.8℃的高溫區(qū)的網(wǎng)格數(shù)量比為7.83%，低于32.4°C的低溫區(qū)網(wǎng)格數(shù)量比為6.85%。這說明住宅區(qū)內(nèi)高溫區(qū)和低溫區(qū)所占比例不大，大部分地區(qū)溫度主要集中在32.5～32.7℃。

2.3 風(fēng)環(huán)境的水平分布特征分析

14：00住宅區(qū)內(nèi)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示，該圖為風(fēng)速和風(fēng)向的疊加圖。

住宅區(qū)內(nèi)單體建筑沿東西方向平行分布，東西軸較長，南北軸較短。氣流的運(yùn)動方向與建筑坐落方向成一定交角，在向東北運(yùn)動過程中受到建筑西部外墻的阻擋。在迎風(fēng)面，一部分氣流上升穿過建筑頂部，一部分氣流下沉至地面，在建筑西南角形成迎風(fēng)面風(fēng)速減弱區(qū)，位于該區(qū)域的風(fēng)速較小。主導(dǎo)方向的氣流沿建筑墻面到達(dá)地面后，部分與水平方向上的氣流疊加，形成渦流，部分沿建筑底部向北運(yùn)動，與原有向北運(yùn)動的氣流合并形成角流。住宅區(qū)西部建筑A1—A5和C1、C3、C5位于上風(fēng)位，西南外墻區(qū)附近區(qū)域?yàn)橛L(fēng)減弱區(qū)，風(fēng)速均小于1.5m/s;西北部外墻附近區(qū)域?yàn)榻橇鲄^(qū)，該區(qū)域風(fēng)速為2～2.5m/s，部分建筑如A1、C1西北部外墻附近風(fēng)速超過3.5m/s。住宅區(qū)東部建筑B1—B5和C2、C4、C6位于下風(fēng)位，西南外墻區(qū)域同樣為迎風(fēng)減弱區(qū)，西北外墻區(qū)域?yàn)榻橇鲄^(qū)，由于氣流在運(yùn)動過程中受西部建筑的阻擋，風(fēng)速有所降低，住宅區(qū)東部建筑的迎風(fēng)減弱區(qū)和角流區(qū)的風(fēng)速均低于西部建筑。向東北運(yùn)動的氣流遇到建筑阻擋后，在建筑北側(cè)形成風(fēng)影區(qū)。風(fēng)影區(qū)分布較廣，大小不一，風(fēng)速較低，總體呈現(xiàn)從南至北逐漸增大的特征。住宅區(qū)南部建筑C5、C6風(fēng)影區(qū)較小，風(fēng)速小于1.5m/s;住宅區(qū)北部建筑A1、B1風(fēng)影區(qū)較大且風(fēng)速較低，風(fēng)速普遍小于1.0m/s，部分地區(qū)小于0.5m/s。

住宅區(qū)內(nèi)建筑的空間布局對風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生了較為顯著的影響。住宅區(qū)西南區(qū)域?yàn)殚_闊的公共綠地G2，風(fēng)速為1～2m/s，由于沒有高大的建筑阻擋，風(fēng)速變換較為平緩。建筑A5和C1相對應(yīng)風(fēng)向南北錯落分布形成一個(gè)峽谷，當(dāng)氣流從開闊地帶流入峽谷時(shí)，空氣密度被壓縮，風(fēng)速增大，位于峽谷內(nèi)的風(fēng)速可達(dá)3.58m/s。當(dāng)流出峽谷時(shí)，空氣流速又會減緩，在公共綠地G1西南部形成一個(gè)風(fēng)速低于1.5m/s的弱風(fēng)區(qū)。公共綠地G1的東北部為氣流匯集區(qū)，匯集了流經(jīng)建筑A3、A4之間、建筑物A4、A5和建筑物A5、C1之間的氣流。該區(qū)域風(fēng)速為2.5～3m/s，高于公共綠地G1內(nèi)部的其他區(qū)域。

該結(jié)果表明，風(fēng)速為1.5～2.05m/s的網(wǎng)格數(shù)量最多，占總網(wǎng)格數(shù)量的33.88%;風(fēng)速為2.0～2.5m/s的網(wǎng)格數(shù)量比為23.13%，5.24%的網(wǎng)格風(fēng)速高于2.5m/s;風(fēng)速低于1.0m/s的網(wǎng)格數(shù)量較少，僅占8.89%。風(fēng)速與人體的舒適度密切相關(guān)：風(fēng)速高于1.5m/s低于5m/s時(shí)人體舒適性較高;風(fēng)速在1.0～1.5m/s時(shí)舒適度一般;風(fēng)速低于1.0m/s時(shí)舒適性較差。風(fēng)速分布的整體特征表明，住宅區(qū)內(nèi)大部分風(fēng)速的舒適度較高，少數(shù)區(qū)域舒適性較差。

3 結(jié)論

本研究以許昌市一多層住宅區(qū)為例，利用ENVI-met小氣候模擬軟件對夏季炎熱條件下多層住宅區(qū)小氣候環(huán)境進(jìn)行了模擬和分析。研究結(jié)果表明，夏季炎熱微風(fēng)氣候條件下，多層住宅區(qū)溫度分布較為均勻，高溫區(qū)和低溫區(qū)所占比例不大，大部分地區(qū)溫度主要集中在32.5～32.7℃，主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)速對氣溫的水平分布影響較為明顯。住宅區(qū)內(nèi)建筑的空間布局對風(fēng)環(huán)境影響較大，產(chǎn)生了明顯的狹管效應(yīng);一定風(fēng)速條件下，住宅內(nèi)大部分區(qū)域風(fēng)速高于1.5m/s，風(fēng)環(huán)境舒適度較高。

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