不同下墊面類(lèi)型對(duì)室外熱環(huán)境影響的仿真研究

盛景四，張 偉，劉 歡

（1.天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384；2.青島平建建筑安裝股份有限公司 營(yíng)運(yùn)部，山東 青島 266700）

隨著城市化進(jìn)程的加快，地面硬化、植被減少，原有的低密度的建筑環(huán)境被改變；經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)化的加快，導(dǎo)致空氣污染物的排出增加，隨之而來(lái)的一系列環(huán)境問(wèn)題引起了全球范圍內(nèi)的關(guān)注.緩解城市熱島效應(yīng)可以改善城市氣候，進(jìn)而遏制全球變暖.

在國(guó)外，Zhang 等[1]研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)城市的熱島效應(yīng)甚至?xí)B加，存在“上下游效應(yīng)”；Doick 等[2]發(fā)現(xiàn)大面積綠化產(chǎn)生降溫作用的垂直影響范圍達(dá)20～440 m，平均降溫可達(dá)1.102 ℃，最大可達(dá)4 ℃；Tsoka[3]的研究表明，用冷材料取代傳統(tǒng)涂料和額外的樹(shù)木有助于降低建筑表面和空氣的溫度；2011 年，Dimoudi 等[4]研究發(fā)現(xiàn)，城市規(guī)劃的形態(tài)特征（道路寬度、建筑物高度等）和綠色區(qū)域的存在以及覆蓋的材料影響了城市峽谷內(nèi)的氣流和熱平衡.在國(guó)內(nèi)，廖詩(shī)家[5]通過(guò)FLUENT模擬提出緩解熱島效應(yīng)的措施；其他學(xué)者也對(duì)熱島效應(yīng)的成因進(jìn)行了理論與氣象數(shù)據(jù)分析，最后應(yīng)用CFD進(jìn)行整體改進(jìn)方案驗(yàn)證[6-7].

1 研究對(duì)象與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域?yàn)閯?dòng)漫園區(qū)，位于天津?yàn)I海新區(qū)，占地3.6 km2，園區(qū)內(nèi)共計(jì)16 片建筑區(qū)域，其中，B1-B9、B11、B12 已建成，B10、B13-B16 未建成.動(dòng)漫園內(nèi) 9個(gè)氣象監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖1）的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)用于對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證.各測(cè)點(diǎn)的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、輻射量等數(shù)據(jù)由安裝在2.5 m 高度處的氣象監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)，每5 min 記錄1 次數(shù)據(jù)，如圖2 所示.

圖1 動(dòng)漫園區(qū)測(cè)點(diǎn)分布

圖2 氣象監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

欲準(zhǔn)確仿真室外熱環(huán)境，需要較為精確地描述下墊面的物性及地形.首先對(duì)住區(qū)諸多要素進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，如使建筑外形更接近于長(zhǎng)方體、樹(shù)木簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體等[8].動(dòng)漫園內(nèi)最高建筑的高度為52 m，計(jì)算域的范圍為2 203 m×2 530 m×300 m，面積5.57 km2，整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)量約為390 萬(wàn)，物理仿真模型如圖3 所示.

圖3 物理仿真模型

1.3 邊界條件設(shè)定

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).

（1）入口邊界條件：選用速度入口邊界條件[9]為

入口空氣溫度采用實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)值，將臨近區(qū)域入口方向的測(cè)點(diǎn)平均溫度作為入口空氣溫度.

（2）其他邊界條件：出口邊界條件是自由出流邊界條件；頂面邊界條件是對(duì)稱(chēng)邊界條件；側(cè)面邊界條件是對(duì)稱(chēng)邊界條件；建筑表面的邊界條件是無(wú)滑移壁面邊界條件.對(duì)于入口湍流脈動(dòng)動(dòng)能和湍流耗散率，采用默認(rèn)值.出口定義為壓力出流邊界條件.

父母的單位發(fā)了一捆一捆的帶魚(yú)，煎成脆脆的，饅頭切成片裹了蛋液炸一炸。方便面煮起來(lái)真香啊，副食品大樓里有粉色塑料小盒裝的奶油蛋糕，五顏六色的花旁是綠色的奶油樹(shù)葉。

建筑壁面和下墊面設(shè)置同為靜止壁面，F(xiàn)LUENT中設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件，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.墻體的對(duì)流換熱系數(shù)取23 W/（m2·K），墻體厚度設(shè)置為300 mm，各下墊面基本參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 各下墊面基本參數(shù)

1.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的有效性，在此引入相對(duì)誤差

式中：δ 為i 時(shí)刻的實(shí)測(cè)值與仿真值的相對(duì)誤差；Δ 為i時(shí)刻的絕對(duì)誤差，即實(shí)測(cè)值與仿真值的差的絕對(duì)值；L為i 時(shí)刻的實(shí)測(cè)值，℃.

選取2015-03-22 作為春季典型日，07-17 作為夏季典型日，09-22 作為秋季典型日，12-26 作為冬季典型日；以7#、8#和9#測(cè)點(diǎn)作為實(shí)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與仿真溫度對(duì)比如圖4 所示.

圖4 各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與仿真溫度曲線(xiàn)對(duì)比

各測(cè)點(diǎn)在各季節(jié)典型日的溫度實(shí)測(cè)值與仿真值的誤差結(jié)果列于表2.

表2 各季節(jié)典型日的溫度實(shí)測(cè)值與仿真值的誤差 %

根據(jù)實(shí)測(cè)與仿真數(shù)據(jù)之間的比對(duì)驗(yàn)證表明：所建立的整個(gè)仿真模型是可靠和有效的，選用的仿真方法是可行的.

2 室外熱環(huán)境的仿真分析

2.1 綠化形式對(duì)室外熱、風(fēng)環(huán)境的影響

綠化對(duì)室外熱環(huán)境的改善，主要影響空氣的流動(dòng)，對(duì)流、長(zhǎng)短波輻射、導(dǎo)熱、水汽平衡等對(duì)熱濕平衡的影響，以及樹(shù)木遮陽(yáng)作用從而減弱太陽(yáng)輻射對(duì)人體及下墊面的照射，進(jìn)而降低下墊面溫度，增加人體舒適感.

根據(jù)動(dòng)漫園綠化布局進(jìn)行簡(jiǎn)化，綠化面積約為49 920 m2，占動(dòng)漫園區(qū)域面積1.44%，利用CFD 仿真，分別設(shè)置綠化、草坪、灌木和高大喬木4 種不同植被形式.根據(jù)廖小琴[10]提供的等效吸收系數(shù)進(jìn)行仿真，其中，草坪、灌木和喬木的吸收系數(shù)分別為0.37、0.28、0.18.

4 種不同形式下1.5 m 水平切面處溫度分布和風(fēng)速分布參見(jiàn)圖5-6.由圖5 分析可知：無(wú)綠化時(shí)1.5 m水平切面溫度在29.50～29.80 ℃左右，建筑周?chē)鷾囟冗_(dá)到30.00 ℃以上；種植草坪之后，種植灌木時(shí)，綠化區(qū)域周?chē)鷾囟让黠@下降，溫度在29.20 ℃左右，建筑周?chē)鷾囟冉档?，但B6 及B7 中庭區(qū)域溫度升高；種植喬木后，綠化區(qū)域溫度降至28.76 ℃以下.改善效果的排序?yàn)椋簡(jiǎn)棠荆竟嗄荆静萜?，相比灌木，喬木?duì)B1 及B11、B12 區(qū)域溫度改善明顯.但同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在綠化形式為灌木或喬木時(shí)，B1 北側(cè)及B7 中庭處會(huì)產(chǎn)生溫度升高的現(xiàn)象.

圖5 不同綠化形式下Z=1.5 m 水平切面處溫度云圖

圖6 不同綠化形式下Z=1.5 m 水平切面處風(fēng)速云圖

由圖6 可知：種植灌木喬木時(shí)，風(fēng)速明顯降低，無(wú)綠化時(shí)在B4、B8 附近有兩處風(fēng)速明顯超過(guò)5 m/s；而在種植灌木與喬木之后，1.5 m 水平切面風(fēng)速過(guò)高的兩處明顯得到改善，喬木效果最佳；但由于B1 東北側(cè)及B6、B7 周?chē)L(fēng)速的降低，致使中庭通風(fēng)減少，熱量積聚，顯然此處溫度升高是由于排熱不暢引起的.

由圖5 和圖6 可知，種植草坪與高大喬木結(jié)合效果最佳，可以降低室外空氣溫度，從而減小熱島效應(yīng)；但是綠化的種植需要謹(jǐn)慎規(guī)劃，尤其是在垂直風(fēng)向的通道處及靠近建筑中庭處，綠化規(guī)劃時(shí)，需要考慮其影響，或者采取其他方式解決其引發(fā)的中庭溫度過(guò)高的現(xiàn)象.

圖7 為 01-06T08：00 時(shí) Z=1.5 m 切面處溫度及風(fēng)速云圖.由于動(dòng)漫園區(qū)域種植多為落葉喬木、灌木，冬季大部分樹(shù)木落葉，此時(shí)，樹(shù)干對(duì)風(fēng)速的阻力雖不如樹(shù)冠明顯，但依然可以減小風(fēng)速，加之蒸騰作用可以忽略，冬季綠化處溫度依然較高，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)低溫度.所以，運(yùn)用常綠植物及落葉植物的合理搭配種植，對(duì)改善夏季熱島效應(yīng)是有效的方法，同時(shí)冬季也無(wú)須擔(dān)心出現(xiàn)局部溫度過(guò)低.

圖7 Z=1.5 m 水平切面處溫度及風(fēng)速云圖

2.2 水體對(duì)室外熱環(huán)境的影響

水體對(duì)其上方溫度場(chǎng)的影響如圖8 所示.圖8a 為設(shè)置水體后1.5 m 高度處水平切面的溫度云圖，水體上方1.5 m 水平切面空氣溫度為28.20～29.20 ℃；將水體改為鋪磚（見(jiàn)圖8b），空氣溫度為 29.50～29.80 ℃，溫度升高0.60～1.30 ℃，可以看出水體對(duì)空氣降溫改善效果顯著.

圖8 Z=1.5 m 切面處溫度云圖

將原來(lái)水體位置改為草坪，建筑B1 周?chē)渌G化區(qū)域改為小塊水體，設(shè)置后的示意如9 所示.

圖9 仿真區(qū)域示意

圖10 為X=-403 m（東南—西北）方向垂直切面處溫度云圖.從圖10 可以看出，綠化位于東南側(cè)時(shí)，由于綠化對(duì)風(fēng)場(chǎng)的削弱，建筑區(qū)域熱量無(wú)法及時(shí)排出，溫度較高，建筑西北方向綠化與水體的影響范圍較??；將水體移至B1 東南側(cè)后，水體西北側(cè)比東南側(cè)的溫度改善范圍更廣.這是由于風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，水蒸汽隨著空氣流動(dòng)向西北側(cè)遷移，蒸發(fā)使空氣降溫，建筑區(qū)域的局部高溫現(xiàn)象消失.

圖10 X=-403 m 垂直切面處溫度云圖

水體對(duì)室內(nèi)濕度的影響較大，且隨著水體與建筑物的距離增加，其對(duì)室內(nèi)相對(duì)濕度的影響減弱.當(dāng)水體離建筑物的距離在10～15 m 時(shí)，室內(nèi)相對(duì)濕度的增加量明顯減少；水體對(duì)建筑室內(nèi)空氣溫度影響不明顯.隨著室外來(lái)流速度的提高，水蒸汽與室外空氣混合程度提高，此外由于對(duì)流換熱和對(duì)流傳質(zhì)增加，室內(nèi)氣溫降低，室內(nèi)的相對(duì)濕度會(huì)下降；隨著水體面積的增大，室內(nèi)的相對(duì)濕度也相應(yīng)增大，室內(nèi)外濕度相關(guān)性非常密切[11].水體對(duì)1.5 m 水平切面空氣溫度有明顯的降溫作用，而且水體對(duì)風(fēng)向下游的位置影響范圍更廣；水體離建筑較近時(shí)，還對(duì)室內(nèi)濕度產(chǎn)生一定影響.

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值仿真方法，定量研究了綠化形式和水體對(duì)城市街區(qū)尺度下室外熱環(huán)境的影響，得到主要結(jié)論如下.

（1）綠化的改善效果：?jiǎn)棠荆竟嗄荆静萜?，種植草坪與高大喬木結(jié)合效果最佳，可以降低室外空氣溫度，從而減弱城市熱島效應(yīng).

（2）夏季，水體溫度在一天中變化較小，保持相對(duì)恒定，對(duì)空氣溫度的影響可高達(dá)20 m.其他下墊面對(duì)空氣溫度影響在10 m 左右，溫度水平布置差異最明顯.建筑的密集度會(huì)影響熱量的排出.在仿真中增設(shè)水體，1.5 m 水平切面空氣溫度降低0.60～1.30 ℃.

（3）仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差受到諸多因素影響，但從全年來(lái)看，相對(duì)誤差在0%≤δ≤15%區(qū)間內(nèi)所占比例90%以上，證明了本仿真方法是可行的和有效的，同時(shí)也保證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性.

（4）在小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，可合理規(guī)劃草坪、灌木以及喬木種植位置，建筑東南近壁側(cè)可布置草坪或低矮的灌木，道路兩側(cè)種植喬木，且不能過(guò)于密集，建筑西南及東北方向種植喬木.盡量將水體設(shè)置在建筑的夏季上游風(fēng)側(cè)，這樣在夏季降溫范圍更廣，在冬季可小幅提升建筑附近溫度.