街區(qū)尺度下的建筑微氣候改善

李 旭，張 偉

（天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津 300384）

人類居住的建筑內(nèi)部、庭院及小區(qū)的氣候，在學(xué)術(shù)上稱為微氣候.微氣候和其他環(huán)境一樣，影響著人們生活的諸多方面.良好的微氣候不僅可以提高人們的生活品質(zhì)，也有助于實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排，低碳生活”的目標(biāo).但是隨著城市化的發(fā)展，建筑外惡劣的風(fēng)、熱環(huán)境卻越來越常見，嚴(yán)重影響了居民和行人的舒適感，因此改善建筑微氣候已經(jīng)變得刻不容緩.

美國(guó)的Golany[1]闡述了微氣候和氣候區(qū)的關(guān)聯(lián)，不同氣候區(qū)的城市形態(tài)以不同的程度和方式影響著微氣候；1986 年，Heisler[2]發(fā)現(xiàn)，建筑南向的高大樹木可以減少南墻80%的輻射，而落葉后減低為40%；2013 年，Vailshery 等[3]做了街道樹木對(duì)氣候和空氣污染的影響研究，比較了有樹木道路和沒有樹木路段，得出了有樹木的街道平均溫度、濕度和污染都較低的結(jié)論.

國(guó)內(nèi)對(duì)微氣候的研究起步較晚，研究?jī)?nèi)容主要包括城市內(nèi)部部分區(qū)域的微氣候、內(nèi)部氣候、不同氣候分區(qū)城市及近水區(qū)域的微氣候等.2006 年，李書嚴(yán)[4]采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬方法，研究了水體對(duì)微氣候的作用，肯定了水體對(duì)微氣候的調(diào)節(jié)作用；鄭子豪[5]的研究將密度、建筑高度和布局與三維模型結(jié)合，對(duì)城市規(guī)劃有指導(dǎo)意義；盛景四[6]采用CFD 數(shù)值仿真方法，研究了綠化和水體兩種墊面類型對(duì)室外熱環(huán)境的影響，得出夏季綠植中草坪、灌木、喬木的降溫效果依次增強(qiáng)，設(shè)置在建筑上游風(fēng)側(cè)的水體夏季可以擴(kuò)大其降溫范圍，冬季可小幅度提升建筑附近的空氣溫度.

綜上可以看出，影響建筑微氣候有諸多因素，因此在改善微氣候時(shí)，可從多個(gè)方面著手.本文參考盛景四論文[7]中的動(dòng)漫園模型，并在其研究的基礎(chǔ)上，探討了改善室外微氣候的有效途徑.以《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[8]（GB/T 50378—2014）作為微氣候的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使用CFD 方法對(duì)動(dòng)漫園的冬、夏季微氣候進(jìn)行數(shù)值模擬，定量分析現(xiàn)有規(guī)劃布局下建筑微氣候的特點(diǎn)及不利微氣候的形成機(jī)制，提出微氣候的優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)改善建筑微氣候的目的.

1 數(shù)值模型

本文中新天津生態(tài)城（SSTEC）動(dòng)漫園的總面積約為31.23 km2，選取動(dòng)漫園中規(guī)劃的區(qū)域作為改善微氣候的研究對(duì)象. 規(guī)劃區(qū)域（規(guī)劃 1、2、3、4 和北苑公寓）的面積約為3.6 km2（見圖1）. 夏季天津的主導(dǎo)風(fēng)向多為偏南風(fēng)，平均風(fēng)速為1.7 m/s；冬季的主導(dǎo)風(fēng)向多為偏北風(fēng)，平均風(fēng)速為2.9 m/s. 動(dòng)漫園的計(jì)算區(qū)域尺寸為2 000 m×2 000 m×120 m 的長(zhǎng)方體，使用SOLIDWORKS 建立三維模型.

圖1 動(dòng)漫園規(guī)劃區(qū)分布圖

1.1 熱平衡模型

熱平衡模型體系由固體表面熱平衡模型、地表導(dǎo)熱模型、建筑表面導(dǎo)熱模型組成.固體表面模型包括下墊面和建筑表面，該模型的任意網(wǎng)格應(yīng)滿足熱平衡關(guān)系，如下

式中：Si為網(wǎng)格i 吸收的太陽(yáng)短波輻射項(xiàng)；Ri為長(zhǎng)波輻射項(xiàng)；Hi為交界面網(wǎng)格對(duì)流換熱項(xiàng)；Ci為固體表面網(wǎng)格i 導(dǎo)熱項(xiàng)；Li為網(wǎng)格i 與周圍環(huán)境的潛熱換熱項(xiàng).

太陽(yáng)短波輻射項(xiàng)Si由太陽(yáng)輻射、天空散射輻射和周邊環(huán)境反射的太陽(yáng)輻射組成，表達(dá)式如下

式中：αi為網(wǎng)格i 的太陽(yáng)短波輻射吸收率；EDi為網(wǎng)格i接收的太陽(yáng)直接輻射；ESi為網(wǎng)格i 接收的太陽(yáng)散射輻射；Bji為網(wǎng)格i 對(duì)周邊網(wǎng)格j 反射的太陽(yáng)輻射的吸收因子；αj為網(wǎng)格 j 的太陽(yáng)短波輻射吸收率；EDj為網(wǎng)格 j 接收的太陽(yáng)直接輻射；ESj為網(wǎng)格j 接收的太陽(yáng)散射輻射.

長(zhǎng)波輻射項(xiàng)Ri的計(jì)算式如下

式中：Bji為吉爾勃特吸收因子；Tj為網(wǎng)格 j 溫度；Ti為網(wǎng)格i 溫度.

對(duì)流換熱項(xiàng)Hi的計(jì)算式如下

式中：αc為流體與交界面的對(duì)流傳熱系數(shù)；Tai為固體壁面附近的空氣溫度.

地表導(dǎo)熱模型的基本方程

邊界條件

式中：T 為距地表 z 處的溫度；λ 為地表導(dǎo)熱系數(shù)；ρ 為地表密度；c 為地表材料比熱容；z 為距地面高度，方向?yàn)榇怪毕聣|面向上，其中z=0 表示下墊面表面；Ta為室外空氣干球溫度；QNS為地表的太陽(yáng)輻射凈得熱量；Q1a為地表與周圍環(huán)境之間的長(zhǎng)波凈輻射量；Ts為地表深度2 m 以下設(shè)定的恒定溫度（288 K）.

建筑表面導(dǎo)熱模型的基本方程為

邊界條件

式中：T 為距建筑表面x 處的溫度；Tset為設(shè)定空調(diào)溫度；Q′NS為建筑外表面的太陽(yáng)輻射凈得熱量；Q′NL為建筑外表面對(duì)天空、植物冠層、地表以及建筑之間的凈長(zhǎng)波輻射；λ、ρ、c 分別為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容；d 為建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度；αci為內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)；αco為外表面對(duì)流換熱系數(shù).

1.2 空氣流動(dòng)模型

基本控制方程如下

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

能量方程

式中：cp為定壓比熱容；T 為溫度；k 為流體的傳熱系數(shù)；ST為黏性耗散項(xiàng).

考慮到動(dòng)漫園區(qū)計(jì)算域足夠大，沒有大分離回流等問題，因此選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型.

1.3 植物模型

樹木如果完全按照實(shí)際建模，模型不僅復(fù)雜而且計(jì)算量巨大，所以本次模擬采用簡(jiǎn)化樹木模型方法建模.Green[9]風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在各種簡(jiǎn)化的樹冠形狀中，長(zhǎng)方體與實(shí)際情況最符合.簡(jiǎn)化模型不僅能加快復(fù)雜模型的建模速度，還能縮短計(jì)算迭代時(shí)間.因此，把樹木的幾何形狀簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，樹木的參數(shù)設(shè)置見表1.

表1 樹木參數(shù)設(shè)置

1.4 邊界條件設(shè)置

Fluent 入口邊界條件設(shè)置為速度入口邊界條件，是通過Fluent 內(nèi)置的UDF 編程給定，采用指數(shù)冪法則[10]

下墊面邊界條件設(shè)置為固定溫度，同時(shí)將下墊面設(shè)置為無滑移壁面邊界條件.計(jì)算域頂面和兩側(cè)面邊界條件設(shè)置為對(duì)稱邊界條件. 該模型的計(jì)算域足夠大，空氣流態(tài)屬于出口完全發(fā)展段，因此出口邊界條件設(shè)置為自由出流邊界條件.

流體區(qū)域設(shè)置為黏性、不可壓縮、低速湍流的空氣，所以本模型選擇基于壓力的求解器，同時(shí)結(jié)合SIMPLE算法適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，模擬計(jì)算時(shí)選用SIMPLE 算法.

2 模擬結(jié)果及討論

《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378—2014）[8]中規(guī)定，建筑物周圍人行區(qū)風(fēng)速應(yīng)低于5 m/s，以此做為建筑外風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).評(píng)價(jià)微氣候時(shí)，是選取距地面1.5 m 高度的人行高度剖面為研究面，研究分析該平面上的溫度、風(fēng)速分布.當(dāng)風(fēng)速低于5 m/s 時(shí)，即認(rèn)定為風(fēng)環(huán)境良好，而對(duì)于建筑外的熱環(huán)境沒有具體的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，出于人體舒適性的考慮，應(yīng)盡可能地減少夏季高溫情況的出現(xiàn).

2.1 室外熱/風(fēng)環(huán)境模擬分析

圖2 為動(dòng)漫園區(qū)的溫度和風(fēng)速云圖，從圖2a 可以看出，夏季動(dòng)漫園中的4 個(gè)規(guī)劃區(qū)和北園公寓均出現(xiàn)高溫情況，其中最高溫度（28.6 ℃）出現(xiàn)在規(guī)劃3 中庭內(nèi)部，最低溫度（26.2 ℃）則分布在水體區(qū)域. 總體來看，高溫區(qū)域多集中在建筑的背面和建筑的內(nèi)墻角處.從圖2b 可以看出，夏季風(fēng)速最高為2.9 m/s，滿足人體舒適性，符合綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定.圖2c 中，冬季動(dòng)漫園區(qū)內(nèi)的風(fēng)速較高，且多集中在街道處、主導(dǎo)風(fēng)向上建筑群的入口、建筑拐角以及間距較小的建筑山墻之間，其中最大風(fēng)速超過了5 m/s.

圖2 動(dòng)漫園規(guī)劃區(qū)夏、冬季溫度和風(fēng)速云圖

圖3 為規(guī)劃1 的溫度和風(fēng)速云圖，從圖3a 可知，夏季規(guī)劃1 的高溫區(qū)分布在主導(dǎo)風(fēng)向上建筑的入口及建筑背部，根據(jù)建筑的布置，不難分析出是由建筑圍合度較高所致，雖然在來流方向上有一定的開口（A），但是氣流還是被西北向的建筑阻擋，熱量無法及時(shí)散發(fā)出去，于是局部出現(xiàn)了27.48 ℃的高溫.冬季風(fēng)速如圖 3b 所示，規(guī)劃 1 共出現(xiàn)了 A 區(qū)域（4.7 m/s）、B區(qū)域（5.1 m/s）和 C 區(qū)域（5.9 m/s）3 個(gè)高風(fēng)速區(qū). A 區(qū)域和C 區(qū)域是因?yàn)轱L(fēng)經(jīng)過狹窄的山墻，使得局部風(fēng)速增大，形成了所謂的“漏斗風(fēng)效應(yīng)”，B 區(qū)域是由于角流風(fēng)作用.“L”型和“F”型建筑由于自身結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生回流和局部低壓，不利于熱量和污染物的排放.其東南側(cè)也沒有遮擋，勢(shì)必會(huì)有冷風(fēng)的侵入，加重冬季惡劣的風(fēng)環(huán)境.

圖3 規(guī)劃1 溫度和風(fēng)速云圖

圖4 是規(guī)劃2 和規(guī)劃4 的溫度和風(fēng)速云圖，規(guī)劃2 屬于典型的散點(diǎn)式建筑布局，其內(nèi)部氣流通暢，夏季不會(huì)造成熱量的集聚，從圖4a 中就可以得到驗(yàn)證，整體溫度較低于其他區(qū)域.規(guī)劃4 被規(guī)劃2 半包圍，中間有兩棟呈“E”字型的半圍合式建筑，自身會(huì)對(duì)來流有阻擋，從圖4a 可以看出，在該兩棟建筑的內(nèi)墻角處出現(xiàn)了27.44 ℃的高溫.在圖4b 中，冬季的規(guī)劃2 和規(guī)劃4 出現(xiàn)了A、B、C 三個(gè)高風(fēng)區(qū)，A 區(qū)域?qū)τ诙局鲗?dǎo)風(fēng)向上的來流是完全敞開的，會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)高速風(fēng)帶，最高風(fēng)速達(dá)到了4.8 m/s.B 區(qū)域中兩側(cè)的建筑圍成了一個(gè)漸縮的開口三角形，然而這樣的建筑布置會(huì)在B 區(qū)域出現(xiàn)“漏斗風(fēng)效應(yīng)”，該區(qū)域最高的風(fēng)速達(dá)到了4.6 m/s. C 區(qū)域中前后的建筑垂直于來流風(fēng)，在一定程度上阻礙了高速氣流，但由于兩棟建筑錯(cuò)開排布，依舊會(huì)形成局部高風(fēng)速區(qū).

圖4 規(guī)劃2、規(guī)劃4 溫度和風(fēng)速云圖

圖5 是規(guī)劃3 的溫度和風(fēng)速云圖，從圖5 中可以看出，規(guī)劃3 內(nèi)部是分布較散的圍合式建筑，正是因?yàn)檫@種特殊的組合形式，造成了建筑內(nèi)部溫度較高，而建筑外部溫度較低的情況.夏季熱量容易集聚在圍合式建筑中庭內(nèi)部，且由于建筑本身高度限制和來流風(fēng)速小，中庭的上下壓差很小，“煙囪效應(yīng)”不明顯，所以建筑內(nèi)部溫度較高，而分散式的建筑布置保證了建筑之間良好的通風(fēng)效果，熱量不會(huì)集聚于此，所以建筑外部溫度只有26.77 ℃.分散式建筑布置有利于通風(fēng)，在冬季平均風(fēng)速高于夏季平均風(fēng)速的基礎(chǔ)上，在冬季會(huì)出現(xiàn)風(fēng)速較高的情況，如圖5b 所示，在七棟建筑中間的空曠地帶，風(fēng)速達(dá)到4.2 m/s.規(guī)劃3 的北側(cè)沒有遮擋物，因此出現(xiàn)了超過5 m/s 的高速氣流區(qū).

圖5 規(guī)劃3 溫度和風(fēng)速云圖

圖6 北苑公寓溫度和風(fēng)速云圖

圖6 是北苑公寓的溫度和風(fēng)速云圖，觀察圖6a，北苑公寓的C 建筑垂直于來流風(fēng)向，背風(fēng)面出現(xiàn)了局部26.7 ℃的高溫，A 和C 建筑之間形成了一個(gè)局部低溫區(qū)域，這是因?yàn)闅饬鲝闹鲗?dǎo)方向上的AC 入口處進(jìn)入，經(jīng)過C 建筑時(shí)，大部分流向AB 建筑之間，經(jīng)過A和B 兩建筑減縮通道后，氣流會(huì)再次加速，從入口AC處到出口AB 處的流道上都是高風(fēng)速區(qū)，加上地面是草坪，于是就形成了一個(gè)局部低溫區(qū)域.從圖6b 中可以看出，冬季公寓東南角A、B 兩棟建筑之間的區(qū)域出現(xiàn)了局部高速氣流，A 區(qū)域的氣流主要從左側(cè)而來，A、B 建筑的開口較小，有利于冬季防風(fēng)，但A、B 建筑間距較小，會(huì)形成局部高速氣流，應(yīng)加大A、C 兩建筑的間距.北苑公寓的其他區(qū)域風(fēng)速均沒有超過5 m/s，可見公寓的冬季防風(fēng)效果良好.

2.2 優(yōu)化方案下的室外熱/風(fēng)環(huán)境分析

由上一節(jié)中的模擬分析可知，影響建筑微氣候的因素主要有三個(gè)：下墊面類型（綠化和水體）、建筑布置和建筑結(jié)構(gòu).無論在建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃的初期，還是在規(guī)劃建筑完成的后期，上述的三個(gè)方面在設(shè)計(jì)或改善良好的建筑微氣候中具有舉足輕重的作用.首先，下墊面類型中的綠化具有遮陽(yáng)、蒸發(fā)蒸騰、氣流拖拽及導(dǎo)流的作用，夏季在主導(dǎo)風(fēng)向上種植樹木并在樹下種植草坪，可最大化地發(fā)揮其作用；冬季抵御寒風(fēng)，改善風(fēng)環(huán)境的主要方法就是在主導(dǎo)風(fēng)向上種植灌木.大面積的水體可以加速水體蒸發(fā)帶走熱量.建筑布置要考慮建筑群的圍合度和錯(cuò)落度，同時(shí)根據(jù)各季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向（特別是冬夏季），進(jìn)行合理的圍合度和錯(cuò)落的設(shè)置.建筑布置對(duì)通風(fēng)、散熱、排污起著至關(guān)重要的作用.改變建筑結(jié)構(gòu)，即避免出現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)或圍合度較高的建筑，可以在一定程度上增加空氣的流動(dòng)性. 基于此，本文針對(duì)上述規(guī)劃區(qū)微氣候所存在的問題，提出了改善建筑風(fēng)熱環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并依此對(duì)建筑微氣候的改善效果進(jìn)行評(píng)估分析.

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)策略，制定出了改善建筑微氣候優(yōu)化方案（見圖7）.①在規(guī)劃1 中，調(diào)整建筑A 的布局，把A 建筑分為獨(dú)立的2 棟A1、A2 建筑，增大其間的間距，形成夏季主導(dǎo)風(fēng)的通風(fēng)廊道并將B 建筑的開口上移，優(yōu)化“L”型結(jié)構(gòu)，改為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu).同時(shí)在東南側(cè)種植高大樹木.②在規(guī)劃2 中，在北側(cè)再增加一棟建筑，在北側(cè)、西側(cè)以及其他空地種植高大樹木.③增大北苑公寓中C、D 建筑之間的間距，即改變建筑間的角度和距離來增強(qiáng)內(nèi)部氣流流動(dòng).西南方的草地有空余，將路邊的樹木綠化延伸到該區(qū)域，增加樹木種植面積.④在規(guī)劃3 中間的空曠地帶設(shè)置水體.具體優(yōu)化細(xì)節(jié)見圖7b，圖中紅色部分是道路，綠色的是樹木，藍(lán)色的是水體.

圖8 是優(yōu)化方案后的夏季溫度云圖，從圖中可以看出優(yōu)化方案明顯改善了動(dòng)漫園的熱環(huán)境，其整體溫度有了大幅度下降，其中規(guī)劃1 的降溫最為明顯，首排建筑背后的高溫區(qū)減小，平均溫度為26.7 ℃.規(guī)劃3中因?yàn)樵黾恿怂w，周邊溫度降低了0.3 ℃.其他區(qū)域的高溫區(qū)也得到了不同程度的改善.

圖7 原規(guī)劃及優(yōu)化方案設(shè)計(jì)圖

圖8 優(yōu)化方案夏季溫度云圖

優(yōu)化方案的冬季效果如圖9 所示，冬季動(dòng)漫園區(qū)內(nèi)的整體風(fēng)速減弱. 在各街道處，高風(fēng)速區(qū)減少了60%以上，在小區(qū)四周（主要是西北側(cè)）種植高大樹木有效阻擋了冷風(fēng)侵入.對(duì)于規(guī)劃1，空曠區(qū)域的高速氣流區(qū)消失，異形建筑區(qū)域改進(jìn)后，空氣流通能力加強(qiáng)，出現(xiàn)局部強(qiáng)風(fēng)；對(duì)于規(guī)劃2，種植的植被減弱了氣流的匯集，其內(nèi)部高速風(fēng)區(qū)域風(fēng)速降至1.87 m/s，角流風(fēng)現(xiàn)象消失，風(fēng)速均在5 m/s 以下；對(duì)于規(guī)劃3，局部高速氣流消失，空曠地帶的風(fēng)速由之前的4.2 m/s 降低到3.7 m/s；對(duì)于北苑公寓，原C、D 建筑之間的高速氣流區(qū)減小，風(fēng)速降到了3.7 m/s；對(duì)于規(guī)劃4，其中“E”型建筑的局部漩渦消失，局部高速氣流區(qū)風(fēng)速降低至1.87 m/s，角流風(fēng)現(xiàn)象消失.另外需要注意，冬季的風(fēng)速很高，局部微小的不合理的調(diào)整可能就會(huì)讓風(fēng)速超過5 m/s，因此在對(duì)冬季風(fēng)環(huán)境改善時(shí)提出了更高的要求.

圖9 優(yōu)化方案冬季風(fēng)速云圖

3 結(jié) 論

本文采用CFD 仿真方法對(duì)動(dòng)漫園規(guī)劃區(qū)的微氣候進(jìn)行了模擬分析，針對(duì)建筑布置、建筑結(jié)構(gòu)以及下墊面等因素，設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案都相應(yīng)地對(duì)建筑布置及建筑結(jié)構(gòu)做出了調(diào)整，并增加了綠化和水體來改善建筑微氣候，改善的效果可以從優(yōu)化后的模擬結(jié)果圖得到驗(yàn)證.經(jīng)過優(yōu)化方案的調(diào)整，冬季規(guī)劃區(qū)的風(fēng)環(huán)境得到了顯著的改善，風(fēng)速均調(diào)整到了5 m/s 以下，而且夏季規(guī)劃區(qū)的高溫情況明顯改善. 至此，根據(jù)上述對(duì)微氣候改善策略的研究，得出普遍適用性結(jié)論如下：

（1）在建筑布置方面，不同的建筑圍合度會(huì)對(duì)其間氣流的流通產(chǎn)生相應(yīng)程度的影響.在夏季，較高的建筑圍合度容易造成熱量，同時(shí)也不利于污染物的排放.所以在設(shè)計(jì)初期，理應(yīng)遵循較低建筑圍合度的原則.

（2）在建筑結(jié)構(gòu)方面，異形建筑由于自身的特點(diǎn)會(huì)存在很多拐角，而氣流掠過建筑時(shí)，會(huì)在建筑的拐角出現(xiàn)漩渦，也不利于散熱和排污.因此，減少使用異形建筑結(jié)構(gòu)，可降低其對(duì)微氣候的不良影響.

（3）在下墊面類型方面，結(jié)合建筑的布置，在其周圍合理地安排綠化和水體既可以減少冬季冷風(fēng)的侵入量，又可以減少夏季高溫區(qū)的出現(xiàn).所以，在建筑規(guī)劃初期或者后期優(yōu)化時(shí)，合理安排綠化和水體也是一種提高微氣候質(zhì)量的有效方法.