城市住宅小區(qū)下墊面覆蓋對熱環(huán)境的影響*

史 兵（廣東工業(yè)大學華立學院城建學院，廣東 廣州 511325）

隨著城市化進程的飛速發(fā)展，人為干擾形成了城市內(nèi)不同結構類型的下墊面，影響了城市的風向、風速，外加交通排熱和建筑排熱等因素的影響，以及太陽輻射作用，城市熱環(huán)境問題越來越嚴峻。

下墊面既是城市的主體，也是城市生活的重要載體。不同的下墊面對不同氣候和環(huán)境的敏感度和適應性有所差異。城市下墊面主要包括：城市鋪地、植被、水體、建筑物鋪面材料等。在人為作用下，城市下墊面與郊區(qū)下墊面相比，具有很小的熱容率與很大的熱導率，這種差異導致城市整體升溫更快。因此，通過比較不同類型、不同情況下下墊面性能的優(yōu)劣，從定性和定量分析的角度，研究城市下墊面與城市熱環(huán)境的影響關系，營造舒適宜居的生態(tài)城市。

目前，國內(nèi)外針對下墊面的研究已經(jīng)取得一定的進展。D.TMihailovic等人[1-2]用等效、類比和數(shù)值模擬等方法詳細討論了建筑布局、植被、土地利用等對城市熱環(huán)境的影響，為城市熱環(huán)境的評估和改善奠定基礎。Tadahisa Katayama[3]對綠化小區(qū)的熱環(huán)境進行了實測。WeijunGao[4]測量評估樹木對人行道熱環(huán)境的影響，模擬分析綠地對城市熱環(huán)境的影響。Haruhisa Shudo[5]測量分析了土地利用和環(huán)境溫度之間的關系。Monsi和Saeki得出冠層中輻射指數(shù)衰減的概念[6]。文獻[7-9]通過對觀測點不同范圍內(nèi)建筑率和綠地率建立線性回歸關系，發(fā)現(xiàn)溫度與綠地率存在負相關關系，溫度與建筑率存在正相關關系，早上8:00和下午14:00線性相關關系不大，晚上20:00較顯著，綠地范圍太小時也不顯著。此外，楊偉和顧明[10]利用FLUENT中k-ε湍流模型對單體高層建筑的三維流動風場進行了數(shù)值模擬，模擬結果與風洞試驗結果做了比較，證實模擬方法的精確性。

本文將采用模型模擬的方法，合理選擇城市室外熱環(huán)境評價指標，分析不同的下墊面形式對城市小區(qū)熱環(huán)境的影響。首先，建立輻射模型，預測植被、水體等對太陽輻射的反射、吸收作用及換熱過程，利用k-ε方程建立三維冠層流動模擬體系，對城市下墊面建筑性能與城市熱環(huán)境的關系進行綜合性研究。

1 模擬過程

1.1 計算理論

1.1.1 流場數(shù)值模擬計算方法

近地大氣流動處于湍流流動狀態(tài)，本文研究城市住宅小區(qū)建筑布局、植被、水體、鋪面等規(guī)劃因子對局地大氣流動的影響，選用標準k-ε模型進行計算[11]。

其中，湍動耗散率ε為：

湍動黏度μt為k與ε的函數(shù)：

式中Cμ-待定經(jīng)驗常數(shù)（取0.09）

1.1.2 控制方程離散化方法

在運用CFD技術對計算域離散時，運用有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）進行離散，其中，壓力梯度項、擴散項選用中心差分格式，對流項選用二階迎風格式。

1.2 工況設計

本例小區(qū)共分有兩大不同的建筑設計，建筑長寬比分為2.0（建筑L=42m,B=21m）與3.0（L=63m,B=21m）兩種，建筑高度H分別為33m（外圍建筑11層）與45m（內(nèi)部建筑15層）。

本案例設置6種工況進行模擬計算，工況平面布置如圖1所示。其氣象條件參數(shù)的設置參考7月21日早上08:00、中午13:00和晚上18:00氣象站實測數(shù)據(jù)，具體參數(shù)設置見表1。

圖1 平面布局和采樣點布置圖

表1 模擬工況

2 結果分析

2.1 溫度場分析

提取1.5m高度處各采樣點不同時間溫度場數(shù)值模擬結果，將其統(tǒng)計值繪制成散點圖進行對比分析，如圖2所示。得知，在以植被為主導作用的工況1、3、5中，采樣點1、2、3、4溫度均稍有降低，5、6、7溫度略有升高，在此位置受植被蒸騰作用影響較小，且缺乏上部空氣流通；在以水體為主導作用的工況2、4、6中，中午13:00時刻太陽輻射最強，蒸發(fā)作用最強，傍晚18:00水面有一定的保溫性，散熱較慢，各采樣點在不同時刻的溫度規(guī)律為：早晨最低，中午最高，傍晚中等。整體上在水體占主導作用時溫度較植被占主導時均有所降低，約0.6℃。

圖2 不同時刻1.5m高度各采樣點溫度散點圖

提取1.5m高度處各采樣點不同時間濕度場數(shù)值模擬結果，將其統(tǒng)計值繪制成散點圖進行對比分析，如圖3所示。可知，在以植被為主導作用的工況1、3、5中，各時間點，采樣點5、6、7濕度沒有明顯變化，1、2、3、4點濕度逐漸升高；在以水體為主導作用的工況2、4、6中，各時刻在距離水體越近區(qū)域濕度越大；總體上，早上8:00時刻，相對濕度最大，中午13:00時刻在太陽輻射作用下水分蒸發(fā)較多，植被蒸騰作用最強烈，濕度最低，各時刻位于下風向的采樣點3、4、7處，在風向影響下較上風向濕度偏大。在水體占主導作用下濕度約高出7%。

圖3 不同時刻1.5m高度各采樣點相對濕度

3 結語

植被通過蒸騰作用改變局域的溫度、濕度狀況，進而影響住宅小區(qū)微氣候，而植被葉片在不同時刻不同環(huán)境下氣孔的開啟狀態(tài)有所差異，蒸騰作用就有所不同。由于不同時刻輻射作用的差異，葉片與空氣溫度有所不同，其蒸騰速率就有變化。同樣，由于不同時刻太陽輻射的不同，地面蒸發(fā)速率也相差較大，其對小區(qū)溫度、濕度都有一定程度的影響。