（市政工程专业论文）山地城市建筑群微气候的测试与评价.pdf

中文摘要 摘要 山地城市建筑群微气候的研究对提高居民生活环境质量，节约建筑能耗，实 现生态城市建设有重要的意义。自然通风在改善建筑群微气候环境方面具有至关 重要和不可替代的作用，获得良好的自然通风是改善居住环境舒适度的重要手段 之一。许多山地城市的建设模式沿用北方平原城市建设模式的较多，而忽略了山 地城市无法克服的复杂的山地垂直地形地貌，冬冷夏热，湿度大，静风率高是山 地城市的主要气候特征。 基于c f d 技术的研究成果，使山地城市的建筑群微气候的研究从以往的定性 分析进入到定量分析。由于室外温度所受的影响因素较复杂，且室外边界条件的 确定也很难具有客观性，采用c f d 技术多对室外风场进行研究比较。有实验表明 在建筑面积一定的条件下，改变建筑形状( 长度、宽度、高度及组合排列) 对建筑 群温度环境的影响并不大。因此本课题模拟对比的是山地城市建筑群不同的布局、 形式、间距对风环境的影响，但由于温度、湿度和空气流动是相互影响相互作用 的，所以对风环境的模拟在很大程度上能客观得反映其建筑群微气候状况。 首先，通过对比分析，确定了采用数值模拟方法研究室外热环境的优势，分 析并整理几种用于室外热环境模拟的数学模型，并给出p h o e n i c s 用于室外热环 境模拟的基础方程、算法及求解方式。 其次，通过对重庆大学b 区校园片区建筑群进行夏季的微气候实测，得到了 夏季校园东村住宅区建筑群的温湿度场及风场一般分布情况并分析了区域内不 同下垫面( 草地、泥地、混凝土) 对微气候的影响。 第三，对沙坪坝学林雅园小区的四个区域的建筑群进行了微气候实测，从温湿 度场、风场、建筑阴影等方面分析了小区内各种建筑模式和布局对小区微气候的 影响。其次对不同下垫面的表面温度变化进行了实测对比，总结出不同下垫面( 水 体、草地、泥地、木板、混凝土、地砖) 的热工特性。 最后，用计算机模拟对比了夏季北方地区的建筑小区在重庆地区气候条件下 微气候状况，从建筑气候学的角度分析其利弊，模拟了重庆地区夏季建筑群室外 风环境情况，并比较了不同的建筑布局、建筑形式以及间距对风环境的影响，提出 了有利于优化建筑群微气候的规划布局的合理建议。 关键词：山地城市，建筑群微气候，c f d 模拟，建筑布局 英文摘要 a b s t r a c t i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h er e s e a r c ho f t h em i c r oc l i m a t ei nm o u n t a i nc i t i e st o i m p r o v et h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t i e s ，s a v et h eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e a l i z e t h ee e o - e i l i e s n 地f u n c t i o no fn a t u r a lv e n t i l a t i o ni nt h ei m p r o v e m e n to ft h eb u i l d i n g s m i c r oc l i i n a t ei ss i g n i f i c a n ti m p o r t a n c ea n dc a nn e q e l rb et a k e np l a c e , a n dg e t t i n gt h e n i c ev e n t i l a t i o ni so n eo ft h ef a v o r a b l em e t h o d st ob e t t e rt h er e s i d e n t i a le n v i r o n m e n t m o s to ft l a ee o n s m | c t i o nm o d e si nt h em o u n t a i nc i t i e sf o l l o wt h a to ft h ep l a i nc i t i e si n n o r t hw h i c hn e g l e c tt h es p e c i a ll a n d f o r mo ft h em o u n t a i nc i t i e sw h i c hi sc o m p l e xa n d v e r t i c a la n db e y o n dc o n t r 0 1 1 1 砖m a i nc l i m a t ec h a l l t c l 贸o fm o u n t a i nc i t i e si sh o t s u m m e r , c o l dw i n t e r , l a r g eh u m i d i t ya n dl o ww i n dv e l o c i t y t h i st h e s i sa i m sa tt h em i c r oc l i m a t eo f b u i l d i n gg r o u pi nc h o n g q i n gw h i c hi so l l e o ft h et y p i c a lm o u n t a i nc i t i e s , a n a l y z e st h ec h a r a c t e r so ft h em i c r oc l i m a t c e t h ef l o w f i e l do f o n eo f t h er e s i d e n t i a ld i s t r i c t sb o t hi nt h em o u n t a i nc i t i e sa n di nt h ep l a i nc i t i e s i sc o m p a r 既la n da n a l o g i z e db yl n c a n so fa c t u a lm e a s u r e m e n ta n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n f o r mt h ea n g l eo fo p t i m i z i n gt h et h e r m a le n v i r o n m e n t , t h i st h e s i sf r i e st ol o o kf o rt h e s u i t a b l es t r a t e g i e sf o rl a y i n go u tb u i l d i n g s t h ee x p e r i m e n t sa 糟t a k e nt h r o u g ht h em e t h o d so ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya u t o r e c o r d i n g 妇e n t s ，m a n u a ls t a t i o n i n ga n dm o b i l em e a s u r e m e n t , b e c a u s eo f t l a el a r g e s c a l eo ft h em i c r oc l i m a t ei nm o u n t a i nc i t i e sa n dn 1 t n 3 e l , l o l l si n f l u e n c i n gf a c t o r s ，t h e w o r k l o a do fa c t u a lm e a s u r e m e n ti sh e a v ya n dt h es i m u l a t i o ni sd i m e u l t t h e r e f o r e ， r e s e a r c h e so nt h em i c r oc l i l l l l a t ei nm o u n t a i nc i t i e s 黜s t i l la d o p t i n gt h eq u a l i t a t i v e a n a l y s i sa tp r e s e n t f i r s t l y , t h ea d v a n t a g e so fa d o p t i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h er e s e a r c ho ft h e t h e r m a le n v i r o n m e n ta r ec o n f i r m e d s o m ek i n d so fm a t h e m a t i c a lm o d e l si no u t d o o r t h e r m a le n v i r o n m e n t 躺a n a l y z e da n dp a c k e du p b e s i d e s ，t h ef u n d a m e n t a le q u a t i o n s ， a l g o r i t h m sa n ds o l u t i o np r o c e d u r e st h a ta 圮u s e di np h o e n i c sa 地g i v e n s e c o n d l y , t h ed i s t r i b u t i o no ft h eh u m i d i t yf i e l da n dw i n df i e l do ft h eb u i l d i n g g r o u pw l a i e h i sl o c a t e di nc h o n g q i n gu n i v e r s i t yi s g o tb ya c t u a lm e a s u r e m e n ti n s t m l l n e t t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tk i n d so fu n d e r l y i n gs u r f a c et h a ta w a t e r , 霉翟s ，s o i x , c o n c r e t e b r i c ka n dp l a s t i cg r o u n do nt h em i c r oc l i m a t e 瓣c o m p a r e di nt h i st h e s i s t h i r d l y , t h ea c t u a lm e a s u r e m e n ti st a k e na 【f o u rd i f f e r e n ts i t e si nx u e l i nr e s i d e n t i a l d i s t r i c t t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nm o d e sa n dl a y o u tt ot h em i c r oc l i m a t e i 重庆大学硕士学位论文 f r o mt h ea s p e c t so ft e m p e r a t u r ef i e l d , h u m i d i t yf i e l d , w i n df i e l d , b u i l d i n gs h a d o wi s a n a l y z e di nt h i st h e s i s f i n a l l y , t h em i c r oc l i m a t ec o n d i t i o n si n t h er e p r e s e n t a t i v es u n u l l f f t - d a y sa l e s i m u l a t e db yc o m p u t e r a n dt h ec o l m n o n n e s sa n ds p e c i a l t i e so ft h em i c r oc l i m a t eo f b u i l d i n gg r o u pi nd i f f e r e n tc o n s u u c t i o nm o d e sa n dl a y o u ta a n a l o g z e a l ，s o m ep r o p e r s u g g e s t i o n sa r ep r o p o s e di no r d e r t oi m p r o v et h et h e r m a le n v i r o n m e n t f u r t h e r m o r e ，t h e m i c r oc l i m a t eo fb u i l d i n gg r o u pi nn o r t ha n ds o u t ha r cs i m u l a t e d t h ef l o wf i e l d sa r e s i m u l a t e ds oa st os 衄i 帕t h ec o n s t n t c t i o nd e s i g na n dl a y o u ts w a t e g i e sw h i c hc a n o p t i m i z et h em i c r oc l i m a t e si nm o u n t a i n c i t i e s k e y w o r d s ：m o u n t a i nc i t y , m i c r oc l i m a t eo fb u i l d i n gg r o u p , c f ds i m u l a t i o n , c o n s l x u e f i o nl a y o u t , p h o e n i c s i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王余秒签字日期：妒7 年，月22 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庭太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述个括号内打“”) 学位论文作者签名：王兮呐 导师签名：尹帮 签字日期：御年，月z l 日签字日期：渺7 年，月1 ，。日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出 我国正处在全面建设小康社会的进程中，居民消费结构逐步升级，城市化步 伐加快，资源需求持续增加，资源供需矛盾和环境压力越来越大，解决这些问题 的根本出路在于节约资源、减少能耗。一个地区的建筑群微气候是在许多因素综 合作用下形成的。与建筑群密切有关的气候要素有：太阳辐射、气温、湿度、风、 降水( 雪) 等等，微气候所引起的霜冻效应、城市热岛效应、小区风场、永久日影区 等问题正逐步被人们所重视l l j 国外发达地区作规划设计之前，通常要利用模型试验和数值计算( c f d 模拟 技术) 的手段来利用自然能源改善区域空气环境，而不是仅仅依靠陈旧的定性原 则来设计。出于对环境污染的关心以及对人类可能已经开始使大气参数出现不可 逆转趋势的担心，激励着人们加强对城市气候规律的研究，美国和日本结合不同 的地理环境，试图研制城镇地区热环境的物理模式和数学模式，虽然还仅仅处于 初期阶段，但有可能把问题从纯经验的范围上升为对物理机制的预报。 d t m i h a i l o v i c 等人用等效、类比和数值模拟等方法详细讨论了人为散热、植 被、土地利用、建筑群分布、街道布局等对城市热环境的影响，为城市热环境的 评价和预测奠定了初步的基础。研究报告中认为，根据人为散热、植被、土地利 用、建筑群分布、街道布局等对城市热环境和空气质量的影响关系，通过合理的 城市规划和建筑设计，可以对城市建筑群微热环境的改善起到很好的作用。 从上个世纪8 0 年代开始，我国城市化进程加快，城市规模扩大，城市建筑群 微气候受城市发展的影响越加明显，国内学者开始多方面( 温度、湿度、建筑风 场、建筑密度、降水及能见度、城市人口、城市规划等对建筑群微气候影响及调 节等) 进行研究，但是由于城市热环境的区域性与多变性，研究中还存在一些根 本性、基础性问题尚未解决。特别是我国有一半的城镇位于山区，对山地城镇的 热环境和空气质量研究甚少，对山地城镇特别是三峡库区的移民搬迁和山地新城 开发的规划和可持续性发展缺乏指导性和预见性1 2 。如何利用现代的科学技术，刨 造合理的自然环境，充分利用自然资源，改善人居环境质量，引导城市建设走向 可持续发展之路的重要性日益显现。 本课题的研究的对象为重庆的几个具有代表性的建筑群，依靠现代测试技术 和计算机模拟技术，结合城市发展的各方面数据( 气象、能耗、大气质量等) 和 下垫面状况( 山坡、水体、绿地、地面) ，定量地分析山地城市建筑群微气候与该 城市独特的地理状况的关系，建立山地城市建筑群微气候的测试和评价模型，从 重庆大学硕士学位论文 而为山地城市建筑群的规划、建筑设计提供较为全面和客观的信息服务和技术支 持。这样不但对山地城市建筑群微热环境的改善和空气质量的提高具有重要的意 义，而且可以指导山地城市规划及其功能小区规划的优化。这是人居环境的可持 续发展和城市规划设计管理的关键技术之一，并具有广阔的应用前景。 1 2 热环境研究的发展 早在1 8 1 8 年，英国的l u k eh o w a r d ( 著有伦敦气候) 对伦敦城区和郊区的 气温进行对比观测，发现城区气温比其郊区气温为高，从而提出“城市热岛”的 概念。从此以后，热环境研究历史中已有很大的成绩，其研究发展史可概括为三 个阶段： 1 2 1 第一阶段( 静态研究期) 研究工作仅仅是以特定的城市为对象，以城市内、外几个有代表性的观测点 的观测数据为代表，比较城市内、外的温度变化，观测范围受到限制，且处于静 态观测。仅研究热岛的一个因素，逐月、逐季、逐年的温度变或累计雾日数，而 没有将城市热环境的各因素综合分析考虑，更没有和建筑、规划相联系。由于气 候的多变性，无法绘制出城市温度场的分布图。 1 2 2 第二阶段( 动态研究期) 始于1 9 2 7 年w s c h m i d t 等人利用汽车对城市温度场工作动态观测，之后加拿 大、日本等许多国家都曾利用这一方法对城市的热岛现状做了观测。世界上第一 部关于城市气候的通论性专著是1 9 3 7 年e a 勋纰财发表的城市气候一书，该 书全面的总结了2 0 世纪3 0 年代以前研究工作者的工作1 9 5 6 年e a k r a t z e r 对此 书进行修订，进一步吸收了3 0 年代后期及4 0 年代的研究成果 3 1 。在此研究阶段仍 是以观测为主，对单一的气候指标进行观测研究，虽然对城市温度场进行了动态 观测，可仍没有和城市规划相结合。 1 2 3 第三阶段( 新技术和新方法研究期) 始于2 0 世纪5 0 年代，不仅采用了大量新技术新方法( 卫星遥感，航空测量， 计算机模拟，数学建模分析，风洞实验等) 而且把热环境与城市布局和城市设计 想联系，还从多方面考虑城市热环境，如降水、风场、太阳辐射等。具体事件有： 1 9 5 1 年，a s o u n d b o r g 首先用统计模型对城市温度场进行分析，并给出一 系列经验公式。 4 1 1 9 5 4 年，f a d u c k w o r t h 等人首先对城市热环境进行三维研究，观测了城 市热岛水平和垂直梯度分布。p 1 1 9 6 1 年，s a c h a n g n o n 观测了芝加哥城对城市降水分布的影响。 1 9 6 8 年，r d b e b s t e i n 对纽约上空5 0 0 米以下的城市热岛做了飞行测量。 2 1 绪论 在布鲁塞尔召开第一次国际性“城市气候和建筑气候学研讨会_ 后，拟定大城市气 象观测试验计划”。 1 9 6 9 年，l o m y r u p 提出了城市热岛的数值模型网，m h h a l s t e a d 开创利 用计算机对城市微气候进行模拟分析。f m v a k o v i c k 从理论上分析了大气稳定性 和平均风速对城市热岛环流的影响。j f c l a r k 研究了城市烟柱模型【，1 ，i c y o s h i o 对 大气环流的动力学特征进行分析，提出城市大气环流的动力学统计模型并对结果 进行数值模拟闱。 1 9 7 1 年，m a a t w a t e r 分析了城市污染环境下太阳辐射的收支平衡关系， 给出了城市混合高度的预测模型，并应用于纽约市的热岛研究。嘲 1 9 7 2 年，t i l o k e 对加拿大的某区运用汽车进行动态测量，分析城市热岛 与城市规模之间的关系。d l l e a h e y 给出了城市混和边界层高度的预测模型，并 用于纽约市的热岛研究。m 1 9 7 7 年，m a a t w a t e r 利用欧拉静力学模型，研究了城市化对城市热岛的 影响【l l 】 上述这些工作对城市热环境研究走向起着十分重要的贡献，第三阶段被认为 是热环境研究真正的开端。 1 3 国内外研究现状及成果 随着改革开发的发展，我国城市化进程加快，城市规模扩大，城市建筑群微 气候受城市发展的影响越加明显，国内学者开始多方面( 温度、湿度、建筑风场、 建筑密度、降水及能降度、城市人口、城市规划等对建筑群微气候影响及调节等) 进行研究，大量有关文献发表，同时国外普及的研究技术和方法在国内也较好的 应用。 1 3 1 建筑自然通风与建筑群微气候 自然通风在改善建筑群微气候环境方面具有至关重要和不可替代的作用。随 着文明的进步，人们对住房的功能要求从基本的防卫和御寒上升到对居住环境提 出舒适性要求。获得良好的自然通风是改善居住环境舒适度的重要手段之一。然 而，随着空调技术的进步和普及，人们已习惯甚至依赖于人工的恒温环境，而由 此产生的环境污染、城市热岛、空气卫生以及巨大的能耗等自然环境的负面影魄 也逐渐凸现出来。渐渐被忽视的自然通风重新又受到人们的青睐0 2 。建筑外部风 场的形成受多种风力因素的影响，主要包括；全球性大气环流、季风、水陆风、 山谷风、城市热岛环流、街道风及峡谷风等。上述各种风型对城市和建筑的影响 都不是孤立的，而是多种因素协同作用的结果。 对建筑的合理的布局设计能有效的适应恶劣的微气候环境，香港欣怡花园的 重庆大学硕士学位论文 建筑设计中考虑了当地的沿海的气候条件，为了适应当地湿热的微气候环境，力 求引入自然通风。因此在建筑布局上将建筑单元组合成三个庭院( 如图1 ) ，并且三 个庭院正反向背，使建筑的向阳面和背阴面形成不同的气压，即使在无风的条件 下也能产生通风，而且整个建筑在建筑设计上将建筑联排高层中部洞开一面，形 成大的风洞，使自然风能在其中回旋，得到极好的通风效果( 如图2 ) 【1 3 】。 图1 1 香港欣怡花园规划 f i g1 1t h e x i l 研g 抓k n p l a n n i n g i n h o n g l a o n g 图1 2 香港欣怡花园建筑设计 f i g1 2 t h e c o n s a m f i o n d e s i g n i n t h e 硒呼o a r d m 生态建筑提倡利用风压差，增大该区的风量，以解决“死水域”、“峡谷区” 的问题。可以从建筑群体设计着手，对建筑物内进行自然通风，创造有利自然通 风的风环境，使“建筑风”与自然风相结合，以求达到良好的空气流动，排出热 量和有害气体，引入新鲜空气【1 4 1 。 1 3 2 建筑密度与建筑群微气候 高大建筑密集的建筑群形成过多的“死水域”和“峡谷区”造成散热不均热 量聚集，高密度建筑群的“人为热”及下垫面向地面附近大气层放出的热量比低 密度建筑群多，使高密度建筑群气温比低密度建筑群高，年平均温差可达0 5 1 5 且建筑群密度越大，行车密集造成污染严重，废热量大，而两侧楼房的高 度、密度又导致排气、排热差，新鲜空气对流减少，该区温度升高。该区上部的 大气成稳定状态不扩散，形成一个热的盖子，与此同时居住楼里的制冷设备开启 的次数加大、时间增长，能耗增多，造成恶性热力循环。 高密度的建筑群必然导致人口密度加大，而人口密度大则加剧了城市热岛的 强度高密度聚集的人从事着消耗大量矿物燃料的经济活动，城市化进程从时空 等多方面改变地表能量平衡关系，从而改变城市热环境，文献p s 通过对苏南五市 气象、能源、人口、环境和经济发展的资料统计得出：城市热岛和城市发展速度 成正相关。城市的人口数量与该城市的热环境有着十分密切的关系，国内朱瑞兆 4 1 绪论 等也对这方面进行了研究如表1 1 【阍。而城市的热环境又与建筑群微气候密切相 关，相互直接影响。 表1 1 我国人口密度与热岛强度的关系 城市名城区面积，k m 2城区人口历人人口密度从k m - 2城乡年平均温差， 北京 8 7 82 3 9 a2 7 2 5 42 o 沈阳 l “o2 4 0 81 4 6 1 5 西安 8 1 o1 3 0 o1 6 0 0 01 5 兰州1 6 4 o8 9 65 4 6 31 0 1 3 多下垫面与建筑群微气候 建筑群复杂的人工下垫面( 建筑、道路、广场、绿地、水景等) 对建筑群微 气候有直接影响【l ”在太阳辐射下，建筑表面向空气散热，特别是屋顶表面，昼 问基本上都受太阳照射，具有独特的热力特性，对微气候的影响不可忽视。绿化 植被对太阳辐射有较好的反射和吸收作用。叶面水分蒸腾作用带走了热量并增加 周围地区的空气湿度，对建筑群微气候起到改善、调节的作用。城市绿地有降低 气温、分割城市热岛的作用，降温比率与绿化覆盖率成正比【嘲在建筑群周围设置 水面，利用水来平衡环境温度、防风沙及收集雨水，都能起到改善微环境的作用【1 9 】。 街道两侧植树绿化有明显的降温作用，不同的下垫面对热环境的影响不同， j a m e s 给出了不同材料的吸收率和表面温度见图1 3 1 2 0 1 。 图1 3 不同材料的表面温度和吸收率 f i g1 3 t h ea b s o r p t i v i t ya n ds u f f e rt e m p e r a t u r eo f d i f f e r e n c em a t e r i a l s 5 重庆大学硕士学位论文 s a i t o 研究了洛衫机市区1 8 8 2 - - 1 9 8 4 年的空气温度变化，当增加灌溉和果园， 该市温度降低2 ，而1 9 3 0 年以后，沥青路面取代树，温度升高3 c 2 1 1 国内学者 文远高等在夏季通过对某居民小区实测，发现绿化能降低小区室外温度3 2 u ，降 低室内温度2 2 ，而且不同树种及绿化形式对温度的影响不同吲。日本的一之 濑- 俊明对日本1 3 5 年的土地利用和与之相应的气候变化进行了分析，得出东京和大 坂的城市化严重影响了这两座城市的热环境，减弱了从太平洋吹过来的海洋风， 降低了城市的自然通风效果田】【2 卯。由于不同的热工特性，沥青地面和混凝土地面 在晚间向外散发的热量比草地多的多，根据江阴等市的全年观测，夏季黄土表面 下垫面比沥青表面月平均气温低4 ，比混凝土低2 ，比草地表面的气温高l 。 草坪屋面夜间冷却空气，具有减缓城市热岛的作用，并且草坪屋面昼夜向空气散热、 吸放热的总量几乎达到平衡，生态热效应显著刚。在英的b a c l a y e a r d 总部大楼的 设计就是在建筑的北侧开挖了一大面积的人工湖，在夏季，还利用人工湖水设计 了一套室内循环系统，来降低室内温度( 如图1 4 ) 2 j 苣 一 譬曩脶，一一j 一 l 丑n j 图1 4 英国b a c l a y e a r d 总部大楼 f i g1 4b a c l a y u dh e a d q 眦 r sm u l t i - s t o r i e db u i l d i n gi ne n g l a n d 1 3 4 建筑群微气候对建筑能耗的影响 2 0 0 2 年我国建筑能耗占全社会终端能耗总量2 7 6 随着我国经济和社会的 发展以及城镇化进程的加快，建筑用能正在持续快速上升，其所占全社会能耗的 比重不断增加，将从目前的2 7 左右上升到2 0 2 0 年的3 5 左右闭发达国家，如 英国：建筑能耗占社会总能耗的比例巳接近5 0 【2 7 】。中国人口占世界总人口的2 0 ， 但人均能源占有量不足世界平均水平的5 0 0 , 0 。我国政府已经提出了能源安全战略， 节能产品及节能新技术受到重视和推广采用1 2 8 1 。人、建筑与自然的和谐，是建筑 群微气候环境研究的重要前提。 城市热岛效应是指城区的温度比周围高，由于气压差的存在，城市周边的空 气向城市上空汇集，同时由于城市中下垫面处温度高于高空气流上升，在城市上 空形成一个混浊的空气盖子，加重了城市热岛效应和城市空气污染。这是在不同 6 1 绪论 区域气候的背景下，在人类活动特别是城市化因素的影响下形成的一种特殊小气 候1 1 4 1 。建筑群区域微热岛效应与城市热岛效应相似，对建筑群内单体建筑冷负荷 的影响十分显著。复杂的地形、建筑群的过于密集、高熟的下垫面等因素使区域 微热岛强度增大，室外气候环境的恶劣，尤其是夏热冬冷地区，热湿是该区夏季 的基本气候特征，最高气温可达4 0 以上，日最低气温也超过2 8 ，气温和物体 表面的温度居高难降 2 9 1 。不合理的建筑布局形成过多的“死水域”和“峡谷区”， 使得静风率非常高，建筑群区域内废热、废气不易散发，空气污浊，空气质量严 重下降，人们不得不依赖于人工的恒温环境来满足居住舒适和健康的要求，建筑 空调能耗急剧上升。 英国的r w a i l 【i d 3 。】认为由于热岛效应使伦敦市区冬季增加的冷负荷为2 2 ， 夏季增加的冷负荷为2 5 。葡萄牙学者ra g u i a r 【3 l l 认为由于热岛效应，使葡萄牙的 供热期缩短，热负荷对于居民区下降了2 5 0 - 4 1 0 k w h ，办公楼下降了5 - 7k w h m 2 ， 但是夏季制冷时间增加，制冷量对于居民区增加了5 0 0 - 8 8 0 k w h ，办公楼增加了 1 9 - 2 4 k w h m 2 。a j w r i g h t 分析了1 9 7 6 - 2 0 0 0 间由于气候改变所导致英国的建筑设计 的改变【3 2 】。 1 3 5 建筑模式与建筑群微气候 目前国外很重视建筑群微气候与建筑模式之间相互影响的关系，利用合理的 空间布局和建筑形体达到良好的自然通风效果和气流组织。由于建筑物特别是高 层建筑的布置所形成的城市空间，对建筑群中的“建筑风”具有重要的影响，不 仅可造成一个建筑小区的强弱风区，甚至可形成区域的主导风向。 c t t c 模型是近年由以色列学者h n s w a i d 和m e h o f f m a n 等人提出的用于预 测和评价建筑物、城市设计特征、街道走向、人为散热等对城市覆盖层热环境影 响的解析模型。这类集总参数模型简单有效，适合工程预测和评价，有较好的实 用性。但是由于影响室外热舒适性的环境参数众多，不仅仅是温度，还包括湿度、 风速、太阳辐射、建筑及地面长波辐射强度等。在对室外环境进行比较全面的评 估并提出改进建议时，集总参数方法的局限性比较大。 基于c f d 技术的分布参数方法力求能够同时分析建筑周边的空气流动过程和 传热过程对热环境的影响，是随着近年来计算机运算速度提高而产生的。早期， 人们研究建筑绕流时，为研究建筑结构的影响及风压通风效果，通过风洞模型及 改进的c f d 模型，已取得大量成果在研究这一领域是不考虑气温变化对流动影 响的。而采用c f d 技术研究热环境时，不仅需要考虑空气流动，还必须综合考虑 太阳辐射、长波辐射、对流换热以及导热和蓄热等热现象的综合作用，并且传热 过程与空气流动也是相互影响的，因此其传热与流动现象非常复杂。受到当前计 算机计算速度的影响，对这些物理现象同时进行模拟是非常困难的，为了使模拟 7 重庆大学硕士学位论文 方法切实可行，特别是应用于实际工程问题的分析，需对传热和流动过程进行简 化。 清华大学的李先庭老师曾利用改进的c t t c 模型结合c f d 模拟，从整体、动 态的角度来预测和分析了一个住宅小区的建筑群热环境口3 】【3 4 。c t t c 原模型和系 列改进模型对建筑采取的都是二维简化，认为建筑群是周期性起伏的“城市峡谷”， 各表面的相对位置关系全部按照二维进行计算。在峡谷长度方向上假设为无穷长， 建筑长度对峡谷内热平衡无影响在实验验证时，采取选择建筑长度与峡谷宽度 相比较大、把测点布置在建筑长度中心处的方法来满足这个假设。为了能更准确 地计算住区不同位置的建筑群空气温度，做了以下改进：将二维模型扩展为三 维模型，使空气温度所对应的计算区域更为合理；考虑了建筑壁面即“峡谷” 两面的太阳辐射，使之更符合实际情况；完善了三维的建筑天空视角系数的计 算方法，根据北京某小区的调研情况，修正了住宅小区人为排热量( 包括家庭排 热及交通排热) 的计算方法；重新考虑了住宅小区内绿化的作用，并把水景设施 的影响也纳入到模型之中。因此，利用改进c 1 陀模型，根据建筑构造、布局以 及绿化率的不同对住宅小区进行适当的划分，同时利用计算流体力学软件( c f d ) 模拟小区风场，分析并预测了住宅小区的建筑群热环境。 德国鲁尔大学m i c h ( m lb r u s e 3 5 】建立了e n v i - - m c t 模型，不仅能模拟城市表面、 植物和大气之间的微尺度交互作用，还可以分析规划上的小规模变化对热环境造 成的影响。 m u r a k a m i 3 6 1 等学者对室外微气候的模拟采用了另一种简化方法，对于空气流 动的计算采用改进l k 湍流模型，采用蒙特卡罗方法进行长短波辐射计算，而将地 面和建筑维护结构的导热简化为稳态。 日本学者荻岛理和谷本润【3 7 1 f 3 掰嗍最近提出利用a u s s s m 来分析城市热环 境和城市构成之间的关系，a u s s s m 即a r c h i t e c t u r e - u r b a n - s o i ls i m u l t a n e o u s s i m u l a t i o nm o d e l ，将土地利用和建筑体系一起模拟到模型中进行城市温度场、风 场的模拟。 1 3 6 山地城市建筑群微气候的研究 我国是一个多山的国家，山地面积约占全国土地面积的三分之二，约三分之 一的人口居住在山地城镇。城市的热环境作为人类生存条件的重要因素和重要的 城市问题已成为全世界多专业的学者所关注。各国专家从各个角度着手研究城市 和建筑群的热环境，多种措施被应用到改善生活环境中。我国虽然起步较晚但是 发展快，各大城市均有学者对该地区热环境进行研究，国外普遍采用的新技术、 新方法在国内也得到很好的运用，在某些领域上跟上了世界的步伐。但是由于城 市的区域性与多变性，对山地城市的热环境研究远远落后于对平原城市热环境的 8 1 绪论 研究，通过对热环境的研究来辅助山地城市建筑群的规划的工作还比较少。 许多山地城市的建设沿用平原城市建设模式多，如四合院建筑形式是为了适 应华北平原地区冬冷夏熟、多风沙、干燥的气候因素而形成的。而山地城市的城 市经济、生态、社会文化在发展过程中与山地地域环境形成了不可分割的有机整 体。无法克服的复杂的山地垂直地貌特征，形成了独特的分台果居和垂直分异的 人居空间环境 4 0 1 1 4 ”。四面环山造成城市空气湿度大，静风率非常高。因此四合院 的建筑形式不适合在山地城市应用，然而许多建筑创作跟风赶潮、异想天开、抄 袭模仿，逐渐轻视或忽视了建筑的本质【4 2 j 。 但随着对山地开发和利用的加深，山地城市的热环境研究正在广泛的开展。 w e il i 、f a nw a n g 等专门对山地城市高层建筑之间的气流组织进行应用c f d ( 计 算流体力学) 技术对建筑物之间的相对位置与高度做比较分析，将理论知识更直 观化【4 3 】，给出山地城市地面以上高度气流速度的计算公式： ! 盟：! 竺! 二! 竺：q( 1 1 ) “( 。阿) i n2 r e f i n 。0 u ( z ) 一任何高度z 的风速； u ( 砌一选定高度f 时的相应计算速度参数； z d 一地面粗糙度。 通过图1 5 可以看出地面以上z 高度的气流速度与紊流强度之间的关系。 图1 5 风速与气流组织之间的关系 v i 9 1 5 t h er e l a t i o nb e t w v e l o c i t ya n da i r f l o w 1 4 本文的技术路线和可行性论证 1 4 1 研究内容 收集国内外在这一领域的大量相关资料，分析并整理几种用于室外热环境模 拟的数学模型；选择重庆市内几个具有代表性建筑群( 高速公路旁、住宅区、高 9 重庆大学硕士学位论文 校内等) 进行实测，并对其微气候环境进行比较，为研究山地城市建筑群微气候 热环境提供基础数据及初步方法。通过调研，总结具有代表性的山地城市重 庆的建筑群的特点，并对其现状进行分析，提出问题；利用c f d 技术对北方地区 的建筑小区在重庆地区气候条件下的模拟对比，以及对不同建筑布局、不同建筑 形式、不同建筑间距的风环境进行模拟对比，提出有利于优化建筑群微气候的规划 布局的合理建议。 1 4 2 技术路线 模拟采用的是国际公认的权威c f d 技术研究机构英国帝国理工学院 c h a m 研究所开发的p h o e m c s 软件。该软件具有众多的湍流模型和数值差分格 式，是专门用来模拟计算自然界和工程中各种热传输和流体流动问题的。并经过 了上千个算例的实验验证，能保证计算结果的准确性。实验主要是通过小型的气 象观测仪，人工布点及流动观测的方法来测量。 1 4 3 可行性论证 热环境的研究涉及面比较广( 包括本文所研究的建筑群微气候) ，而且引起了 建筑行业各界人士的关注，在2 0 0 3 年重庆大学城环学院举办的国际学术研讨会上， 我们就本课题的研究内容和技术与国外专家、教授进行交流，了解到国外最新应 用在热环境中的技术和设备基于数据共享、共同研究的原则，我们和东京大学 花木研究室以及香港大学达成共同合作研究的协议，使我们的课题可以运用到最 新的技术与设备进行测试与模拟计算，达到国际水平。因此，本课题的研究从以 下两方面得到了保障： 得到国家自然基金的支持，具有充足的研究经费。 三所大学互相合作，先进的技术与实验设备、仪器等得到了可靠的保障。 l o 2 数值模拟理论及软件的选用 2 数值模拟理论及软件的选用 2 1 引言 室外热环境的影响因素很多，其传热传质和空气运动是一个非常复杂的过程， 受到太阳辐射，城市风场，人工排热等因素的综合作用。相关的物理现象包括： 太阳辐射、空气流动、建筑物与地表面之间和对大气的长波辐射、空气的对流换 热、下垫面和建筑物内的导热和蓄热以及人员、植被、水面等散发水蒸气的传质 过程等。这些过程的影响因素不同，变化范围和时间各异，而且互相作用、互相 影响，因而极其复杂。 2 2 研究方法的比较 目前，对室外热环境的研究主要采用的是三种方法：现场测试、风洞模型实 验和数值模拟。 2 2 1 现场测试 现场测试是一种传统分析城市热环境的方法，也是一种重要的实验手段，通 过小气候观测仪、人工布点及流动观测，或利用多年气象数据资料，通过城郊温 差和历史对比法。但由于自然气候变化无常，实验的进行必然受到天气的极大限 制，而且测量仪器及测量费用比较昂贵，测点和数据极为有限，这样只能通过有 限的数据对局部进行分析，难以详尽，全面地反应城市热特征的空间分布，而且 实测耗时费力，所得到的结论无法为城市规划设计提供定量指标。 随着科技发展，采用航空熟红外线技术可在短时间内获取瞬时大面积的热信 息，能够为城市热环境提供快速、准确、详尽的资料。但是航空遥感消耗费用较 高，一般获取一个时相的资料费用达5 万元，用户难以承受，对分析研究大城市 热环境比较适用，运用于小城镇热环境规划经济性不高。m 2 2 2 风洞模型实验 风洞模型实验在室外热环境的研究中，更多的是应用于研究等温建筑的绕流 问题，分析建筑周边的空气流速场及压力场分布，而室外热环境是空气对流、固 体导热、长短波辐射和水蒸汽湿传递综合作用的结果，因而较难研究温湿环境， 而且制作大型的模型成本较高，实验周期较长。 2 2 3 数值模拟 除了实验之外，最普遍的做法就是用数学物理方法建立模型，应用数值模拟 的方法预测室外的热环境，是改进城市规划和建筑优化设计的重要手段。 常用的数值模拟方法主要分为集总参数法和分布参数法两大类。集总参数法 重庆大学硕士学位论文 相当于把建筑物及其周围一定范围内的空气都看作完全均一的质点，认为他们内 部温度没有差别，分析这一区域的平均温度的变化。这类方法的研究主要集中在 分析建筑周围的热平衡，研究重点在传热过程，而简化了流动对传热的影响。 这类方法中得到广泛应用的一个模型是近年由以色列学者h n s w a i d 和 m e h o f f a n a n