（城市规划与设计专业论文）基于cfd技术的深圳福田热岛区热环境改善策略研究.pdf

国内图书分类号：tu984.2 学校代码：10213 国际图书分类号：711 密级：公开 工学工学硕硕士学位论文士学位论文 基于 cfd 技术的深圳福田热岛区热环境改 善策略研究 硕 士 研 究 生 林梦蝶 导师 宋聚生教授 副导师 林姚宇副教授 申请学位 工学硕士 学科 城市规划与设计 所在单位 深圳研究生院 答辩日期 2011 年 12 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index: tu984.2 u.d.c: 711 thesis for the master degree in engineering research on thermal environment improve strategy in heat island district of shenzhen futian based on computational fluid dynamics candidate: lin mengdie supervisor: prof. song jusheng associate supervisor: associate prof. lin yaoyu academic degree applied for: master of engineering speciality: urban planning and design affiliation: shenzhen graduate school date of defence: december, 2011 degree-conferring-institution: harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 快速城市化进程的带动下城市迅速发展，大量的人口、城市建设等高度密 聚集区在城市中出现，能源不断消耗，人为排热量剧增，城市通风、散热能力 递减，热环境不断恶化，热岛问题加重。随着城市热环境问题在各研究领域关 注度的不断提高，城市热环境被公认为是主导整个城市环境的要素之一，直接 影响着城市的健康度、宜居性和能源消费结构。良好的城市空间结构和布局利 于改善城市的通风状况，而良好的风环境对于改善城市热环境、缓解热岛效应 具有十分重要的作用，因此，从城市规划的角度结合城市空间处理手法对基于 优化城市通风的城市热环境改善策略进行研究是极具价值的课题。 论文将 cfd 计算机模拟技术引入城市设计之中， 研究在大的气候背景下不 同城市空间结构对城市热环境和风环境的影响，并总结出热环境改善策略。首 先解析了与城市气候和城市热环境相关的问题，并回顾了国内外相关研究的进 展，明确了现有研究存在的问题和不足，指出了城市规划领域的城市热环境研 究目标。在此基础上，以处于夏热冬暖地区的深圳市为研究对象，分析了深圳 市的热环境发展变化状况和城市热岛的时空分布情况。以此为基础，选取了福 田热岛区进行重点研究。通过对研究地段温度、风速状况的实际测量和模拟， 结合城市空间现状的调研分析，总结出地段内不同区域影响热环境的主要矛盾 性问题。结合问题，提出了整个研究区域的改造策略：完善街道系统，整合区 域街谷空间，形成完整的通风道；利用迎风侧开敞空间的引流作用；形成不等 高的城市空间关系；强化绿化设计的整体、连续性，合理的选择植物搭配模式 等。并针对待开发区域即典型地块进行了基于以上策略的规划设计，并先后通 过调整建筑群体布局模式、高度和建筑平面尺度、形式，最终得出了优化方案， 两轮优化调整过程均与模拟相结合。最后，对基于以上改造策略和优化设计得 出的方案进行了模拟，发现整个区域的热环境有了较大改善。 论文研究了城市风、热环境与城市空间结构之间的关系，并提出了有建设 性的改造策略，希望为城市热环境改善以及城市节能设计等提供科学的参考， 以实现城市更加健康可持续发展的目标。 关键词：城市风环境；城市热环境；城市热岛；cfd 模拟 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract the cities driven by the rapid urbanization are developing rapidly, and high concentration areas appear such as a large population, urban construction, economic activities. energy consumption, constantly anthropogenic heat and progressively decreasing capacity of the urban ventilation and heat dissipation, worsen the urban thermal environment, and get the problem of urban heat island more and more serious. with the improved attentions by different research fields, it is acknowledged to be the leading one of the elements of the urban environment, which directly impact on the city health, habitability and energy consumution struture. a good city space structure and layout benefits to improve the citys micro climate, and good micro climate play an important role in improving urban thermal environment and remitting heat island effect. therefore, the research on the improvement strategies of thermal environment from the angle of urban planning combined with city space processing methods, is a valuable issue. this paper introduces that, importing the cfd computer simulation technology into the urban planning, to study the influence which different urban space structures impact to the urban thermal environment and wind environment under the background of urban atmosphere. it firstly analyzes kings of problems related with urban climate and urban thermal environment, then reviews the progess of researches on such questions at home and abroad. at the same time, it clearly states the existing research problems and the insufficiencies, and points out the urban thermal environment research goals of the urban planning and design fields. based on this, the paper takes shenzhen city as the research object which is in hot summer and warm winter area, and analyzes the change status of the shenzhen citys environment and the space-time distribution of the heat island. on this basis, the paper select the heat island district of shenzhen futian as the research object, then launches research deeply. through the investigation and analysis of studying the present situation of the urban space, listing out the main contradictory problems in different areas, combining with the cfd computer simulation technology. the analyses summarize the situations of wind, thermal environment in the research area, and further specify the regional problems. finally, combining with the contradictory problems and , the paper puts forward the specific improvement strategies: perfect the street system, integrat regional street space, to form complete the valley of ventilation. and obtain design proposal which is based on the strategy above in allusion to the development area, through adjusting the layout mode and height layout of the building groups, on this basis , the paper appropriately adjust the 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - building plane scale and form, and finally obtain design proposal, the adjustment process combines the software simulate from beginning to end. combine the reformed strategy and design, obtaining the design proposals, then test and verify again using of the cfd computer simulation technique. this paper studies the relationship between the urban wind,thermal environment and the urban space structures, and puts forward constructive suggestions, hoping to provide scientific references for urban thermal environment improvement and urban energy saving design, in order to realize the goals of much more healthy and sustainable development. keywords：urban wind environment, urban thermal environment, urban heat island, cfd simulation 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.1.1 城市环境问题日益突出 . 1 1.1.2 城市设计的主导作用尚未发挥 . 1 1.2 研究的目的及意义 . 2 1.2.1 研究目的 . 2 1.2.2 研究意义 . 3 1.3 问题域及概念界定 . 4 1.3.1 夏热冬暖气候区 . 4 1.3.2 城市气候相关概念 . 6 1.3.3 城市热环境相关概念 . 7 1.3.4 计算机模拟及 cfd 技术 . 8 1.4 国内外研究现状 . 9 1.4.1 城市气候研究概述 . 9 1.4.2 城市热环境研究概述 . 10 1.5 研究方法和内容 . 13 1.5.1 研究方法 . 13 1.5.2 研究内容及框架 . 13 第 2 章 城市热环境相关基础研究. 16 2.1 城市气候与城市气候设计 . 16 2.1.1 城市气候与微气候 . 16 2.1.2 城市气候设计 . 17 2.2 城市发展与城市热环境 . 17 2.2.1 城市发展对城市热环境的影响 . 17 2.2.2 城市热环境的主要影响因素 . 18 2.3 城市热岛问题 . 19 2.3.1 形成原因 . 19 2.3.2 主要特征 . 21 2.3.3 热岛效应的影响 . 21 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 2.4 城市热环境与城市节能 . 22 2.4.1 热环境对节能的影响 . 22 2.4.2 城市热环境的改善途径 . 24 2.5 软件工具及技术思路 . 25 2.5.1 fluent 软件及其应用性 . 25 2.5.2 研究技术思路 . 26 2.6 本章小结 . 27 第 3 章 深圳市及福田热岛区热环境现状分析 . 28 3.1 气候影响下深圳市总体风热环境分析 . 28 3.1.1 深圳市总体风环境 . 28 3.1.2 深圳市夏季总体热环境 . 28 3.1.3 深圳市城市热岛现状 . 29 3.2 研究区风热环境现状 . 33 3.2.1 研究区概况 . 33 3.2.2 风热环境现状测量 . 35 3.2.3 风热环境现状模拟 . 38 3.3 福田热岛区热岛成因调查分析 . 42 3.3.1 用地功能及建设情况分析 . 42 3.3.2 街巷系统分析 . 44 3.3.3 建筑密度及单体形式分析 . 45 3.3.4 开敞空间分析 . 48 3.3.5 绿化分析 . 49 3.3.6 热岛成因总结及思考 . 50 3.4 本章小结 . 51 第 4 章 福田热岛区热环境改善及验证模拟 . 52 4.1 研究区整体优化策略 . 52 4.1.1 完善通风道 . 53 4.1.2 预留开敞空间 . 53 4.1.3 减少均质化空间 . 54 4.1.4 强化绿化配置 . 56 4.1.5 调整空间界面属性 . 57 4.2 典型地块设计及优化 . 57 4.2.1 初步设计方案 . 58 4.2.2 首次优化方案 . 61 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - vi - 4.2.3 二次优化方案 . 66 4.2.4 其他优化措施 . 69 4.3 整体改造方案模拟及对比分析 . 70 4.4 本章小结 . 72 结论 . 74 参考文献 . 76 攻读硕士学位期间发表的学术论文 . 82 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 83 致 谢 . 84 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 研究背景 1.1.1 城市环境问题日益突出 城市化是社会发展的一种必然趋势，随着城市化速度的加快，其带来的 一系列消极影响也越来越凸显出来，激化了人口、环境和资源之间的矛盾。 人为因素带来的城市气候的改变、 城市环境的恶化也逐渐引起了人们的重视。 城市气候与城市的发展和人类活动密切相关，人类生态意识的不断增强使得 气候对城市空间环境的影响问题越来越被普遍关注， “以环境为中心” 的城市 发展模式深入人心。 进入新世纪之后， “城市气候与环境”问题引起了人们广泛的关注，其中 城市热环境问题是当前关注的焦点。城市空间热环境被认为是主导整个城市 环境的要素之一，它正以其特有的作用方式影响着人们的生产和生活。在我 国的夏热冬暖地区，夏季炎热的气候条件使得城市建设宜居型和节能型城市 的目标难以实现。一般情况下，在高温期间，一个区域的建筑空调制冷负荷 会占到该地区全部电力负荷的 30%-40%，大城市将达到更高水平。 “2011 年 广州空调凶猛， 电力负荷创新高， 突破 1200 万千瓦时， 同比 2010 年增长 5.2%； 2011 年，广西正遭遇 20 年来最严重的缺电难题，电力总需求为 1300 万千瓦 时，而发电能力只有 900 万千瓦时”1 ，诸如此类的报道比比皆是，仅 仅依靠人工方式的气候调节手法耗费了大量的能源，污染了环境，能耗的散 热又使得城市热环境进一步恶化，热岛效应更为强烈。香港有关学者的研究 表明，城市温度每上升一度，居民的用电量便会上升 10%，工业和商业用电 会上升 3%左右。这种以对抗不利气候条件，达到人的舒适性为目的的城市 发展模式，使得城市环境正在逐渐陷入恶性循环。而城市设计策略中往往又 缺乏合理的设计手段来解决这一难题， 使得现代城市对高温气候的适应性差。 1.1.2 城市设计的主导作用尚未发挥 城市设计通过对城市空间结构、建筑的组合方式、体量、色彩及材料等 要素的控制，可以达到影响城市微气候的目的，这也为城市规划和设计人员 通过城市形态设计，实现创造舒适的城市微气候环境提供了可能。如何在现 有的气候条件和自然资源的基础之上，发挥城市设计的主导作用，为城市外 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 部空间中活动的人们提供理想的气候条件，建立人与自然的和谐机制，成为 现代城市亟待解决的问题。因此，本文研究的城市热环境问题，就是希望通 过对“风”这一自然资源的合理规划和利用，达到改善城市微热环境，节约 社会能源的目的。 本文以深圳市福田热岛中心区为主要研究对象，通过引入 cfd 仿真技 术，从流体力学的角度模拟城市风环境、热环境的运行方式，探索城市空间 布局与微气候环境之间的关系，并对城市规划和设计的改善优化措施进行评 估和再验证，以达到创造舒适的城市热环境，实现城市节能的目标。 1.2 研究的目的及意义 1.2.1 研究目的 在现代城市中，大量不合理的城市拓展和开发建设，严重的破坏了城市 气候和生态环境。建筑物封闭的外墙阻碍了其内外空气的交换流通，而大量 空调的使用虽然增加了人体的舒适性，但同时也带来了能源的消耗和室内空 气的混合使用，无形中提高了传染病传播的几率。2003 年 sars 的传播给传 统意义上疾病安全防设理念带来了冲击，给人们以安全警示。而且，空调的 使用非但无法改变室内空气污浊的情况，又向室外排放大量的热量和氟利昂 等有害气体，增加了城市产热，破坏了臭氧层，进一步加剧了城市热环境恶 化。 b吉沃尼在人气候建筑中指出建筑气候适应性的三个标准， 即人的舒适性、节约能源及健康2，建筑与城市存在的最终原因都是与人息 息相关的，以人为本的理念支撑着整个城市系统的运转。因此，本文研究的 改善城市热环境的最终目标为：创造更好的夏热冬暖地区的城市的热环境， 探讨如何通过早期的优化设计或后期的改造措施对城市环境进行改善，达到 保护环境，节约能源，创造具有适宜温度和新鲜空气的舒适热环境的目的。 正如我们所了解，各气候要素之间存在一定的相关性321， 城市的通风顺 畅与否直接影响城市热环境的好坏，本课题就是探讨如何通过城市风环境的 改善来进一步提升城市热环境的研究。本文以夏热冬暖气候区城市与气候环 境中的风环境为研究对象，在城市与气候关系的论述中以与风环境相关的内 容为主，通过对各气候要素之间关联性的分析而使研究全面深入发展，见图 1-1。风是城市气候的主要影响因素之一，以风环境为立足点对城市与气候的 关系进行研究，这样可使研究更有针对性及现实性，便于研究的深入化，并 可以借此概括出其他气候要素的研究思路，通过总结推广，最终达到形成较 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 为系统全面的基于气候研究的城市设计理论的目的。 图 1-1 城市各气候因子之间的关系322 1.2.2 研究意义 本课题以夏热冬暖气候区的深圳市为研究对象， 运用 cfd 技术对深圳市 热岛核心区城市空间中的气流状况进行模拟，通过现状调研和模拟结果的对 比分析，来探讨与城市规划和设计相关的城市风、热环境的改善措施，并通 过反复的模拟对设计方案进行调整和优化，检验不同的建筑形体及城市空间 形态设计的气候适应性及节能效益，并总结出有规律性的指导建议。本文的 研究意义在于： （1）理论意义 本研究通过对城市气候、城市风环境、城市热环境、 城市热岛问题及城市节能等相关理论的学习，阐明了城市风环境在缓解改善 城市微气候环境中的重要意义， 以及城市通风和城市散热的不可分割的关系； 同时，对夏热冬暖气候区气候特点和深圳市气候演变特点进行了总结，对深 圳当前城市风、热环境和城市热岛的时空现状进行了评价；本研究还通过实 地调研、测量和模拟分析，总结出城市中心区热岛核心点存在的问题，并结 合城市设计相关手法和计算机模拟技术的运用，提出了具有指导意义的规律 性设计策略。 （2） 现实意义 城市是人类活动的中心， 拥有良好的城市热环境是保 证和提高市民生活质量的前提条件之一，能够使人们更多的选择在户外进行 休闲活动，既降低了建筑能耗，又给人们带来了新鲜的空气，实现了环境和 人的健康双赢的目标。本课题的研究具体结合了深圳市的气候特点，指出了 城市空间的布局在满足功能设计的相关要求的同时，还应更多的关注节能及 气候适应性要求。风水学中十分讲究气场的概念，气场中重视对城市空间和 布局的顺气。本研究通过对城市空间和布局设计等手法的运用和模拟验证， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 总结出有规律性的设计策略， 为城市空间规划设计提出节能优先的设计思路， 对城市的可持续发展具有较强的现实指导意义。 1.3 问题域及概念界定 1.3.1 夏热冬暖气候区 1.3.1.1 夏热冬暖气候区的地理范围 民用建筑热工设计规范 （gb50176-93）从建筑热工设计角度针对建 筑的保温和散热问题规定了设计的气候分区。其中，对夏热冬暖地区的分区 指标做出了如下规定：最冷月平均温度10，最热月平均气温25-29， 且日平均温度为 25的天数为 100-200 天4。我国的夏热冬暖地区主要是指 南部沿海地区，其范围包括海南省全部，广东、广西的大部分，福建的南部， 云南的小部分，以及香港、澳门与台湾地区，典型的代表性城市有福州(夏热 冬暖地区北区)和广州(夏热冬暖地区南区)512，见图 1-2。这部分地区是我 国人口密集、经济发达的地区，其政治、经济地位均极为重要。 图 1-2 中国建筑气候区划图512 1.3.1.2 夏热冬暖地区的气候特点 夏热冬暖地区的气候特征主要表现为夏季炎热且持续时间较长，高温出 现在 5-10 月之间，持续约 5 个月时间，最高气温可达 39以上，出现在 7 月上旬到 8 月之间，最热月平均温度达 27以上；冬季相对温暖，最冷月平 均气温仍在 10以上，出现在 1 月份，无冬季存在512。我国夏热冬暖地区 主要为南部沿海地带， 因此降雨量偏多，湿度偏大，相对湿度可达 80左右， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 是典型的“高温高湿”气候区513。 随着城镇建设的飞速发展和人们对建筑环境要求的不断提高，建筑能耗 不断增加。夏热冬暖地区的空调使用月份为 5-10 月，约 150 天，其建筑能耗 中，因夏季热环境较差而导致的空调能耗占主导地位。随着城市经济的发展 和土地价值的升温，许多地区片面强调容积率，使得建筑密度过高，导致自 然通风变差，室内环境不得不全面依赖空调降温。 2003 年 7 月，建设部组织颁布了中华人民共和国行业标准夏热冬暖地 区居住建筑节能设计标准 （jgj752003） ，当中明确指出建筑热环境及建筑 环境控制系统动态模拟工作的重要性和必要性。旨在有效推进夏热冬暖地区 的建筑节能工作，提高该区域人民的居住环境质量，并尽快实现建筑节能 50的目标。 1.3.1.3 典型城市解析 本课题实证研究的城市深圳市是中国南部海滨城市，位于北回归线 以南，东经 113 46至 11437，北纬 2227至 2252，地处广东省南部，市区 距香港港岛仅 45 分钟车程613。 深圳属亚热带季风气候， 年平均温度 22.4， 最高温度 36.6，最低温度 1.4。年平均降雨量为 1948.6 毫米，常年主导 风向为东南、东风，次为东北风。深圳长夏短冬的特点十分明显，据相关研 究统计，其气候意义上的冬天平均只有 24 天，夏天则达 185 天，是典型的夏 热冬暖气候区的城市。 人类活动对局地气候的影响是极其显著的，在热岛效应和全球气温升高 的双重因素影响下，90 年代以来，深圳的气候变化也较为明显，总体趋势是 气温升高、湿度下降和日照时数的逐渐减少，见图 1-3，1-4，表 1-1，因此， 在城市建设的前期规划设计中，进行必要的气候环境评估和预测，以此采取 相应的环境保护措施是极其重要的614。 图 1-3 深圳历年年平均气温变化曲线611 图 1-4深圳年平均相对湿度变化曲线612 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 表 1-1 深圳各时段平均日照时数变化612 （资料来源：根据参考文献 6 整理） 继夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准颁布之后，2004 年 8 月，国 家建设部科技司与美国能源基金会（ef）共同组织和启动了“夏热冬暖地区 建筑节能标准的实施项目” ，深圳成为进行建筑节能试点的四个示范城市之 一。深圳市年平均风速为 2.7m/s，具备良好的自然通风的条件。因此，在城 市规划设计中引入自然通风的理念是可行的，在夏季或过渡季节部分或完全 替代空凋设施，对于降低城市能耗，提高环境舒适度均具有十分重要的意义 7。 1.3.2 城市气候相关概念 （1） 气候 指较长的时间尺度下 “地球上某一地区多年时段大气的一 般状态，是该时段各种天气过程的综合表现” 8。广义的气候概念按分类方 法的不同而有所差异，通常按水平尺度大小，可分为大气候、中气候与小气 候， （2）城市气候 城市化带来的高密度的人口和建筑物分布，高强度的 经济活动等，在一定程度上改变了原有的区域气候环境状况，使其形成相对 独立不同于周边地区的局地气候。城市气候是中气候的一种，是在区域大气 候的背景下经人类活动影响下而形成的一种局地气候。城市气候最基本的有 以下几个方面的特征：城市热岛效应、光化学烟雾、城市热岛环流、干岛与 湿岛、云与雨和酸雨等9。 （3） 微气候 指更小范围的局部环境中的气候状况，与气候分类中的 小气候相对应，如室内微气候等。 随着经济的发展，人类活动对城市气候变化的影响逐渐扩大化，城市气 候环境不断变差，同时，城市气候又反作用于城市，影响城市的建设和发展。 对于夏热冬暖地区来说，就是加剧了夏季高温天气的危害和影响，比如本文 所研究的深圳市，2011 年已进入 11 月份以后，仍有 30 度以上的高温天气出 现。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 1.3.3 城市热环境相关概念 城市热环境是指由于城市环境的能量分布和能量交换而形成的，与热有 关的， 影响人类生存和发展的各种外部因素组成的一个物理条件的总体1058。 温度是表达各种能量状态的综合指标，是由城市组成物质的热特性和几何结 构共同决定的热环境表征。 快速城市化已经导致世界上绝大部分城市表皮人工化，热量在城市建筑 群中高度聚集使得城区气温高于同时期郊区气温而产生城市热岛效应 （urban heat island, uhi） ，城市热岛的形成是热环境恶化的最直接表现。 城市热环境除了受大的气候条件影响以外，主要是受城市下垫面结构特 征和城市人为热的综合作用影响1058-59。大量的自然地表由非建设用地转变 为城市建设用地，除了影响地面透水性