陳宏 謝俊民 大岡龍三 / Chen Hong, Xie Junlong, Ryozo Ooka

1 研究的背景與意義

隨著城市化的飛速發(fā)展，城市熱島現(xiàn)象也日趨嚴重，城市熱環(huán)境存在加速惡化的趨勢。例如在城市熱島現(xiàn)象非常顯著的日本東京近百年來（1880～1980）氣溫升高了大約2℃（Ryozo Ooka, 2007) ，明顯高于地球溫暖化所造成全球氣溫0.6℃的升幅。城市熱島不僅導致城市氣溫顯著升高，而且大氣污染、氣候變化、建筑能耗劇增等一系列環(huán)境與社會問題。在城市建設過程中，如何通過有效的城市設計的策略來調節(jié)城市與建筑熱環(huán)境、緩解環(huán)境惡化的問題，從而達到提高城市環(huán)境品質，降低建筑能耗的目標已成為刻不容緩的任務與課題。

近年來。為了改善城市熱環(huán)境，從城市規(guī)劃、建筑設計、以及城市設計的角度進行了大量的研究工作 （Kimura F, Takahashis,1991;T.R.Oke,1991），并且有很多改善策略被提出。很多的研究與實踐表明，城市的空間形態(tài)、建筑群的組合關系、城市的下墊面性質等等環(huán)境構成要素對于城市微氣候的形成具有較大的影響（Hong Chen,Ryozo Ooka, Hong Huang, 2009）。實踐證明城市規(guī)劃師與建筑師通過城市規(guī)劃、建筑設計、以及城市設計的方法來改善城市與建筑熱環(huán)境，是實現(xiàn)低碳城市的一種非常有效的手段。

基于上述背景，作者開發(fā)了室外熱環(huán)境模擬方法（Hong Chen,Ryozo,Ooka, Kazuya Harayama, etc.2004），同時，作為應用案例研究，采用這一方法參與一個實際住宅區(qū)的規(guī)劃與建筑設計過程，針對住宅區(qū)的室外熱環(huán)境進行模擬計算，根據(jù)模擬計算的結果，分析與提出相應的住宅區(qū)平面改善方案，并且對改善方案的效果進行模擬驗證。

2 室外熱環(huán)境模擬方法

城市與建筑熱環(huán)境及風環(huán)境非常地復雜多變，在實際工程中多采用風洞試驗與計算機模擬的方法來預測與評價建成環(huán)境的環(huán)境狀況。風洞試驗存在周期長、成本高等諸多問題。同時，近年來隨著計算機技術的飛速發(fā)展，計算能力大大提高，計算流體力學Computational Fluid Dynamics (CFD)方法與軟件開始進入實用化階段。在國外，建筑熱環(huán)境模擬方法已經被廣泛應用于實際工程中，成為為建筑設計提供科學依據(jù)的重要技術手段。

圖1 室外熱環(huán)境模擬方法

圖1 為作者參與開發(fā)的可用于實際復雜街區(qū)室外熱環(huán)境模擬計算的模擬方法。這個模擬方法可以實現(xiàn)復雜空間條件下的三維非穩(wěn)態(tài)太陽輻射模擬與穩(wěn)態(tài)CFD模擬。

在模擬過程中，首先根據(jù)計算對象所在地點的地理位置、計算時刻、街區(qū)形態(tài)與密度指標、以及建筑與環(huán)境的表面構成等設定計算條件與邊界條件；其次，進行太陽輻射模擬計算，獲得建筑外表面及地面等環(huán)境要素外表面的表面溫度；然后，將上述表面溫度的計算結果作為邊界條件進行CFD計算，獲得風速風向、氣溫、濕度、平均輻射溫度（MRT）的空間分布；最后，根據(jù)設定的人體活動量、著衣量等參數(shù)計算出室外熱環(huán)境的人體熱舒適指標SET（新標準有效溫度New Standard Effective Temperature），并且利用這一指標進行室外熱環(huán)境的舒適性評價。

本文的研究案例中CFD計算采用國際通用的數(shù)值流體力學模擬軟件Star-CD，這是一個由英、美、德、法等多個國家的學者合作開發(fā)的專業(yè)的數(shù)值流體力學模擬軟件。如圖3所示，目前已經被廣泛利用于汽車、航空航天、機械、建筑等領域。在建筑領域中，Star-CD被廣泛應用于室內外的熱環(huán)境、風環(huán)境、以及空氣環(huán)境的數(shù)值模擬，對建筑室內外環(huán)境進行預測與評價。

3 研究案例——越谷湖濱城（Koshigaya Riverside Town）

3.1 研究對象

越谷湖濱城（koshigaya riverside town）是位于日本東京附近的一個獨立式住宅區(qū)。如圖2所示，住宅區(qū)由132棟2～3層的獨立式住宅構成，住宅區(qū)附近有一個較大的人工湖及一條人工河（圖3）。建筑師希望根據(jù)夏季主導風向進行有針對性地外部空間設計，將湖面及河面上的涼爽空氣引導進入住宅區(qū)內，以便創(chuàng)造良好的室外環(huán)境，同時通過促進建筑的自然通風，將涼爽空氣引入室內，改善室內熱環(huán)境，減少空調能耗。由于建筑師將上述微氣候調節(jié)理念與住宅區(qū)設計緊密結合，這個住宅區(qū)獲得日本第18屆地球環(huán)境大獎，并且通過CASBEE（建筑環(huán)境綜合性能評價體系：Comprehensive Assessment System for Building Environment Efficiency）的最高級，即S級的認證。

3.2 模擬的設定

模擬的時間被選定為8月。圖4中紅色的實線所圍區(qū)域為本文的研究對象區(qū)域。根據(jù)AMeDAS（Automated Meteorological Data Acquisition System）氣象數(shù)據(jù)，建設用地在8月份SSE與ENE等兩個方向的頻度較高，因此，本研究選用這兩個風向為討論對象。表1為CFD模擬的邊界條件。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，流入風速被設定為高度6.5m處風速2m/s，氣溫為32.6℃。

在本文中為了進行住宅區(qū)總平面的原始設計方案及改善方案的比較，根據(jù)方案以及風向的差異，共有4種工況被討論，表2為模擬計算的4種工況列表。

3.3 模擬結果

3.3.1 原始方案的模擬結果

圖6表示case1(a)的模擬結果。當流入風向為SSE時，在1.5m高度，河面上的氣流主要通過a、b、以及c等3個路徑流入住宅區(qū)內部。其中，路徑b的風速最大，并且在住宅區(qū)的中心部形成了一條“通風道”。同時，可以看出通風較好的區(qū)域，氣溫的值也相對較低，涼爽舒1300~1800 in August適。但是在住宅區(qū)的內部，風速較弱，尤其是在d及e等處的風速減弱十分明顯，相應地，風速較弱的區(qū)域由于熱量無法及時地擴散，因此氣溫較高。

圖2 研究對象鳥瞰圖

圖3 研究對象平面圖

圖4 模擬區(qū)域

表1 邊界條件

表2 模擬計算工況

圖5 夏季風玫瑰圖

圖7 表示case1(b)的模擬結果。case1(b)的住宅區(qū)內部的平均風速要大于case1(a)的值。顯示出住宅區(qū)西北側湖面上的涼爽空氣可以較好地流入小區(qū)。但是，圖中可以看出風上側的f處的建筑對于ENE方向的流入氣流起到了阻礙作用。同時，在風下側的組團g處存在著明顯的弱風區(qū)，相應地圖中h處的氣溫也明顯高于其它區(qū)域。

3.3.2 改善方案

根據(jù)上述對于原始方案的計算與分析，我們發(fā)現(xiàn)由于住宅區(qū)內建筑密集，對于風的阻礙作用比較明顯，因此，存在一定的弱風區(qū)，尤其是在SSE的風向下表現(xiàn)的更加突出?；谏鲜龇治觯覀兲岢隽丝偲矫娴母纳品桨?。圖8為住宅區(qū)的改善方案。由于各種條件的限制，改善方案只能以已確定的宅基地為基礎，將建筑在基地內的位置進行前后左右的錯動。相比于原始方案，我們主要是針對A～F等處的建筑間距進行了一些調整，以改善住宅區(qū)內部的通風。這些改變主要包括2個方面的內容：首先，在A～D等處主要是針對流入氣流，通過調節(jié)建筑間距，加寬氣流流入通道，使氣流更容易流入住宅區(qū)內部；其次，在E處主要是減小住宅區(qū)內部建筑對氣流的阻礙。

3.3.3 改善方案的模擬結果

圖9表示case2(a)的模擬結果。從圖中可以看出，在風向為SSE的條件下，氣流主要是沿著a、b、c以及i等4條路徑流入住宅區(qū)內部，其中a、b、c等3條路徑與原始方案的結果相同，但是在b處，原始方案的流入氣流被建筑阻礙，無法有效地流入住宅區(qū)內部，而這種狀況在改善方案中得到了顯著改善。另外，在改善方案中i處出現(xiàn)的流入路徑有效地改善了平面右下區(qū)域的通風狀況。住宅區(qū)內部通風狀況的改善同時也有效的降低了區(qū)域內部的氣溫，尤其是在氣溫分布圖中i處沿流入路徑b的風下側出現(xiàn)了一條明顯的“低溫帶”，另外，d區(qū)也可以看到與原始方案相比氣溫得到明顯降低。

圖10表示case2(b)的模擬結果。由于調節(jié)建筑間距，使得風的流入通道加寬，所以f處的風速加大，通風狀況得到改善。同時，圖中k處的通風狀況也得到了明顯的改善，而這一結果也使得組團g處的氣流變得非常順暢，而在原始方案中該處的氣流被阻礙，成為弱風區(qū)。相應地，在改善方案中，h區(qū)的氣溫也得到了降低。

4 總結

在本文中應用作者等開發(fā)的室外熱環(huán)境模擬方法對于一個實際住宅區(qū)（Koshigaya Riverside Town），針對夏季的2個主導風向（SSE與ENE）條件下的室外熱環(huán)境進行了預測與評價，在此基礎上，通過分析模擬計算的結果，找出原始總平面設計中室外熱環(huán)境存在的問題點，并且有針對性地提出改善方案。改善方案通過對建筑間距進行微調，有效地改善了在上述2個主導風向條件下，住宅區(qū)內部的通風狀況，降低了住宅區(qū)內部的氣溫。

圖6 (1)風速矢量

圖6 (2)氣溫case1(a) 模擬結果的水平分布（高度1.5m處）

圖7 (1)風速矢量

圖7 (2)氣溫case1(b) 模擬結果的水平分布（高度1.5m處）

圖8 (1)原始方案

圖8 (2)改善方案改善方案示意圖

圖9 (1)風速矢量

圖9 (2)氣溫case2(a) 模擬結果的水平分布（高度1.5m處）

圖10 (1)風速矢量

圖10 (2)氣溫case2(b) 模擬結果的水平分布（高度1.5m處）

通過對原始方案與改善方案的比較，可以看出通過改變街區(qū)的空間形態(tài)與建筑群的組合關系是調節(jié)城市微氣候的有效手段；同時，采用熱環(huán)境模擬方法針對設計方案的熱環(huán)境狀況進行預測與評價，能夠為建筑設計提供科學的依據(jù)與技術支持。

[1] Ryozo Ooka, Recent development of assessment tools for urban climate and heat-island investigation especially based on experiences in Japan, International Journal of Climatology, 2007，27, 1919-1930

[2] Kimura F, Takahashi S, The effects of land-use and anthropogenic heating on the surface-temperature in the tokyo metropolitan-area- a numerical experiment, Atmospheric environment part b-urban atmosphere, 1991，25：155-164.

[3] T.R.Oke, Street design and urban canopy layer climate, Energy and Buildings,1998 11 (1-3):103-113

[4] Hong Chen, Ryozo Ooka, Hong Huang, Takashi Tsuchiya, Study on mitigation measures for outdoor thermal environment on present urban blocks in Tokyo using coupled simulation.Building and Environment, 2009,44:2290-2299

[5] Hong Chen, Ryozo Ooka,Kazuya Harayama, Shinsuke Kato, Xiaofen Li, Study on outdoor thermal environment of apartment block in Shenzhen, China with coupled simulation of convection, radiation and conduction,Energy and Buildings, 2004, 36:1247-1258