李 瓊,孟慶林,趙立華

(華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室,廣州 510640)

教學(xué)組團夏季室外熱環(huán)境特征與計算模型驗證

李 瓊,孟慶林,趙立華

(華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室,廣州 510640)

對濕熱地區(qū)典型教學(xué)組團的夏季室外熱環(huán)境進(jìn)行了33 h晝夜連續(xù)實測。根據(jù)氣象參數(shù),行人高度上溫度、濕度、風(fēng)速和濕球黑球溫度(WBGT)分布以及典型地表溫度等的測試結(jié)果,得到濕熱地區(qū)教學(xué)組團夏季室外熱環(huán)境的主要特征。測試結(jié)果表明,組團內(nèi)的天井、架空、透水磚可有效降低夏季白天行人高度處的空氣溫度及WBGT,一些建筑設(shè)計手法對組團夏季白天室外熱舒適的改善效果依次為：架空＞天井＞透水磚路面＞不透水磚路面＞混凝土路面。夜間,各測點的熱舒適性基本一致。將測試結(jié)果對組團室外風(fēng)速和WBGT現(xiàn)有計算模型進(jìn)行驗證研究。研究表明,數(shù)學(xué)公式計算值的相對誤差均不超過6%,與實測統(tǒng)計值相吻合。

濕熱地區(qū);教學(xué)建筑;室外熱環(huán)境;溫度;濕度

由于常年處于熱濕氣候的控制之下,“濕熱地 區(qū)”城市熱島效應(yīng)十分普遍[1]。隨著生活水平的不斷提高,如何減輕城市熱島效應(yīng),改善城市熱環(huán)境質(zhì)量已成為人們的迫切需要,也是建筑技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域的一個熱點研究問題[2-4]。

現(xiàn)場實測是研究城市熱環(huán)境的重要手段,多年來已有學(xué)者對建筑群周邊熱環(huán)境進(jìn)行了大量綜合測試研究[5-7],但鑒于實測成本的昂貴、現(xiàn)場條件的限制,中國目前關(guān)于建筑組團周邊熱環(huán)境的大規(guī)?，F(xiàn)場實測較少,尤其是24 h以上的連續(xù)測試更是鮮有報道。Giridharan等人對香港的3個典型居住小區(qū)在典型夏日白天時段15：00-18：00和夜間時段18：00-20：00的室外熱環(huán)境進(jìn)行了對比測試,主要分析設(shè)計參數(shù)如建筑表面反射率、建筑密度、天空視角因子和海拔對夜間熱島強度的影響,發(fā)現(xiàn)由于白天的蓄熱,夜間的城市熱島強度要高于白天,且設(shè)計參數(shù)的改變對夜間的影響更大,特別是反射率[8]。劉淑麗等人在典型夏日的9：00-20：00,測試了重慶大學(xué)B區(qū)學(xué)生宿舍樓群外“峽谷域”、“死水域”和“建筑風(fēng)道”3種建筑布局下的風(fēng)場、空氣溫濕度及相應(yīng)地點地表面溫度變化情況[9]。華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室也進(jìn)行了一系列相關(guān)的研究[10-11]。上述測試都是集中在典型夏日的某一個時段進(jìn)行,并且測試的參數(shù)相對較少。趙炎對重慶某小區(qū)進(jìn)行了微氣候的全面測試,揭示了此類小區(qū)夏季熱環(huán)境的主要特征[12],但也僅獲得了3個夏日9：00-21：00時段的數(shù)據(jù)。

教學(xué)樓是公共建筑的一個重要類型,受到眾多學(xué)者的關(guān)注,但是普遍來說對教室室內(nèi)熱環(huán)境的測試研究較多[13-14],而對教學(xué)樓周邊熱環(huán)境的實測研究卻并不多見。針對這一問題,該文對濕熱地區(qū)典型教學(xué)組團夏季室外熱環(huán)境進(jìn)行了晝夜連續(xù)觀測,并在測試的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步與組團室外風(fēng)速和濕球黑球溫度(WBGT)的現(xiàn)有回歸計算公式進(jìn)行比較研究,以驗證計算模型的準(zhǔn)確性,并揭示這類建筑組團的室外熱環(huán)境在夏季全天不同時段的分布特征,為城市生態(tài)規(guī)劃設(shè)計提供指引。

1 實測環(huán)境與過程

1.1測試環(huán)境概況

測試在廣州市華南理工大學(xué)西區(qū)教學(xué)樓組團進(jìn)行。該組團總占地面積近 2.6萬 m2,建筑密度30%,綠化率10%,容積率約為1.9,北面延至滑冰場,南面延至西五學(xué)生宿舍前,主要包括第31、32、33、34號教學(xué)樓,變電所及水電中心。其中,變電所及水電中心為3層建筑,31號教學(xué)樓為7層,32號教學(xué)樓為5層,33及34號教學(xué)樓均為6層。各棟建筑迎著廣州夏季主導(dǎo)風(fēng)向(SE)呈行列式布局,錯列有致,建筑間距在10 m以上,其間有大面積空地,種植有少量灌木及草坪。第31號教學(xué)樓前為小廣場,配有中心小花園。32號教學(xué)樓底部0～4 m內(nèi)架空,作為自行車棚。32、33號教學(xué)樓之間以及33、34號教學(xué)樓之間的連廊底部也多處架空,形成通透開敞的半室外空間。整個測試區(qū)域的路面包括不透水磚路面、透水磚路面及混凝土路面。測試區(qū)域地形圖與實景圖如圖1和圖2所示。

圖1 測試場地及測點布置

圖2 測試區(qū)實景

1.2 測試參數(shù)

測試從2008年8月14日9：00一直持續(xù)到8月15日18：00,共33 h,測試參數(shù)主要包括當(dāng)?shù)貧庀髤?shù),1.5m行人高度處的空氣溫濕度、風(fēng)速、黑球溫度及WBGT,典型地表溫度等。實測所用到的儀器詳見文獻(xiàn)[15]。其中,除1.5 m行人高度處的風(fēng)速、黑球溫度及WBGT采用人工讀數(shù)記錄之外,其它參數(shù)均由測量儀器自動記錄。

1.3 測點布置

測試區(qū)域共設(shè)置了1個氣象觀測點及9個地面觀測點,平面分布如圖1所示。各測點測量參數(shù)和所處位置如表1所示。

氣象觀測點所觀測的氣象參數(shù),代表了測試區(qū)域所處的大氣邊界層內(nèi)的主要氣象特征,對局地微氣候起主要作用,因此將作為分析的基準(zhǔn)值以比較不同測點的差別。廣州夏季的主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng),因此氣象觀測點選在教學(xué)樓組團上風(fēng)向9層高的西五學(xué)生宿舍的屋頂上空,這棟建筑也是測試場地附近最高的建筑。當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)由小型自動氣象站測得。

表1 測點位置與測量參數(shù)說明

2 實測結(jié)果與分析

2.1 參考?xì)庀髤?shù)測試結(jié)果

當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)測量結(jié)果如圖3-5所示。測試期間天氣晴朗,無降雨,溫度高,濕度大,屬于典型濕熱天氣。干球溫度平均值為 32.2℃,8月 14日16：00最大,約為36.2℃,8月15日6：00最低,約為27.8℃;相對濕度的變化趨勢與干球溫度相反,在測試期間的平均值約為60%,8月14日16：00為最低值39%,8月15日6：00達(dá)最大值77%;測試的第1天(8月14日)太陽輻射較為強烈,最大太陽輻射強度為937W/m2,出現(xiàn)在中午12：30,并且上、下午的輻射量基本對稱分布,測試的第2天(8月15日)太陽輻射較第1天弱,太陽輻射最強烈的時刻也是中午12：30,最大太陽輻射強度為732W/m2;測試的2天里,太陽輻射強度在午后都波動較大,8月14日從午后13：00到13：30,太陽輻射強度變化幅度為570W/m2,8月15日從午后12：30到13：00,太陽輻射強度變化幅度為425W/m2,這種午后時晴時陰的現(xiàn)象在濕熱地區(qū)夏季是非常普遍的,并且常伴隨著陣雨;8月14日19：00到8月15日6：00之間是夜間時段,太陽輻射強度為0;測試期間平均風(fēng)速約為1.59m/s,最大風(fēng)速出現(xiàn)在8月14日9：00,為3m/s,最小風(fēng)速出現(xiàn)在8月15日6：00,為0.5m/s,并且夜間(8月14日19：00-8月15日6：00)的風(fēng)速明顯較低,夜間風(fēng)速平均值為1.33 m/s,低于整個測試期間的風(fēng)速平均值;從風(fēng)向分布來看,整個測試期間以偏南的風(fēng)向為主。

圖3 氣象觀測點空氣干球溫度和相對濕度

圖4 氣象觀測點風(fēng)速和風(fēng)向

圖5 氣象觀測點太陽輻射強度

2.2行人高處空氣溫度

教學(xué)樓區(qū)各測點在離地1.5m高處的干球溫度與氣象溫度逐時對比如圖6所示。各測點在下午16：00左右溫度最高,早上6：00左右溫度最低。夜間各測點的溫度相差很小,白天差異明顯。白天,部分測點的空氣溫度從高到低普遍存在如下排序：滑冰場混凝土地面上空(測點B7)溫度＞教學(xué)樓間不透水磚路面上空(測點B4)溫度＞人行道小部分樹蔭下透水磚路面上空(測點B8)溫度＞西五宿舍附近十字路口、小部分樹蔭下透水磚路面上空(測點B9)溫度＞教學(xué)樓天井內(nèi)不透水磚路面上空(測點B3)溫度＞教學(xué)樓間連廊的架空層內(nèi)不透水磚路面上空(測點B6)溫度＞教學(xué)樓間灌木叢上空(測點B5)溫度＞32號教學(xué)樓首層架空層內(nèi)不透水磚路面上空(測點B2)溫度。由此可見,在濕熱地區(qū)建筑設(shè)計中常用的手法如遮陽、架空、天井、透水磚及綠化對室外空氣溫度的降低作用是非常顯著的。

圖6 典型測點1.5 m高處溫度逐時分布

2.3行人高處空氣濕度

由空氣溫度和相對濕度的測試結(jié)果,可求解出絕對濕度。典型測點在離地1.5m高處的絕對濕度逐時對比如圖7所示。由圖7可見,各測點在離地1.5 m高處的絕對濕度逐時變化趨勢與氣象絕對濕度相吻合。透水磚路面上空的測點 B8在離地1.5 m高處的絕對濕度普遍比其它測點高,這主要是因為該測點處在樹蔭下,并在教學(xué)樓組團所有測點中最靠近馬路,在測試期間,馬路上經(jīng)常有灑水。

圖7 典型測點1.5 m高處絕對濕度逐時分布

2.4行人高處風(fēng)速

典型測點在離地1.5m高處的風(fēng)速逐時對比如圖8所示。可見,各測點的風(fēng)速變化都很復(fù)雜,并無統(tǒng)一規(guī)律可循,且各測點的風(fēng)速波動幅度普遍比較大。位于31號教學(xué)樓前廣場上的測點B1,位于32號教學(xué)樓架空層內(nèi)的測點B2及位于滑冰場內(nèi)的測點B7最大風(fēng)速接近2 m/s。

圖8 典型測點1.5m高處風(fēng)速逐時分布

2.5行人高處濕球黑球溫度

典型測點在離地1.5 m高處的WBGT逐時對比如圖9所示。太陽輻射最強烈時刻(8月 14日12：30)過后約0.5 h(8月14日13：00),各點的WBGT值呈現(xiàn)出較大差異,排序如下：滑冰場無遮陽混凝土路面上空(測點B7)的WBGT＞33、34號教學(xué)樓間不透水磚路面上空(測點B4)的WBGT＞31號教學(xué)樓前無遮陽廣場的不透水磚路面上空(測點B1)的WBGT＞人行道小部分樹蔭下透水磚路面上空(測點B8)的WBGT＞西五宿舍東南側(cè)十字路口,小部分樹蔭下透水磚路面上空(測點B9)的WBGT＞32、33號教學(xué)樓之間小天井內(nèi)、不透水磚路面上空(測點B3)的WBGT＞32號教學(xué)樓架空層內(nèi)、不透水磚路面上空(測點B2)的WBGT。整體來看,教學(xué)樓組團在所有白天測試時刻,滑冰場無遮陽混凝土路面上空的測點B7熱舒適性最差,32號教學(xué)樓架空層內(nèi)的測點B2熱舒適性最好。建筑細(xì)節(jié)設(shè)計手法對夏季白天室外熱舒適的改善效果依次為：架空＞天井＞透水磚路面＞不透水磚路面＞混凝土路面。而對于夜間,各測點的熱舒適性相差不大。

圖9 典型測點1.5 m高處WBGT逐時分布

2.6地表溫度

測試中選取了滑冰場無樹蔭混凝土路面、31號教學(xué)樓前廣場無樹蔭不透水磚路面、人行道小部分樹蔭下透水磚路面這3種典型下墊面進(jìn)行地表溫度的測量,測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 典型地表溫度比較

從圖10可見,整個測試期間,滑冰場無樹蔭混凝土路面表面溫度普遍最高,在測試日15：00左右可達(dá)最高表面溫度約50.2℃;小部分樹蔭下透水磚路面的表面溫度普遍最低。但在夜間1：00-6：30之間,出現(xiàn)不透水磚路面的表面溫度比混凝土路面的表面溫度略高的情況。

不透水磚路面和透水磚路面相比,在夏季白天9：00-13：00之間,兩者的表面溫度相差不大;從13：00開始,不透水磚路面的表面溫度比透水磚路面的表面溫度越來越大,到午后16：30左右,兩者達(dá)到最大偏差,最大偏差可達(dá)8℃;16：30-次日9：00,不透水磚路面的表面溫度仍然比透水磚路面的表面溫度高,但兩者的偏差隨時間推移呈越來越小的趨勢。

3 組團室外風(fēng)速模型驗證

由于組團布局、建筑密度、容積率、首層架空、建筑迎風(fēng)面積比對組團室外風(fēng)場有重要的影響,李瓊采用CFD對1 664個典型樣本進(jìn)行計算,經(jīng)過回歸分析得出如下數(shù)學(xué)模型[16]：

式中：Rave為組團室外1.5 m高處任一風(fēng)向下的平均風(fēng)速比;X為建筑密度,%;Y為首層架空率,%;H為建筑群平均高度,m;K為建筑迎風(fēng)面積比。

將實測結(jié)果整理計算得到評價區(qū)域內(nèi)1.5 m高處的平均風(fēng)速比,并與公式(1)計算得到的值,進(jìn)行對比,如表2所示。限于篇幅,表2僅給出有代表性的7組數(shù)據(jù)。從表2可見,數(shù)學(xué)公式計算值與實測統(tǒng)計值相對誤差不超過6%,吻合性較高。該測試工作進(jìn)一步驗證了組團室外風(fēng)速的經(jīng)驗公式。

表2 單風(fēng)向下平均風(fēng)速比的實測統(tǒng)計值和數(shù)學(xué)公式預(yù)測值對比

4 組團室外WBGT模型對比研究

WBGT可綜合反應(yīng)環(huán)境的熱安全性和熱舒適性,已被選為室外熱環(huán)境的重要評價指標(biāo)。迄今,學(xué)者對WBGT指標(biāo)的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行過廣泛研究,并得到一些關(guān)聯(lián)式,如表3所示。其中：T a為空氣干球溫度,℃;T m r為長波輻射溫度,℃;RH為相對濕度,%;V為風(fēng)速,m/s;SR為總太陽輻射照度, W/m2,當(dāng)觀測點位于光照區(qū)時,SR為太陽直射輻射和太陽散射輻射之和,當(dāng)觀測點位于陰影區(qū)時, SR為太陽散射輻射照度。

表3 WBGT的計算模型

表3中模型1是Moran等人[17]基于以色列的實測數(shù)據(jù)回歸擬合而成,模型2和模型3是相應(yīng)作者[18-19]針對WBGT定義式中的黑球溫度、自然濕球溫度建立熱平衡方程,通過求解熱平衡方程式推導(dǎo)而來,模型4是張磊等人[20]基于廣州地區(qū)的實測數(shù)據(jù)回歸擬合而成。根據(jù)該文的實測結(jié)果,對上述4個模型進(jìn)行評價。測點B1處WBGT的測量值與模型1-4的計算值進(jìn)行比較,如圖11所示。各個模型的計算誤差如圖12所示。

圖11 B1測點WBGT測量值與不同計算模型的比較

圖12 B1測點不同模型WBGT計算相對誤差

限于篇幅,其它測點B2、B3、B4、B7、B8和B9的計算值不一一列出,僅給出各模型計算值與測量值的平均相對誤差絕對值MRE,如表4所示。表中, MRE的計算方法如式(2)所示。

表4 不同計算模型的MRE

式中：WBGT為測試值,WBG?T為計算值,N為測試總數(shù)。

從圖11可見,各模型計算值與實測值存在一些偏差,但比較接近。從圖12和表4可知,各模型的計算誤差均在6%以內(nèi),計算誤差較小。其中,模型4較其它3個模型的計算誤差稍微小一些,更為接近實測值。這是因為模型4的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源與該文的測試地點比較接近。該文的測試工作進(jìn)一步驗證了組團室外WBGT現(xiàn)有的幾個回歸計算模型的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

對濕熱地區(qū)某教學(xué)組團的夏季室外熱環(huán)境進(jìn)行了33 h連續(xù)實測工作,根據(jù)氣象參數(shù)、行人高度上各個測點的溫度、濕度、風(fēng)速和WBGT分布以及典型地表溫度等測試結(jié)果,得到濕熱地區(qū)典型教學(xué)組團夏季室外熱環(huán)境的主要特征。進(jìn)而將實測數(shù)據(jù)與組團室外風(fēng)速簡化計算模型和組團室外WBGT的現(xiàn)有4種回歸計算模型進(jìn)行對比研究。研究發(fā)現(xiàn)李瓊提出的組團室外風(fēng)速經(jīng)驗公式的計算值與實測統(tǒng)計值相對誤差均不超過6%,具有較高的計算準(zhǔn)確性。研究還表明,組團室外WBGT回歸計算公式的計算值與實測統(tǒng)計值相吻合,其中,模型4的平均相對誤差絕對值僅為2.89%。建筑組團室外風(fēng)速和WBGT的相關(guān)計算模型得到了進(jìn)一步驗證。

致謝：在實測場地土地利用現(xiàn)狀的前期勘測調(diào)研和實驗方案的制定過程中,得到了湖北省武漢市江夏區(qū)國土資源和規(guī)劃局李維同志的熱心幫助,表示衷心感謝!

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(編輯 胡英奎)

Analysis on Summer Thermal Environment Characteristic of a Teaching Building Cluster and Validation of Its Calculation Model

LIQiong,MENGQing-lin,ZHAOLi-hua
(State Key Laboratory of Subtropical Building Science,South China University of Technology,Guangzhou 510640,P.R.China)

A 33-hour field testofoutdoor thermalenvironmentwas carried out in a typical teaching building cluster located in the hotand humid zone in summer.From theexperiment results of local climate data,air temperature,humidity,w ind velocity and wet bulb globe temperature(WBGT)at the pedestrian-level, and the typical ground surface tem perature,the main characteristics of summer outdoor thermal environment of teaching building cluster in hot and humid zone are obtained.The results show that the patio,overhead and porous pavement can reduce the pedestrian air temperature and WBGT effectively at summer daytime.And the function of the follow ing designmethods to im prove theoutdoor therm al com fort at the summer daytime has the order like overhead＞patio＞porous pavement＞imporous pavement＞concrete road.TheWBGT at allmeasuring points at nighttime are almost the same.The test results are further used to verify the existing mathem aticalmodels of outdoor velocity and WBGT.The resu lts show that the relative errors are w ithin 6%.Then,the calculation values are in good agreement w ith the experimental values.

hot and humid zone;teaching building;outdoor therm al environment;temperature;humidity

TU111.3

A

1674-4764(2011)03-0112-07

2010-10-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(51008127,50720165805);國家國際科技合作計劃資助項目(2011DFA91210);廣東省自然科學(xué)基金資助項目(10451064101005823,8251064101000006);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20100172120006);華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室資助課題(2011ZC20);華南理工大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(2009ZM0088,2009ZZ0067);華南理工大學(xué)自然科學(xué)基金資助項目(x2jzE5090660)

李瓊(1980-),女,博士,主要從事建筑環(huán)境與節(jié)能研究,(E-mail)arliqiong@scut.edu.cn。