羅 慶，余九一，王漢斌，湯小敏

（重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

由于城市居住區(qū)熱環(huán)境的研究涉及了一些復(fù)雜建筑、材料和環(huán)境等因素，為了進(jìn)行相關(guān)研究，一些研究工作采用了簡化的方式，例如對(duì)單體建筑進(jìn)行室外熱環(huán)境研究［1］，或者對(duì)室外熱環(huán)境中的單一因素進(jìn)行分析［2－9］。另外一些研究工作則是針對(duì)分析區(qū)域進(jìn)行了最大限度的簡化，然后采用CFD建模的方式進(jìn)行分析［10－12］，雖然該方法的求解結(jié)果具有較詳細(xì)的分布信息，但是由于室外區(qū)域的構(gòu)成情況通常是比較復(fù)雜的，特別是對(duì)一些研究區(qū)域較大情況，因此，采用CFD建立計(jì)算機(jī)模型時(shí)，必然會(huì)對(duì)物理模型進(jìn)行了簡化，從而丟失了物理模型的部分原始信息。同時(shí)，在CFD求解室外區(qū)域熱環(huán)境中涉及到的太陽直射、散射能量在區(qū)域中的詳細(xì)分布，天空視角系數(shù)的分布等信息仍然存在一定的困難。

針對(duì)居住區(qū)當(dāng)前室外熱環(huán)境研究中存在的問題，本文采取了一種新的分析方法［13］，該方法采用了數(shù)字圖像分析的基本原理，將分析區(qū)域的原始信息，例如建筑布局、建筑材料、綠化分布、水體分布等信息根據(jù)它們的像素值的差異性識(shí)別出來，這樣在計(jì)算模型建立過程中最大限度的保留了物理模型的原始信息，并將這些因素的熱物理參數(shù)信息融入到整體的居住區(qū)室外熱環(huán)境模型中去。

1 圖像分析方法

1.1 圖像分析的基本原理

主要用到真彩色圖像（RGB），它是利用Red、Green、Blue 3個(gè)單色分量表示1個(gè)像素顏色［14－15］，并結(jié)合物體的光譜特性分布，分析每一種物體特定的顏色像素值，并根據(jù)其像素值的分布特點(diǎn)，對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，就能識(shí)別出某一類的下墊面物體。本文引入了數(shù)字圖像處理的原理，如圖1所示，并利用它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來儲(chǔ)存和提取居住區(qū)熱環(huán)境的相關(guān)信息。

圖1 圖像分析的基本原理

1.2 圖像識(shí)別過程

根據(jù)上述的基本原理，對(duì)某居住區(qū)的實(shí)際案例進(jìn)行相關(guān)分析。圖2是某小區(qū)的原始數(shù)字圖像，其顏色的像素值數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：400×400×3，即它是由3個(gè)400×400的數(shù)學(xué)矩陣構(gòu)成，該分析區(qū)域的實(shí)際尺寸為1600m×1600m。

圖2 分析區(qū)域的原始圖像

根據(jù)該區(qū)域識(shí)別的不同下墊面的樣本值，分別設(shè)置圖像識(shí)別標(biāo)識(shí)值，在全部圖像區(qū)域內(nèi)對(duì)R、G、B 3個(gè)圖層進(jìn)行識(shí)別，找出對(duì)應(yīng)的下墊面材料分布。以下是不同下墊面識(shí)別標(biāo)識(shí)值分布：

圖3～6是對(duì)圖2中全部像素值識(shí)別后得到的各類下墊面的圖像分布，根據(jù)這些識(shí)別后的圖像，可以設(shè)置各類下墊面的熱物性數(shù)據(jù)，為后期的室外熱環(huán)境數(shù)學(xué)模型的分析過程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 圖像識(shí)別后的硬化路面

圖4 圖像識(shí)別后的建筑分布

圖5 圖像識(shí)別后的水體分布

圖6 圖像識(shí)別后的植被分布

1.3 圖像分析與數(shù)學(xué)模型的結(jié)合

通過識(shí)別得到的下墊面材料分布后，對(duì)各類下墊面材料設(shè)置相應(yīng)的熱物理屬性參數(shù)［16－17］，這樣在整個(gè)圖像區(qū)域內(nèi)得到了包括不同材料密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)的圖像分布，并將這些數(shù)據(jù)信息全部儲(chǔ)存在不同的400×400像素的數(shù)學(xué)矩陣中，每一個(gè)矩陣都對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)文件，在利用室外熱環(huán)境數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析時(shí)，分別調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。數(shù)字圖像和數(shù)學(xué)模型的基本結(jié)合點(diǎn)是像素單元，所有的計(jì)算過程都是在像素單元內(nèi)完成的，其基本的計(jì)算思路如圖7所示。

圖7 數(shù)學(xué)模型與圖像分析方法結(jié)合框圖

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 下墊面導(dǎo)熱模型

2.1.1 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱解析 對(duì)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)（圖8）采用的基本計(jì)算公式是一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程：

圖8 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)圖

式中：αr為室外空氣與外壁的對(duì)流換熱系數(shù)；QWT為外壁接受到的總輻射量；ρ為反射率；QS為外壁長波輻射。

室內(nèi)側(cè)忽略輻射并設(shè)定室內(nèi)空氣溫度恒定，邊界條件：

2.1.2 地面導(dǎo)熱解析 圖9是地面導(dǎo)熱模型，采用類似的方法可以分析，并對(duì)水分蒸發(fā)問題進(jìn)行了綜合考慮：qv為水分蒸發(fā)過程中帶走的熱量［17］，在本研究中將此項(xiàng)的影響作為內(nèi)部熱源處理。

圖9 地面?zhèn)鳠崮Ｐ?/p>

相應(yīng)地，地面導(dǎo)熱的邊界條件為：

QGT為地面接受到的總輻射量。

對(duì)于地下，則設(shè)定第一類邊界條件：T＝const（x＝ 地下）。 （6）

2.2 輻射模型

2.2.1 直射輻射模型 地面及建筑水平面接收到的太陽直射輻射能量可以表達(dá)為［18］：

IS·Z為平面上的直射輻射；B為太陽高度角。

垂直面上的太陽直射輻射：

IC·Z為垂直面上的直射輻射強(qiáng)度；A為太陽方位角。

2.2.2 天空散射輻射模型 天空散射輻射能量的確定［19］：

ID為散射輻射；SVF為研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素單元對(duì)天空的視角系數(shù)，可以通過數(shù)字圖像計(jì)算求解。

2.2.3 建筑間的長波輻射和反射輻射 周邊建筑表面對(duì)分析面上的長波輻射，可以采用［13］：

σ為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)；εave為平均輻射面的發(fā)射率；Tave為周邊建筑平均表面溫度；Ai為分析面的面積。

通過周邊建筑表面對(duì)直射和散射等能量反射到分析面上的能量值采用式（11）計(jì)算［18］。

Qave為直射和散射平均能量強(qiáng)度之和；ρa(bǔ)ve為周邊建筑平均反射率［16］。

2.3 空氣能量平衡模型

區(qū)域（每個(gè)像素單元內(nèi)對(duì)應(yīng)的空氣）內(nèi)空氣的熱平衡式：

Qi為區(qū)域內(nèi)氣體的蓄熱量；QF·i為空氣運(yùn)動(dòng)所帶來的熱量；QC·i為空氣與下墊面的對(duì)流換熱量。

區(qū)域內(nèi)部空氣溫度變化，即：

ρi、Cpi、Vi、Ti分別為i區(qū)域氣體的密度、比熱、體積、溫度，i為時(shí)間。

2.4 室外熱環(huán)境模型的求解

首先，根據(jù)原始圖像的分類識(shí)別，獲取建筑、材料等信息，并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)文件中，便于后期計(jì)算時(shí)調(diào)用。其次，以像素單元為分析對(duì)象，將空氣平衡過程、輻射換熱、導(dǎo)熱熱量傳遞三者實(shí)現(xiàn)耦合計(jì)算，即將計(jì)算得到的地面溫度同時(shí)被空氣能量模型、輻射模型調(diào)用；輻射模型的計(jì)算結(jié)果被導(dǎo)熱模型調(diào)用等。通過三者之間計(jì)算結(jié)果的相互調(diào)用，完成整個(gè)小區(qū)室外熱環(huán)境動(dòng)態(tài)分析，求得不同時(shí)刻小區(qū)下墊面的溫度和空氣溫度等參數(shù)。

3 案例分析

3.1 模擬計(jì)算

綜合上述分析方法，對(duì)圖2中所示的案例進(jìn)行逐小時(shí)計(jì)算，計(jì)算時(shí)間為2011年9月27日8：00到28日7：00，圖10是該分析區(qū)域下墊面在幾個(gè)典型時(shí)刻的溫度分布。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在人工硬化路面區(qū)域具有明顯的溫度差異性圖像，同樣由于受到人工下墊面的強(qiáng)烈影響，其對(duì)應(yīng)上方的空氣溫度相對(duì)較高。

圖10 典型時(shí)刻下墊面溫度圖像分布

圖11 典型時(shí)刻空氣溫度圖像分布

3.2 測試與模擬結(jié)果對(duì)比分析

針對(duì)模擬分析的案例，在相同時(shí)間內(nèi)，對(duì)案例的中2個(gè)典型點(diǎn)進(jìn)行了同步的逐小時(shí)測試（圖12），測試時(shí)間為2011年9月27日8：00到28日7：00。下墊面表面溫度的測試采用紅外表面測溫儀（型號(hào)：MS6530B），對(duì)應(yīng)的空氣溫度測試采用溫濕度記錄儀（型號(hào)：AZ8721）。

圖12 典型測試點(diǎn)分布

將測試點(diǎn)的下墊面和空氣溫度值與模擬分析中對(duì)應(yīng)的下墊面和空氣溫度進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到圖13、圖14的分布結(jié)果，其結(jié)果顯示測試結(jié)果和模擬結(jié)果比較接近，證明了該分析方法的合理性。

圖13 下墊面溫度測試值與模擬值對(duì)比

圖14 空氣溫度測試值與模擬值對(duì)比

4 結(jié) 論

利用數(shù)字圖像的基本原理，根據(jù)樣本圖像提供的基礎(chǔ)顏色像素值，從原始圖像中識(shí)別出不同類型的下墊面材料屬性，提取了物理模型中的基本信息，為數(shù)學(xué)模型提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并以像素單元為基本的分析對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了圖像與數(shù)學(xué)模型的結(jié)合，有效的分析了居住區(qū)室外熱環(huán)境的分布情況，為室外熱環(huán)境研究方法提供了新的參考。

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