盛景四，張 偉，劉 歡

（1.天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384；2.青島平建建筑安裝股份有限公司 營運部，山東 青島 266700）

隨著城市化進(jìn)程的加快，地面硬化、植被減少，原有的低密度的建筑環(huán)境被改變；經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)化的加快，導(dǎo)致空氣污染物的排出增加，隨之而來的一系列環(huán)境問題引起了全球范圍內(nèi)的關(guān)注.緩解城市熱島效應(yīng)可以改善城市氣候，進(jìn)而遏制全球變暖.

在國外，Zhang 等[1]研究發(fā)現(xiàn)，兩個城市的熱島效應(yīng)甚至?xí)B加，存在“上下游效應(yīng)”；Doick 等[2]發(fā)現(xiàn)大面積綠化產(chǎn)生降溫作用的垂直影響范圍達(dá)20～440 m，平均降溫可達(dá)1.102 ℃，最大可達(dá)4 ℃；Tsoka[3]的研究表明，用冷材料取代傳統(tǒng)涂料和額外的樹木有助于降低建筑表面和空氣的溫度；2011 年，Dimoudi 等[4]研究發(fā)現(xiàn)，城市規(guī)劃的形態(tài)特征（道路寬度、建筑物高度等）和綠色區(qū)域的存在以及覆蓋的材料影響了城市峽谷內(nèi)的氣流和熱平衡.在國內(nèi)，廖詩家[5]通過FLUENT模擬提出緩解熱島效應(yīng)的措施；其他學(xué)者也對熱島效應(yīng)的成因進(jìn)行了理論與氣象數(shù)據(jù)分析，最后應(yīng)用CFD進(jìn)行整體改進(jìn)方案驗證[6-7].

1 研究對象與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域為動漫園區(qū)，位于天津濱海新區(qū)，占地3.6 km2，園區(qū)內(nèi)共計16 片建筑區(qū)域，其中，B1-B9、B11、B12 已建成，B10、B13-B16 未建成.動漫園內(nèi) 9個氣象監(jiān)測點（見圖1）的實時測量數(shù)據(jù)用于對模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗證.各測點的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、輻射量等數(shù)據(jù)由安裝在2.5 m 高度處的氣象監(jiān)測傳感器監(jiān)測，每5 min 記錄1 次數(shù)據(jù)，如圖2 所示.

圖1 動漫園區(qū)測點分布

圖2 氣象監(jiān)測點示意

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

欲準(zhǔn)確仿真室外熱環(huán)境，需要較為精確地描述下墊面的物性及地形.首先對住區(qū)諸多要素進(jìn)行了適當(dāng)簡化，如使建筑外形更接近于長方體、樹木簡化為長方體等[8].動漫園內(nèi)最高建筑的高度為52 m，計算域的范圍為2 203 m×2 530 m×300 m，面積5.57 km2，整個計算域的網(wǎng)格總數(shù)量約為390 萬，物理仿真模型如圖3 所示.

圖3 物理仿真模型

1.3 邊界條件設(shè)定

假定空氣流場為三維、定常、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的流體低速湍流流動.

（1）入口邊界條件：選用速度入口邊界條件[9]為

入口空氣溫度采用實測測點統(tǒng)計值，將臨近區(qū)域入口方向的測點平均溫度作為入口空氣溫度.

（2）其他邊界條件：出口邊界條件是自由出流邊界條件；頂面邊界條件是對稱邊界條件；側(cè)面邊界條件是對稱邊界條件；建筑表面的邊界條件是無滑移壁面邊界條件.對于入口湍流脈動動能和湍流耗散率，采用默認(rèn)值.出口定義為壓力出流邊界條件.

父母的單位發(fā)了一捆一捆的帶魚，煎成脆脆的，饅頭切成片裹了蛋液炸一炸。方便面煮起來真香啊，副食品大樓里有粉色塑料小盒裝的奶油蛋糕，五顏六色的花旁是綠色的奶油樹葉。

建筑壁面和下墊面設(shè)置同為靜止壁面，F(xiàn)LUENT中設(shè)置為無滑移壁面邊界條件，建筑表面附近，利用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法（standard wall functions）對湍流模型進(jìn)行修正.墻體的對流換熱系數(shù)取23 W/（m2·K），墻體厚度設(shè)置為300 mm，各下墊面基本參數(shù)見表1.

表1 各下墊面基本參數(shù)

1.4 模型驗證

為了驗證計算結(jié)果的有效性，在此引入相對誤差

式中：δ 為i 時刻的實測值與仿真值的相對誤差；Δ 為i時刻的絕對誤差，即實測值與仿真值的差的絕對值；L為i 時刻的實測值，℃.

選取2015-03-22 作為春季典型日，07-17 作為夏季典型日，09-22 作為秋季典型日，12-26 作為冬季典型日；以7#、8#和9#測點作為實測點，各測點實測與仿真溫度對比如圖4 所示.

圖4 各測點實測與仿真溫度曲線對比

各測點在各季節(jié)典型日的溫度實測值與仿真值的誤差結(jié)果列于表2.

表2 各季節(jié)典型日的溫度實測值與仿真值的誤差 %

根據(jù)實測與仿真數(shù)據(jù)之間的比對驗證表明：所建立的整個仿真模型是可靠和有效的，選用的仿真方法是可行的.

2 室外熱環(huán)境的仿真分析

2.1 綠化形式對室外熱、風(fēng)環(huán)境的影響

綠化對室外熱環(huán)境的改善，主要影響空氣的流動，對流、長短波輻射、導(dǎo)熱、水汽平衡等對熱濕平衡的影響，以及樹木遮陽作用從而減弱太陽輻射對人體及下墊面的照射，進(jìn)而降低下墊面溫度，增加人體舒適感.

根據(jù)動漫園綠化布局進(jìn)行簡化，綠化面積約為49 920 m2，占動漫園區(qū)域面積1.44%，利用CFD 仿真，分別設(shè)置綠化、草坪、灌木和高大喬木4 種不同植被形式.根據(jù)廖小琴[10]提供的等效吸收系數(shù)進(jìn)行仿真，其中，草坪、灌木和喬木的吸收系數(shù)分別為0.37、0.28、0.18.

4 種不同形式下1.5 m 水平切面處溫度分布和風(fēng)速分布參見圖5-6.由圖5 分析可知：無綠化時1.5 m水平切面溫度在29.50～29.80 ℃左右，建筑周圍溫度達(dá)到30.00 ℃以上；種植草坪之后，種植灌木時，綠化區(qū)域周圍溫度明顯下降，溫度在29.20 ℃左右，建筑周圍溫度降低，但B6 及B7 中庭區(qū)域溫度升高；種植喬木后，綠化區(qū)域溫度降至28.76 ℃以下.改善效果的排序為：喬木＞灌木＞草坪，相比灌木，喬木對B1 及B11、B12 區(qū)域溫度改善明顯.但同時發(fā)現(xiàn)，在綠化形式為灌木或喬木時，B1 北側(cè)及B7 中庭處會產(chǎn)生溫度升高的現(xiàn)象.

圖5 不同綠化形式下Z=1.5 m 水平切面處溫度云圖

圖6 不同綠化形式下Z=1.5 m 水平切面處風(fēng)速云圖

由圖6 可知：種植灌木喬木時，風(fēng)速明顯降低，無綠化時在B4、B8 附近有兩處風(fēng)速明顯超過5 m/s；而在種植灌木與喬木之后，1.5 m 水平切面風(fēng)速過高的兩處明顯得到改善，喬木效果最佳；但由于B1 東北側(cè)及B6、B7 周圍風(fēng)速的降低，致使中庭通風(fēng)減少，熱量積聚，顯然此處溫度升高是由于排熱不暢引起的.

由圖5 和圖6 可知，種植草坪與高大喬木結(jié)合效果最佳，可以降低室外空氣溫度，從而減小熱島效應(yīng)；但是綠化的種植需要謹(jǐn)慎規(guī)劃，尤其是在垂直風(fēng)向的通道處及靠近建筑中庭處，綠化規(guī)劃時，需要考慮其影響，或者采取其他方式解決其引發(fā)的中庭溫度過高的現(xiàn)象.

圖7 為 01-06T08：00 時 Z=1.5 m 切面處溫度及風(fēng)速云圖.由于動漫園區(qū)域種植多為落葉喬木、灌木，冬季大部分樹木落葉，此時，樹干對風(fēng)速的阻力雖不如樹冠明顯，但依然可以減小風(fēng)速，加之蒸騰作用可以忽略，冬季綠化處溫度依然較高，不會出現(xiàn)過低溫度.所以，運用常綠植物及落葉植物的合理搭配種植，對改善夏季熱島效應(yīng)是有效的方法，同時冬季也無須擔(dān)心出現(xiàn)局部溫度過低.

圖7 Z=1.5 m 水平切面處溫度及風(fēng)速云圖

2.2 水體對室外熱環(huán)境的影響

水體對其上方溫度場的影響如圖8 所示.圖8a 為設(shè)置水體后1.5 m 高度處水平切面的溫度云圖，水體上方1.5 m 水平切面空氣溫度為28.20～29.20 ℃；將水體改為鋪磚（見圖8b），空氣溫度為 29.50～29.80 ℃，溫度升高0.60～1.30 ℃，可以看出水體對空氣降溫改善效果顯著.

圖8 Z=1.5 m 切面處溫度云圖

將原來水體位置改為草坪，建筑B1 周圍其他綠化區(qū)域改為小塊水體，設(shè)置后的示意如9 所示.

圖9 仿真區(qū)域示意

圖10 為X=-403 m（東南—西北）方向垂直切面處溫度云圖.從圖10 可以看出，綠化位于東南側(cè)時，由于綠化對風(fēng)場的削弱，建筑區(qū)域熱量無法及時排出，溫度較高，建筑西北方向綠化與水體的影響范圍較小；將水體移至B1 東南側(cè)后，水體西北側(cè)比東南側(cè)的溫度改善范圍更廣.這是由于風(fēng)向為東南風(fēng)，水蒸汽隨著空氣流動向西北側(cè)遷移，蒸發(fā)使空氣降溫，建筑區(qū)域的局部高溫現(xiàn)象消失.

圖10 X=-403 m 垂直切面處溫度云圖

水體對室內(nèi)濕度的影響較大，且隨著水體與建筑物的距離增加，其對室內(nèi)相對濕度的影響減弱.當(dāng)水體離建筑物的距離在10～15 m 時，室內(nèi)相對濕度的增加量明顯減少；水體對建筑室內(nèi)空氣溫度影響不明顯.隨著室外來流速度的提高，水蒸汽與室外空氣混合程度提高，此外由于對流換熱和對流傳質(zhì)增加，室內(nèi)氣溫降低，室內(nèi)的相對濕度會下降；隨著水體面積的增大，室內(nèi)的相對濕度也相應(yīng)增大，室內(nèi)外濕度相關(guān)性非常密切[11].水體對1.5 m 水平切面空氣溫度有明顯的降溫作用，而且水體對風(fēng)向下游的位置影響范圍更廣；水體離建筑較近時，還對室內(nèi)濕度產(chǎn)生一定影響.

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值仿真方法，定量研究了綠化形式和水體對城市街區(qū)尺度下室外熱環(huán)境的影響，得到主要結(jié)論如下.

（1）綠化的改善效果：喬木＞灌木＞草坪，種植草坪與高大喬木結(jié)合效果最佳，可以降低室外空氣溫度，從而減弱城市熱島效應(yīng).

（2）夏季，水體溫度在一天中變化較小，保持相對恒定，對空氣溫度的影響可高達(dá)20 m.其他下墊面對空氣溫度影響在10 m 左右，溫度水平布置差異最明顯.建筑的密集度會影響熱量的排出.在仿真中增設(shè)水體，1.5 m 水平切面空氣溫度降低0.60～1.30 ℃.

（3）仿真結(jié)果和實測結(jié)果的誤差受到諸多因素影響，但從全年來看，相對誤差在0%≤δ≤15%區(qū)間內(nèi)所占比例90%以上，證明了本仿真方法是可行的和有效的，同時也保證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性.

（4）在小區(qū)規(guī)劃設(shè)計時，可合理規(guī)劃草坪、灌木以及喬木種植位置，建筑東南近壁側(cè)可布置草坪或低矮的灌木，道路兩側(cè)種植喬木，且不能過于密集，建筑西南及東北方向種植喬木.盡量將水體設(shè)置在建筑的夏季上游風(fēng)側(cè)，這樣在夏季降溫范圍更廣，在冬季可小幅提升建筑附近溫度.