謝岸峰 肖博豐

廣東工業(yè)大學(xué)/土木與交通工程學(xué)院 廣東 廣州 510006

引言

目前，城市化的進(jìn)程改變了原有的下墊面狀況[1]和建筑布局。城市建筑物會(huì)對(duì)城市氣流產(chǎn)生影響，不同的建筑物表面還會(huì)與氣體產(chǎn)生各異的對(duì)流換熱過程[2]。建筑布局的變化會(huì)改變?cè)械膭?dòng)量、能量與物質(zhì)交換過程，使局部地區(qū)的風(fēng)速、溫度、濕度、輻射發(fā)生改變，形成不同于大氣候的局地微氣候[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)突破了傳統(tǒng)實(shí)測方法和模型實(shí)驗(yàn)方法[4]工作量大且和實(shí)驗(yàn)周期長的問題，通過對(duì)城市微氣候的控制方程組進(jìn)行求解，模擬現(xiàn)實(shí)出現(xiàn)的氣候情況[5]。國內(nèi)外學(xué)者在數(shù)值模擬城市建筑布局對(duì)城市風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境的影響方面做了諸多研究[6-9]。但大多數(shù)研究的建筑布局缺乏代表性，且使用的數(shù)值模擬軟件為通用的流體力學(xué)計(jì)算軟件，對(duì)城市微氣候研究缺乏針對(duì)性。本文將采用經(jīng)驗(yàn)證精度良好[10-14]的專業(yè)CFD微氣候模擬軟件ENVI-met對(duì)四種具有代表性的建筑布局進(jìn)行數(shù)值模擬，以得出居住小區(qū)建筑布局對(duì)局地微氣候的影響規(guī)律。

1 局地微氣候的數(shù)值模擬

流域內(nèi)氣體視為不可壓縮氣體，對(duì)風(fēng)場，綜合考慮地球自轉(zhuǎn)偏向力、浮力的影響，并考慮湍流的作用。引入能量方程和物質(zhì)守恒方程，考慮空氣與各邊界的熱量和水汽交換。對(duì)于輻射計(jì)算，通過輸入模擬區(qū)域所在位置的經(jīng)緯度、模擬時(shí)刻、天空晴朗程度等，由內(nèi)置輻射模型自動(dòng)加載入射的短波和長波輻射通量。對(duì)于土壤中溫度和濕度的計(jì)算，采用一維土壤模型，考慮熱量和水分的垂直輸運(yùn)。

1.1 控制方程組

基于ENVI-met軟件的局地微氣候模擬可以用以下控制方程加以描述：

（1）質(zhì)量守恒方程

（2）動(dòng)量守恒方程

式中，u,v,w為三個(gè)方向的風(fēng)速，m/s；為壓力波動(dòng)值，Pa；為湍動(dòng)能交換系數(shù)；f為科里奧利力常數(shù)（10-4s-1）； 為地球自轉(zhuǎn)風(fēng)速度，m/s；為重力加速度，m/s2；為z高度處的氣溫， 則表示z高度處的參考溫度，K；為源項(xiàng)。

（3）能量守恒方程

（4）物質(zhì)守恒方程

2 建筑布局對(duì)住宅小區(qū)熱舒適性的影響

2.1 模擬工況設(shè)計(jì)

圖1 建筑平面布局形式

本文以廣州夏季典型氣象日（平均溫濕度與太陽輻射強(qiáng)度與該月平均值最接近的一日）和夏季極端氣象日（該月平均干球溫度最高的一日）作為模擬對(duì)象，模擬地點(diǎn)為廣州（23.8°N，113.17°E）。夏季典型氣象日模擬的時(shí)間段選定為2018年7月13日09∶00～18∶00，10m處風(fēng)速為2.0m/s，風(fēng)向?yàn)?35°(SE)，太陽輻射調(diào)整系數(shù)為1.2。將廣州當(dāng)天的溫度與濕度情況按小時(shí)輸入到軟件中。根據(jù)Chen[15]的研究成果，將溫度和濕度邊界取為Open式，將湍流邊界取為Forced式。本文根據(jù)實(shí)際建筑的布局特征規(guī)律，將住宅小區(qū)布局簡化為四種：行列式、斜列式、圍合式和錯(cuò)列式。建筑布局如圖1所示，其中建筑尺寸日照間距為防火間距為

2.2 模擬結(jié)果分析

本文以標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET（Standard Effective Temperature）作為熱舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)有效溫度高于30℃時(shí)，熱舒適性隨標(biāo)準(zhǔn)有效溫度的升高而降低。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)有效溫度高于40℃時(shí)，人體皮膚將無法蒸發(fā)水分，人體感覺很熱，難以忍受。

夏季典型氣象日標(biāo)準(zhǔn)有效溫度分析。

夏季典型氣象日模擬時(shí)間段內(nèi)四種典型建筑布局形式在住宅小區(qū)外部區(qū)域的人行高度（1.5m）處的平均有效溫度SET的變化趨勢如圖2所示，取15∶00時(shí)刻人行高度處平均有效溫度SET進(jìn)行分析，SET范圍分布圖如圖3所示，SET分布云圖如圖4所示。

圖2 1.5m高度處平均SET變化趨勢圖

圖3 15:00時(shí)刻1.5m高度處SET范圍分布圖

圖4 15∶00時(shí)刻距地1.5m高處SET分布云圖

由圖2可以看出，各建筑布局室外人行高度處平均標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET隨時(shí)間的變化趨勢是一致的，標(biāo)準(zhǔn)有效溫度最低出現(xiàn)在9∶00處，隨時(shí)間推移平均SET逐漸上升，在15∶00時(shí)刻達(dá)到峰值后開始下降。在13∶00～17∶00時(shí)，四類建筑布局的平均SET均超過40度，此時(shí)人體熱舒適性很差，難以忍受。在峰值15∶00時(shí)刻，圍合式建筑平均SET明顯低于其他三類，為42.25℃。行列式和錯(cuò)列式的平均SET值最高，為42.50℃。

選取SET峰值時(shí)刻15∶00進(jìn)行對(duì)比分析。圖3為下午15∶00時(shí)刻四種建筑布局形式SET分布情況。高SET值區(qū)（SET＞44.0℃）的面積占比情況為：斜列式（12.76%）＞行列式（8.83%）＞圍合式（8.52%）＞錯(cuò)列式（8.28%）；低SET值區(qū)（SET＜41.0℃）面積占比情況為：圍合式（21.3%）＞斜列式（17.71%）＞行列式（15.49%）＞錯(cuò)列式（14.37%）。由以上SET分布情況可知，斜列式的高SET 占比明顯高于其他三者，其部分區(qū)域熱舒適性很差。圍合式建筑布局低SET區(qū)域分布面積明顯大于其他三者，具有較多熱舒適性較好區(qū)域，總體熱舒適性也占優(yōu)。

由圖4，15∶00時(shí)刻陽光從西面照射，在建筑物東面出現(xiàn)背陽面，溫度較低。圍合式布局由于遮擋面積較大，低溫部分面積較大，熱舒適性較高。而在建筑物間的巷道處，由于巷道效應(yīng)氣體流速上升，比較有利于熱量的輸送，在巷道內(nèi)部溫度比建筑物周圍溫度低。在建筑物周圍，由于建筑物直接接收太陽輻射，且吸收率較大，建筑物表面溫度較高，對(duì)周圍氣體有加熱效應(yīng)。同時(shí)由于建筑表面為固定不滑移壁面，流體在其表面形成邊界層，流速較低，氣體熱量不能及時(shí)排出，導(dǎo)致建筑物周圍區(qū)域特別是向陽面周邊普遍溫度較高。

綜上所述，在夏季典型氣象日，四種建筑布局中，圍合式建筑布局室外人行高度熱環(huán)境舒適性最優(yōu)，其他三種建筑布局均表現(xiàn)較差。各建筑布局的SET分布差異性明顯，主要體現(xiàn)在巷道內(nèi)部和建筑背陽面熱舒適性較好，而建筑向陽面周邊熱舒適性較差。各建筑布局處均有部分區(qū)域熱舒適性較差，其中以斜列式建筑最為明顯。

3 結(jié)束語

本文研究了華南地區(qū)四種典型建筑布局對(duì)廣州地區(qū)居住小區(qū)微氣候的影響，將廣州夏季典型氣象日工況輸入到ENVI-met軟件中，對(duì)行列式、錯(cuò)列式、圍合式和斜列式建筑布局進(jìn)行數(shù)值模擬研究。以標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET為室外熱環(huán)境舒適的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得出了四種典型居住小區(qū)建筑布局室外人行高度處平均標(biāo)準(zhǔn)有效溫度的逐時(shí)變化規(guī)律，并選取SET的峰值時(shí)刻15∶00進(jìn)行SET分布規(guī)律分析，得出的結(jié)論為：

在夏季典型氣象日，各建筑布局的平均SET的變化規(guī)律基本相同，且均在15∶00時(shí)刻達(dá)到峰值。在夏季典型氣象日，圍合式建筑布局的室外熱舒適度最好，斜列式建筑布局室外熱舒適度均最差。在夏季極端氣象日中，四種建筑布局的室外人行高度處標(biāo)準(zhǔn)有效溫度在模擬時(shí)間段內(nèi)均高于40℃且在峰值處高于45℃限值，十分不利與居民健康。夏季極端氣象日中的高SET值區(qū)域的分布面積高于夏季典型氣象日，且低SET值區(qū)域小于夏季典型氣象日，總體SET比夏季典型氣象日高。

本文對(duì)建筑小區(qū)布局進(jìn)行了簡化，模擬的住宅小區(qū)布局?jǐn)?shù)量較少且未考慮較為復(fù)雜的建筑布局。模擬中未考慮住宅小區(qū)中可能存在的植被和水體對(duì)熱環(huán)境的影響，且輸入的氣象條件中風(fēng)速風(fēng)向均為定值。在今后的模擬中，可以按實(shí)際住宅小區(qū)形式進(jìn)行建模，并引入植被和水體的影響，并嘗試輸入動(dòng)態(tài)化的風(fēng)速風(fēng)向條件。