史 兵（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院城建學(xué)院，廣東 廣州 511325）

隨著城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，人為干擾形成了城市內(nèi)不同結(jié)構(gòu)類型的下墊面，影響了城市的風(fēng)向、風(fēng)速，外加交通排熱和建筑排熱等因素的影響，以及太陽輻射作用，城市熱環(huán)境問題越來越嚴(yán)峻。

下墊面既是城市的主體，也是城市生活的重要載體。不同的下墊面對不同氣候和環(huán)境的敏感度和適應(yīng)性有所差異。城市下墊面主要包括：城市鋪地、植被、水體、建筑物鋪面材料等。在人為作用下，城市下墊面與郊區(qū)下墊面相比，具有很小的熱容率與很大的熱導(dǎo)率，這種差異導(dǎo)致城市整體升溫更快。因此，通過比較不同類型、不同情況下下墊面性能的優(yōu)劣，從定性和定量分析的角度，研究城市下墊面與城市熱環(huán)境的影響關(guān)系，營造舒適宜居的生態(tài)城市。

目前，國內(nèi)外針對下墊面的研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展。D.TMihailovic等人[1-2]用等效、類比和數(shù)值模擬等方法詳細(xì)討論了建筑布局、植被、土地利用等對城市熱環(huán)境的影響，為城市熱環(huán)境的評(píng)估和改善奠定基礎(chǔ)。Tadahisa Katayama[3]對綠化小區(qū)的熱環(huán)境進(jìn)行了實(shí)測。WeijunGao[4]測量評(píng)估樹木對人行道熱環(huán)境的影響，模擬分析綠地對城市熱環(huán)境的影響。Haruhisa Shudo[5]測量分析了土地利用和環(huán)境溫度之間的關(guān)系。Monsi和Saeki得出冠層中輻射指數(shù)衰減的概念[6]。文獻(xiàn)[7-9]通過對觀測點(diǎn)不同范圍內(nèi)建筑率和綠地率建立線性回歸關(guān)系，發(fā)現(xiàn)溫度與綠地率存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，溫度與建筑率存在正相關(guān)關(guān)系，早上8:00和下午14:00線性相關(guān)關(guān)系不大，晚上20:00較顯著，綠地范圍太小時(shí)也不顯著。此外，楊偉和顧明[10]利用FLUENT中k-ε湍流模型對單體高層建筑的三維流動(dòng)風(fēng)場進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果做了比較，證實(shí)模擬方法的精確性。

本文將采用模型模擬的方法，合理選擇城市室外熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同的下墊面形式對城市小區(qū)熱環(huán)境的影響。首先，建立輻射模型，預(yù)測植被、水體等對太陽輻射的反射、吸收作用及換熱過程，利用k-ε方程建立三維冠層流動(dòng)模擬體系，對城市下墊面建筑性能與城市熱環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行綜合性研究。

1 模擬過程

1.1 計(jì)算理論

1.1.1 流場數(shù)值模擬計(jì)算方法

近地大氣流動(dòng)處于湍流流動(dòng)狀態(tài)，本文研究城市住宅小區(qū)建筑布局、植被、水體、鋪面等規(guī)劃因子對局地大氣流動(dòng)的影響，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算[11]。

其中，湍動(dòng)耗散率ε為：

湍動(dòng)黏度μt為k與ε的函數(shù)：

式中Cμ-待定經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（取0.09）

1.1.2 控制方程離散化方法

在運(yùn)用CFD技術(shù)對計(jì)算域離散時(shí)，運(yùn)用有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）進(jìn)行離散，其中，壓力梯度項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)選用中心差分格式，對流項(xiàng)選用二階迎風(fēng)格式。

1.2 工況設(shè)計(jì)

本例小區(qū)共分有兩大不同的建筑設(shè)計(jì)，建筑長寬比分為2.0（建筑L=42m,B=21m）與3.0（L=63m,B=21m）兩種，建筑高度H分別為33m（外圍建筑11層）與45m（內(nèi)部建筑15層）。

本案例設(shè)置6種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，工況平面布置如圖1所示。其氣象條件參數(shù)的設(shè)置參考7月21日早上08:00、中午13:00和晚上18:00氣象站實(shí)測數(shù)據(jù)，具體參數(shù)設(shè)置見表1。

圖1 平面布局和采樣點(diǎn)布置圖

表1 模擬工況

2 結(jié)果分析

2.1 溫度場分析

提取1.5m高度處各采樣點(diǎn)不同時(shí)間溫度場數(shù)值模擬結(jié)果，將其統(tǒng)計(jì)值繪制成散點(diǎn)圖進(jìn)行對比分析，如圖2所示。得知，在以植被為主導(dǎo)作用的工況1、3、5中，采樣點(diǎn)1、2、3、4溫度均稍有降低，5、6、7溫度略有升高，在此位置受植被蒸騰作用影響較小，且缺乏上部空氣流通；在以水體為主導(dǎo)作用的工況2、4、6中，中午13:00時(shí)刻太陽輻射最強(qiáng)，蒸發(fā)作用最強(qiáng)，傍晚18:00水面有一定的保溫性，散熱較慢，各采樣點(diǎn)在不同時(shí)刻的溫度規(guī)律為：早晨最低，中午最高，傍晚中等。整體上在水體占主導(dǎo)作用時(shí)溫度較植被占主導(dǎo)時(shí)均有所降低，約0.6℃。

圖2 不同時(shí)刻1.5m高度各采樣點(diǎn)溫度散點(diǎn)圖

提取1.5m高度處各采樣點(diǎn)不同時(shí)間濕度場數(shù)值模擬結(jié)果，將其統(tǒng)計(jì)值繪制成散點(diǎn)圖進(jìn)行對比分析，如圖3所示?？芍?，在以植被為主導(dǎo)作用的工況1、3、5中，各時(shí)間點(diǎn)，采樣點(diǎn)5、6、7濕度沒有明顯變化，1、2、3、4點(diǎn)濕度逐漸升高；在以水體為主導(dǎo)作用的工況2、4、6中，各時(shí)刻在距離水體越近區(qū)域濕度越大；總體上，早上8:00時(shí)刻，相對濕度最大，中午13:00時(shí)刻在太陽輻射作用下水分蒸發(fā)較多，植被蒸騰作用最強(qiáng)烈，濕度最低，各時(shí)刻位于下風(fēng)向的采樣點(diǎn)3、4、7處，在風(fēng)向影響下較上風(fēng)向濕度偏大。在水體占主導(dǎo)作用下濕度約高出7%。

圖3 不同時(shí)刻1.5m高度各采樣點(diǎn)相對濕度

3 結(jié)語

植被通過蒸騰作用改變局域的溫度、濕度狀況，進(jìn)而影響住宅小區(qū)微氣候，而植被葉片在不同時(shí)刻不同環(huán)境下氣孔的開啟狀態(tài)有所差異，蒸騰作用就有所不同。由于不同時(shí)刻輻射作用的差異，葉片與空氣溫度有所不同，其蒸騰速率就有變化。同樣，由于不同時(shí)刻太陽輻射的不同，地面蒸發(fā)速率也相差較大，其對小區(qū)溫度、濕度都有一定程度的影響。