教學組團夏季室外熱環境特征與計算模型驗證

李 瓊,孟慶林,趙立華

(華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,廣州 510640)

教學組團夏季室外熱環境特征與計算模型驗證

李 瓊,孟慶林,趙立華

(華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,廣州 510640)

對濕熱地區典型教學組團的夏季室外熱環境進行了33 h晝夜連續實測。根據氣象參數,行人高度上溫度、濕度、風速和濕球黑球溫度(WBGT)分布以及典型地表溫度等的測試結果,得到濕熱地區教學組團夏季室外熱環境的主要特征。測試結果表明,組團內的天井、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。將測試結果對組團室外風速和WBGT現有計算模型進行驗證研究。研究表明,數學公式計算值的相對誤差均不超過6%,與實測統計值相吻合。

濕熱地區;教學建筑;室外熱環境;溫度;濕度

由于常年處于熱濕氣候的控制之下,“濕熱地 區”城市熱島效應十分普遍[1]。隨著生活水平的不斷提高,如何減輕城市熱島效應,改善城市熱環境質量已成為人們的迫切需要,也是建筑技術科學領域的一個熱點研究問題[2-4]。

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

教學樓是公共建筑的一個重要類型,受到眾多學者的關注,但是普遍來說對教室室內熱環境的測試研究較多[13-14],而對教學樓周邊熱環境的實測研究卻并不多見。針對這一問題,該文對濕熱地區典型教學組團夏季室外熱環境進行了晝夜連續觀測,并在測試的基礎上,進一步與組團室外風速和濕球黑球溫度(WBGT)的現有回歸計算公式進行比較研究,以驗證計算模型的準確性,并揭示這類建筑組團的室外熱環境在夏季全天不同時段的分布特征,為城市生態規劃設計提供指引。

1 實測環境與過程

1.1測試環境概況

測試在廣州市華南理工大學西區教學樓組團進行。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,南面延至西五學生宿舍前,主要包括第31、32、33、34號教學樓,變電所及水電中心。其中,變電所及水電中心為3層建筑,31號教學樓為7層,32號教學樓為5層,33及34號教學樓均為6層。各棟建筑迎著廣州夏季主導風向(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號教學樓前為小廣場,配有中心小花園。32號教學樓底部0～4 m內架空,作為自行車棚。32、33號教學樓之間以及33、34號教學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 測試區實景

1.2 測試參數

測試從2008年8月14日9：00一直持續到8月15日18：00,共33 h,測試參數主要包括當地氣象參數,1.5m行人高度處的空氣溫濕度、風速、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[15]。其中,除1.5 m行人高度處的風速、黑球溫度及WBGT采用人工讀數記錄之外,其它參數均由測量儀器自動記錄。

1.3 測點布置

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

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

表1 測點位置與測量參數說明

2 實測結果與分析

2.1 參考氣象參數測試結果

當地氣象參數測量結果如圖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象在濕熱地區夏季是非常普遍的,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;測試期間平均風速約為1.59m/s,最大風速出現在8月14日9：00,為3m/s,最小風速出現在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)的風速明顯較低,夜間風速平均值為1.33 m/s,低于整個測試期間的風速平均值;從風向分布來看,整個測試期間以偏南的風向為主。

圖3 氣象觀測點空氣干球溫度和相對濕度

圖4 氣象觀測點風速和風向

圖5 氣象觀測點太陽輻射強度

2.2行人高處空氣溫度

教學樓區各測點在離地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＞教學樓天井內不透水磚路面上空(測點B3)溫度＞教學樓間連廊的架空層內不透水磚路面上空(測點B6)溫度＞教學樓間灌木叢上空(測點B5)溫度＞32號教學樓首層架空層內不透水磚路面上空(測點B2)溫度。由此可見,在濕熱地區建筑設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,并在教學樓組團所有測點中最靠近馬路,在測試期間,馬路上經常有灑水。

圖7 典型測點1.5 m高處絕對濕度逐時分布

2.4行人高處風速

典型測點在離地1.5m高處的風速逐時對比如圖8所示。可見,各測點的風速變化都很復雜,并無統一規律可循,且各測點的風速波動幅度普遍比較大。位于31號教學樓前廣場上的測點B1,位于32號教學樓架空層內的測點B2及位于滑冰場內的測點B7最大風速接近2 m/s。

圖8 典型測點1.5m高處風速逐時分布

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號教學樓間不透水磚路面上空(測點B4)的WBGT＞31號教學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號教學樓之間小天井內、不透水磚路面上空(測點B3)的WBGT＞32號教學樓架空層內、不透水磚路面上空(測點B2)的WBGT。整體來看,教學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號教學樓架空層內的測點B2熱舒適性最好。建筑細節設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種典型下墊面進行地表溫度的測量,測試結果如圖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,兩者達到最大偏差,最大偏差可達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、建筑迎風面積比對組團室外風場有重要的影響,李瓊采用CFD對1 664個典型樣本進行計算,經過回歸分析得出如下數學模型[16]：

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

將實測結果整理計算得到評價區域內1.5 m高處的平均風速比,并與公式(1)計算得到的值,進行對比,如表2所示。限于篇幅,表2僅給出有代表性的7組數據。從表2可見,數學公式計算值與實測統計值相對誤差不超過6%,吻合性較高。該測試工作進一步驗證了組團室外風速的經驗公式。

表2 單風向下平均風速比的實測統計值和數學公式預測值對比

4 組團室外WBGT模型對比研究

WBGT可綜合反應環境的熱安全性和熱舒適性,已被選為室外熱環境的重要評價指標。迄今,學者對WBGT指標的關聯式進行過廣泛研究,并得到一些關聯式,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為風速,m/s;SR為總太陽輻射照度, W/m2,當觀測點位于光照區時,SR為太陽直射輻射和太陽散射輻射之和,當觀測點位于陰影區時, 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據回歸擬合而成,模型2和模型3是相應作者[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而來,模型4是張磊等人[20]基于廣州地區的實測數據回歸擬合而成。根據該文的實測結果,對上述4個模型進行評價。測點B1處WBGT的測量值與模型1-4的計算值進行比較,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。

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,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的統計數據來源與該文的測試地點比較接近。該文的測試工作進一步驗證了組團室外WBGT現有的幾個回歸計算模型的準確性。

5 結 論

對濕熱地區某教學組團的夏季室外熱環境進行了33 h連續實測工作,根據氣象參數、行人高度上各個測點的溫度、濕度、風速和WBGT分布以及典型地表溫度等測試結果,得到濕熱地區典型教學組團夏季室外熱環境的主要特征。進而將實測數據與組團室外風速簡化計算模型和組團室外WBGT的現有4種回歸計算模型進行對比研究。研究發現李瓊提出的組團室外風速經驗公式的計算值與實測統計值相對誤差均不超過6%,具有較高的計算準確性。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%。建筑組團室外風速和WBGT的相關計算模型得到了進一步驗證。

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

[1]YAMTRA IPAT N,KHEDARI J,H IRUNLABH J. Thermal comfortstandards for air conditioned buildings in hot and hum id Thailand considering additional factors of acclimatization and education level[J].Solar Energy, 2005,78(4)：504-517.

[2]ROTH M.Review of urban climate research in(sub) tropical regions[J].International Journal of Climatology,2007,27(14)：1859-1873.

[3]MIKE DAVIES, PHILIP STEADMAN, TADJ ORESZCZYN.Strategies for themodification of theurban climate and the consequent impact on building energy use [J].Energy Policy,2008,36(12)：4548-4551.

[4]AHED MEMON RIZWAN,LEUNG Y C DENNIS, CHUNHO LIU.A review on thegeneration,determination and mitigation of urban heat island[J].Journal of Environmental Sciences,2008,20(1)：120-128.

[5]BONAN G B.Them icroclimates of a suburban Colorado (USA)landscape and implications for p lanning and design [J].Landscape and U rban Planning,2000,49(3/4)：97-114.

[6]吉田伸治,村上周三,成田健一,等.団地キャニオン空間內における夏期の屋外溫熱環境実測[C]//日本建築學會計畫系論文集,第552號,2002：69-76.

[7]BOURBIA F,BOUCHERIBA F.Impact of street design on urban m icroclimate for sem i arid climate (Constantine)[J].Renewable Energy,2010,35(2)：343-347.

[8]GIRIDHARAN R,LAU S S Y,GANESAN S. Noc turnal heat island effect in urban residential developments of H ong Kong[J].Energy and Buildings,2005,37(9)：964-971.

[9]劉淑麗.山地城鎮室外熱環境的測試與評價[D].重慶：重慶大學,2004.

[10]陳卓倫,趙立華,孟慶林,等.廣州典型住宅小區微氣候實測與分析[J].建筑學報,2008,(11)：24-27.

CHEN ZHUO-LUN,ZHAO LI-HUA,MENG QINGLIN,et al.Field measurement and analysis of the microclimate in typica l residential quarter of Guangzhou [J].A rchitectural Journal,2008,(11)：24-27.

[11]YANG XIAOSHAN,ZHAO LIHUA,MENG QINGLIN. Effects of different underlying surface on surface-air tem perature distribution in Guangzhou[C]//Proceedings of the Fifth International Workshop on Energy and Environment of Residential Buildings and the Third International Conference on Built Environment and Public Health(EERB-BEPH),May 29-31,2009,Guilin,P.R. China.

[12]趙炎.住宅小區室外熱環境的實測與模擬[D].重慶：重慶大學,2008.

[13]RUEY-LUNG HW ANG,TZU-PING LIN,NAIJUNG KUO.Field experiments on thermal com fort in cam pus classrooms in Taiwan[J].Energy and Buildings,2006,38(1)：53-62.

[14]STEFANO PAOLO CORGNATI,ROBERTA ANSALDI, MARCO FILIPPI.Thermal comfort in Italian classrooms under free running conditions during mid seasons：Assessment through objective and subjective approaches[J]. Building and Environment,2009,44(4)：785-792.

[15]李瓊,孟慶林,趙立華,等.濕熱地區典型居住小區室外微氣候的現場實測[J].土木建筑與環境工程,2010, 32(S1)：75-80.

LIQIONG,MENG QING-LIN,ZHAO LI-HUA,et al.Field measurement on the outdoor m icroclimate within a residential building block in hot and humid zone[J].Journal of Civil A rchitecture&Environmental Engineering,,2010,32(S1)：75-80.

[16]李瓊.濕熱地區規劃設計因子對組團微氣候的影響研究[D].廣州：華南理工大學,2009.

[17]MORAN D S,PANDOLF K B,SHAPIRO Y,et al. An environment stress index(ESI)as a substitute for the w et bu lb g lobe temperature(WBGT)[J].Journal of Thermal Biology,2001(26)：427-431.

[18]董靚.街谷夏季熱環境研究[D].重慶：重慶建筑大學, 1991.

[19]林波榮.綠化對室外熱環境影響的研究[D].北京：清華大學,2004.

[20]張磊,孟慶林,趙立華,等.室外熱環境評價指標濕球黑球溫度簡化計算方法[J].重慶建筑大學學報, 2008,30(5)：108-111.

ZHANG LEI,MENG QING-LIN,ZHAO LI-HUA,et al.A simp lified method to calcu late the wet bu lb g lobe temperature[J].Journal of Chongqing Jianzhu University,2008,30(5)：108-111.

(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);廣東省自然科學基金資助項目(10451064101005823,8251064101000006);高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20100172120006);華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室資助課題(2011ZC20);華南理工大學中央高校基本科研業務費資助項目(2009ZM0088,2009ZZ0067);華南理工大學自然科學基金資助項目(x2jzE5090660)

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