城市居住區室外熱環境的分析方法

羅 慶，余九一，王漢斌，湯小敏

（重慶大學 三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400045）

由于城市居住區熱環境的研究涉及了一些復雜建筑、材料和環境等因素，為了進行相關研究，一些研究工作采用了簡化的方式，例如對單體建筑進行室外熱環境研究［1］，或者對室外熱環境中的單一因素進行分析［2－9］。另外一些研究工作則是針對分析區域進行了最大限度的簡化，然后采用CFD建模的方式進行分析［10－12］，雖然該方法的求解結果具有較詳細的分布信息，但是由于室外區域的構成情況通常是比較復雜的，特別是對一些研究區域較大情況，因此，采用CFD建立計算機模型時，必然會對物理模型進行了簡化，從而丟失了物理模型的部分原始信息。同時，在CFD求解室外區域熱環境中涉及到的太陽直射、散射能量在區域中的詳細分布，天空視角系數的分布等信息仍然存在一定的困難。

針對居住區當前室外熱環境研究中存在的問題，本文采取了一種新的分析方法［13］，該方法采用了數字圖像分析的基本原理，將分析區域的原始信息，例如建筑布局、建筑材料、綠化分布、水體分布等信息根據它們的像素值的差異性識別出來，這樣在計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信息融入到整體的居住區室外熱環境模型中去。

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個單色分量表示1個像素顏色［14－15］，并結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，并根據其像素值的分布特點，對圖像進行識別，就能識別出某一類的下墊面物體。本文引入了數字圖像處理的原理，如圖1所示，并利用它的數據結構來儲存和提取居住區熱環境的相關信息。

圖1 圖像分析的基本原理

1.2 圖像識別過程

根據上述的基本原理，對某居住區的實際案例進行相關分析。圖2是某小區的原始數字圖像，其顏色的像素值數據結構為：400×400×3，即它是由3個400×400的數學矩陣構成，該分析區域的實際尺寸為1600m×1600m。

圖2 分析區域的原始圖像

根據該區域識別的不同下墊面的樣本值，分別設置圖像識別標識值，在全部圖像區域內對R、G、B 3個圖層進行識別，找出對應的下墊面材料分布。以下是不同下墊面識別標識值分布：

圖3～6是對圖2中全部像素值識別后得到的各類下墊面的圖像分布，根據這些識別后的圖像，可以設置各類下墊面的熱物性數據，為后期的室外熱環境數學模型的分析過程提供基礎數據。

圖3 圖像識別后的硬化路面

圖4 圖像識別后的建筑分布

圖5 圖像識別后的水體分布

圖6 圖像識別后的植被分布

1.3 圖像分析與數學模型的結合

通過識別得到的下墊面材料分布后，對各類下墊面材料設置相應的熱物理屬性參數［16－17］，這樣在整個圖像區域內得到了包括不同材料密度、比熱、導熱系數等參數的圖像分布，并將這些數據信息全部儲存在不同的400×400像素的數學矩陣中，每一個矩陣都對應一個數據文件，在利用室外熱環境數學模型進行分析時，分別調用相應的數據文件。數字圖像和數學模型的基本結合點是像素單元，所有的計算過程都是在像素單元內完成的，其基本的計算思路如圖7所示。

圖7 數學模型與圖像分析方法結合框圖

2 數學模型的建立

2.1 下墊面導熱模型

2.1.1 建筑外圍護結構導熱解析 對建筑外圍護結構（圖8）采用的基本計算公式是一維非穩態導熱方程：

圖8 建筑外圍護結構圖

式中：αr為室外空氣與外壁的對流換熱系數；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。

室內側忽略輻射并設定室內空氣溫度恒定，邊界條件：

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

圖9 地面傳熱模型

相應地，地面導熱的邊界條件為：

QGT為地面接受到的總輻射量。

對于地下，則設定第一類邊界條件：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為研究區域內每個像素單元對天空的視角系數，可以通過數字圖像計算求解。

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；εave為平均輻射面的發射率；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直射和散射等能量反射到分析面上的能量值采用式（11）計算［18］。

Qave為直射和散射平均能量強度之和；ρave為周邊建筑平均反射率［16］。

2.3 空氣能量平衡模型

區域（每個像素單元內對應的空氣）內空氣的熱平衡式：

Qi為區域內氣體的蓄熱量；QF·i為空氣運動所帶來的熱量；QC·i為空氣與下墊面的對流換熱量。

區域內部空氣溫度變化，即：

ρi、Cpi、Vi、Ti分別為i區域氣體的密度、比熱、體積、溫度，i為時間。

2.4 室外熱環境模型的求解

首先，根據原始圖像的分類識別，獲取建筑、材料等信息，并儲存在數據文件中，便于后期計算時調用。其次，以像素單元為分析對象，將空氣平衡過程、輻射換熱、導熱熱量傳遞三者實現耦合計算，即將計算得到的地面溫度同時被空氣能量模型、輻射模型調用；輻射模型的計算結果被導熱模型調用等。通過三者之間計算結果的相互調用，完成整個小區室外熱環境動態分析，求得不同時刻小區下墊面的溫度和空氣溫度等參數。

3 案例分析

3.1 模擬計算

綜合上述分析方法，對圖2中所示的案例進行逐小時計算，計算時間為2011年9月27日8：00到28日7：00，圖10是該分析區域下墊面在幾個典型時刻的溫度分布。從計算結果可以看出，在人工硬化路面區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烈影響，其對應上方的空氣溫度相對較高。

圖10 典型時刻下墊面溫度圖像分布

圖11 典型時刻空氣溫度圖像分布

3.2 測試與模擬結果對比分析

針對模擬分析的案例，在相同時間內，對案例的中2個典型點進行了同步的逐小時測試（圖12），測試時間為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：MS6530B），對應的空氣溫度測試采用溫濕度記錄儀（型號：AZ8721）。

圖12 典型測試點分布

將測試點的下墊面和空氣溫度值與模擬分析中對應的下墊面和空氣溫度進行對比分析，可以得到圖13、圖14的分布結果，其結果顯示測試結果和模擬結果比較接近，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比

圖14 空氣溫度測試值與模擬值對比

4 結 論

利用數字圖像的基本原理，根據樣本圖像提供的基礎顏色像素值，從原始圖像中識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，為數學模型提供了基礎數據，并以像素單元為基本的分析對象，實現了圖像與數學模型的結合，有效的分析了居住區室外熱環境的分布情況，為室外熱環境研究方法提供了新的參考。

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