冬季校園室外熱環(huán)境的實測與模擬分析*

黃 賓 王燕飛 呂 良

(河南科技大學(xué)建筑學(xué)院,河南 洛陽 471032)

0 引言

近些年來，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的新型校園環(huán)境成為當(dāng)今大學(xué)校園環(huán)境規(guī)劃的共識。隨著近年來我國大學(xué)校園建設(shè)高潮逐漸褪去、大量新建校園投入使用，一個以校園更新為主的新的發(fā)展階段已經(jīng)悄然而至；如何讓有限的校園空間適應(yīng)大學(xué)不斷變化的發(fā)展需求、建立可持續(xù)發(fā)展的校園環(huán)境，已然成為當(dāng)前我國校園規(guī)劃建設(shè)者面臨的重要挑戰(zhàn)[1]。以往校區(qū)建設(shè)只注重建筑體塊的優(yōu)美整合，卻忽略了建筑外輪廓的布局對校園熱環(huán)境的影響；校區(qū)綠色植物種植的缺失和植物種植的不合理也在一定程度上降低了師生熱舒適度，也就是所謂的人體舒適度。針對校區(qū)規(guī)劃中出現(xiàn)不適宜師生戶外活動的現(xiàn)象，以河南科技大學(xué)工科組團(tuán)為研究區(qū)域進(jìn)行氣候環(huán)境影響因子的現(xiàn)場實測，使用計算機(jī)模擬軟件 ENVI-met對區(qū)域微氣候進(jìn)行模擬分析并探究建筑布局形式對室外熱環(huán)境的影響。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

河南科技大學(xué)開元校區(qū)位于河南省洛陽市洛南新區(qū)，總用地面積3 664畝，規(guī)劃建筑面積114萬 m2。工科教學(xué)組團(tuán)位于整個開元校區(qū)東側(cè)，是包括建筑、土木、材料及公共教學(xué)樓在內(nèi)的校園組團(tuán)(見圖1)。建筑均為5層～6層內(nèi)廊式布局，南北兩側(cè)均有較大面積開窗，順應(yīng)校園主道路成行列式規(guī)整排布，且有部分底部架空、頂部構(gòu)筑物、室外廊架及直達(dá)2層的室外臺階。由于建成時間較短，室外綠化條件有限，致使夏季室外熱環(huán)境舒適性不佳；但組團(tuán)內(nèi)部空氣流通順利因而受局部熱島影響不大，所以選取室外熱舒適度較差的冬季作為研究時段。

1.2 研究方法與步驟

1)文獻(xiàn)查閱：為了保證所研究和模擬的內(nèi)容具有準(zhǔn)確性和前沿性，查閱國內(nèi)外關(guān)于城市微氣候、室外熱環(huán)境以及計算機(jī)模擬等領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)，以期達(dá)到豐富和充實實驗過程的目的。

2)現(xiàn)場實測：測試校園環(huán)境中以行人高度為微氣候環(huán)境的參數(shù)，達(dá)到對夏季校園室外熱環(huán)境的特征有所把握，并對校園環(huán)境設(shè)計中兩個主要設(shè)計因素——水體和綠化進(jìn)行分析。此外，實測所得參數(shù)以用于計算機(jī)模擬和模型校驗。

3)計算機(jī)模擬：使用室外熱環(huán)境模擬軟件ENVI-met對提取的現(xiàn)狀區(qū)域建筑和景觀設(shè)計進(jìn)行模擬計算。

4)構(gòu)建模型的校驗：對模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析并提取主要?dú)夂騾?shù)值，與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比對。模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)在誤差允許的范圍內(nèi)進(jìn)行建筑和景觀規(guī)劃層面的評析與改良。

2 氣候數(shù)據(jù)實測

2.1 實測內(nèi)容

此次氣候?qū)崪y以定點(diǎn)測量為主，在教學(xué)樓周圍附屬綠地以行人的高度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行空氣溫度、濕度、風(fēng)速等氣候參數(shù)的測量并設(shè)置儀器以便逐時記錄測量。本次選擇實測的時間為2016年12月31日，測試儀器放置在教學(xué)樓周圍附屬綠地進(jìn)行實測。實測期間進(jìn)行空氣溫度、相對濕度和近地面1.5 m處風(fēng)速三項氣候參數(shù)測量，并將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和歸納，用于軟件模擬的氣候環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析。

2.2 實測結(jié)果

將測量儀器讀取的各項氣候數(shù)據(jù)導(dǎo)出(見表1)，可以看到全天內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在14：00，最低溫度則在8：00；最高濕度出現(xiàn)在19：00，最低濕度出現(xiàn)在14：00；最大風(fēng)速分布于9：00～14：00，最小風(fēng)速出現(xiàn)在17：00～19：00。對比之下街區(qū)尺度城區(qū)熱島強(qiáng)度最高值一般出現(xiàn)在每天的14:00左右，模擬比較這一時間段內(nèi)的氣候數(shù)據(jù)對熱舒適性分析更具有可比性[2]。因此采用模擬技術(shù)對組團(tuán)10：00～16:00這一段時間內(nèi)進(jìn)行模擬計算，提取14:00時刻的氣候數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。

表1 各項氣候數(shù)據(jù)

3 模擬軟件校驗及結(jié)果

3.1 模擬軟件 ENVI-met 特點(diǎn)

本研究采用ENVI-met進(jìn)行室外環(huán)境微氣候計算模擬。ENVI-met是一款基于計算流體力學(xué)(Computed Fluid Dynamic,CFD)和熱力學(xué)基本定律及城市氣象學(xué)等相關(guān)理論知識建立的模擬軟件[3]。風(fēng)力場模擬是基于完整的計算流體動力學(xué)三維模型，根據(jù) Reynolds-averaged Navier-Stokes 方程式計算每個空間網(wǎng)格和每段時間步長的流體靜力。模擬風(fēng)場考慮植被的阻力作用，可計算每個建筑物立面和屋頂?shù)娘L(fēng)流大小；建立單墻模型可模擬出復(fù)雜的半開放式環(huán)境的風(fēng)環(huán)境。軟件由數(shù)十個動態(tài)子系統(tǒng)組成一個整體的大型互動系統(tǒng)，考慮大氣動力、土壤物理、植被狀態(tài)、建筑室內(nèi)環(huán)境等影響因素，模擬出城市的微氣候尺度的空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和平均輻射溫度等氣象參數(shù)，適合對城市微氣候設(shè)計和城市環(huán)境設(shè)計的不同方案進(jìn)行對比分析和評價[4]。

3.2 設(shè)置校驗參數(shù)

在使用ENVI-met進(jìn)行數(shù)值模擬計算前，需要輸入宏觀氣象參數(shù)和模擬控制參數(shù)以及下墊面類型等參數(shù)信息(見表2)。

表2 ENVI-met參數(shù)設(shè)置

ENVI-met 的計算結(jié)果可分為ASCⅡ二進(jìn)制代碼及色塊圖兩大類，詳細(xì)的輸出量如表3所示。通過設(shè)置在不同位置的監(jiān)視器可以得到該點(diǎn)垂直方向上所有計算結(jié)果的二進(jìn)制代碼。將 ENVI-met 計算結(jié)果導(dǎo)入自帶的可視化處理軟件 LEONARDO，得到二位矢量圖及指定參數(shù)的色塊分布圖(見表3)。

表3 ENVI-met計算結(jié)果輸出量

3.3 模擬過程

根據(jù)實地測量及該住宅區(qū)的建筑平面圖，在ENVI-met軟件SPACES建模功能中建立實測區(qū)的現(xiàn)狀模型(見圖2)。在模型研究區(qū)域建立基礎(chǔ)值設(shè)定中，平面x,y軸方向上模擬區(qū)域為500 m×500 m，水平網(wǎng)格數(shù)為100×100(分辨率為2 m)。由于實測區(qū)內(nèi)建筑物最大高度為18.8 m，根據(jù)軟件對三維模型的垂直高度要求為Z≥2·Z·Hmax(Hmax為模擬區(qū)內(nèi)最高建筑高度)[5],因而豎直z軸方向上設(shè)置分辨率2 m的網(wǎng)格共25個，以符合數(shù)值模擬高度的要求。模擬參數(shù)設(shè)定依據(jù)為12月31日氣象局公布的逐時氣候數(shù)據(jù)，包括空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向和太陽輻射等，鍵入模擬軟件初始模擬溫度10.2 ℃，相對濕度71%，風(fēng)速1.2 m/s,風(fēng)向240°。模擬時間從8:00開始至當(dāng)日19:00結(jié)束，共計算12 h時長。

3.4 模擬結(jié)果及分析

從模擬結(jié)果中我們可以看出，建筑東側(cè)的空氣溫度低于西側(cè)溫度，探其原因是整個建筑組團(tuán)西側(cè)受東北風(fēng)的影響程度高于東側(cè)，且平面建筑的東向內(nèi)庭院敞口處受冬季太陽直射時間短所致；同時從分析圖上可以了解到此處風(fēng)速較大，東北風(fēng)向盛行冷風(fēng)大面積聚集導(dǎo)致冷空氣停滯在此處而降低了溫度(見圖3)。相對濕度便與空氣溫度呈負(fù)相關(guān)，西面處的相對空氣濕度偏高(見圖4)。對于西南角的建筑群，根據(jù)結(jié)果顯示研究區(qū)域呈現(xiàn)較為明顯的角隅風(fēng)，并且風(fēng)速值偏高形成溫度降低的現(xiàn)象。實測區(qū)域的中心南北主干道受到吹入的冷空氣而影響強(qiáng)烈致使氣溫變化明顯(見圖5)；東西向的道路由于其建設(shè)寬度較窄受到東北風(fēng)的影響較弱，相對濕度稍微高于南北兩側(cè)建筑群。

4 結(jié)論及建議

對比現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)不免發(fā)現(xiàn)，建筑群東北區(qū)域植物種植面積小，高大的、具有阻擋冬季冷空氣組團(tuán)的樹木不多，且建筑分布圍合較為密集，組團(tuán)內(nèi)部區(qū)域空氣流動不暢。故建議在以后的環(huán)境設(shè)計方面考慮冬季冷風(fēng)風(fēng)向，結(jié)合植物栽植以減少冬季東北風(fēng)對建筑區(qū)域的侵襲，種植高大常綠喬木并輔以灌木來圍合工科組團(tuán)東北部；建筑群中間道路種植落葉喬木并減少灌木的栽植，來增加通風(fēng)；南部則普遍栽培灌木和地被，落葉喬木散布其中用以提高冬季太陽直射時長。