許昌市高層住宅區夏季熱環境模擬與分析

趙會兵 高歆 石宏斌

摘 要：選取許昌市一高層住宅區作為研究對象，采用ENVI-met微氣候模擬軟件建立研究區域的三維模型，分析夏季炎熱天氣條件下住宅區內部熱環境在不同時刻的水平分布特征和垂直分布特征，同時對居民主要活動區域的氣溫分布特征進行分析。結果表明：建筑高度對氣溫垂直分布有一定的影響，建筑朝向和陰影與氣溫的水平分布有密切關系;住宅區入口處的氣溫在不同時刻的差異性最為明顯;低矮植被具有一定的降溫作用，但效果有限。

關鍵詞：高層住宅區;熱環境;ENVI-met;活動空間

中圖分類號：TU119 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0128-04

Abstract： Taking a high-rise residential area in Xuchang City as the research object， the three-dimensional model of the study area was established by using ENVI-met Microclimate Simulation software. The horizontal and vertical distribution characteristics of the thermal environment in the residential area at different times under hot summer weather were analyzed， and the temperature distribution characteristics in the main active areas of residents were also analyzed. The results show that building height has a certain influence on the vertical distribution of air temperature， building orientation and shadows are closely related to the horizontal distribution of air temperature; the difference of air temperature at the entrance of residential area is most obvious at different times; low vegetation has a certain cooling effect， but the effect is limited.

Keywords： high-rise residential district;thermal environment;ENVI-met;activity space

目前，我國正處于快速城市化階段，城市人口對住宅建設用地的需求不斷增加，形成了用地需求巨大與土地供應短缺的矛盾。高層住宅區能夠高效利用土地資源，己經成為大中城市住宅區建設的主要模式。然而，隨著高層住宅區建筑高度的增加、布局的緊密，建筑及地表吸收的熱量不能得到有效緩釋，致使高溫、高濕、空氣污染等城市熱環境問題日益增多[1]。

城市熱環境的形成源于自然因素、人為因素以及二者的相互作用。高層住宅區熱環境是一種小尺度的城市熱環境，主要受建筑密度、地面鋪裝材料、空間布局、建筑陰影等人為因素的影響[2-4]。在進行高層住宅區規劃和建設時，為了降低熱環境的不良影響，可通過建設通風廊道、增加綠化和水體面積、改變下墊面熱物理性等措施構建適宜的熱環境[5-7]。

對小尺度熱環境的研究主要采用現場實測和數值模擬的方法，其中數值模擬具有快速、簡單、高效的特點，普遍應用于氣候模擬與分析。ENVI-met是一種基于流體力學的微氣候數值模擬軟件，不僅可以用于微氣候模擬與分析[8]，還能用于森林的潛熱及顯熱通量模擬[9]及大氣顆粒物擴散分析[10]。本研究使用ENVI-met建立研究區域的三維模型，分析了高層住宅區內部熱環境的垂直和水平分布特征，以期為高層住宅區的熱環境優化提供依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

研究區域為許昌市東城區道路主干道附近的一個住宅區，其位于東經113.87°，北緯34.04°。該住宅區北部和西部為道路，南部為低層建筑，東部為學校，四周近距離沒有高層建筑。住宅區共有5棟高樓，最高建筑為84m，采用行列式分布。如圖1所示。

1.2 建模方法與過程

獲取研究區域的高分辨率遙感衛星影像，經過幾何校正后作為建立模型的底圖，識別底圖中的建筑、植被、道路等信息后，建立研究區域的三維模型。根據研究區域的特點及ENVI-met建模要求，沿x軸和y軸在水平方向上劃分130×130網格，網格分辨率為2m，同時增加3個嵌套網格，提高流入及流出邊界附近區域的模擬精度。沿z軸在垂直方向上設置25個網格，網格分辨率為7m。網格劃分完成后，在主模型區域內建立建筑、綠化、道路、土壤等各種類型的下墊面模型，其中道路材質為灰色混凝土路面，行道樹為白楊樹，樹高7m和冠幅5m，草地植株高度為20cm。建模后的二維模型如圖2（a）所示，三維模型如圖2（b）所示。

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1.3 模擬初始條件設置

在對熱環境進行模擬時，不僅需要建筑布局、景觀結構等下墊面資料，還需要風速、氣溫、濕度等宏觀氣象數據。為了更好地反映室外的真實環境，使用《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》中的典型氣象年數據作為宏觀氣象背景數據。對7月份日平均氣溫進行分析后，選取7月14日為夏季炎熱天氣的典型代表日，并將該日的氣象數據用于模型氣象參數的初始化設置。研究區域ENVI-met模型主要參數設置如表1所示。

2 結果模擬與分析

2.1 住宅區不同時刻氣溫的水平分布特征

從圖3可以看出，02：00最高氣溫為26.71℃，高溫區集中在住宅區東北部，南部相對較低。08：00，受日出影響，最低氣溫和最高氣溫均有所升高，住宅區南部開始大量接收太陽輻射升溫，北部則為陰影區，高溫區由住宅區東北部轉移到南部，低溫區則由原來的南部變為住宅區北部。14：00為一天中氣溫最高的時刻，最高氣溫為32.49℃，最低氣溫和最高氣溫差異為1.41℃，南部高溫區域進一步擴大。18：00，最高氣溫和最低氣溫相差僅為0.22℃，高溫區域主要分布在建筑物四周，低溫區域則分布在距離建筑物較遠的地方。22：00，高溫區域集中在住宅區東南部，低溫分布在住宅區西部及北部。

綜上所述，一天中，白天氣溫相差較大，這主要是因為地表在白天接收了大量太陽輻射，與空氣的熱交換強度較高。氣溫的空間分布特征表明，白天低溫區域主要集中在建筑的北部，高溫區則集中在建筑的南部;夜晚高溫區分布在建筑的北部，低溫區則分布在建筑的南部。

2.2 住宅區不同時刻氣溫的垂直分布特征

為了分析氣溫在不同高度的垂直分布特征，獲取高度為2、22、42、62m和82m處不同時刻的氣溫，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，02：00氣溫隨著建筑高度的增加而增加;08：00氣溫隨著高度的增加而減少，高層氣溫（82m處）小于低層（2m處）0.72℃;14：00和18：00的最低氣溫垂直分布特征類似，氣溫隨著高度增加而輕微減少，中層（42m處）的最高氣溫出現了不同程度的增加或減小兩種情況，但高層的氣溫仍然低于低層的氣溫;22：00最高氣溫和最低氣溫均隨著高度增加而增加，增幅較小，均小于0.5℃。綜上所述，白天低層氣溫較高，氣溫隨著建筑高度的升高而逐漸降低，夜晚低層氣溫較低，且氣溫隨著高度的增加而逐漸增加。這是由于大氣對太陽短波輻射吸收能力較弱，日出后地表吸收太陽短波輻射氣溫升高，然后將熱量傳遞給近地空氣，地面釋放的熱量隨氣溫增高而增強，氣溫從地表到空中逐漸升高。

2.3 居民主要活動區域氣溫變化特征

居民主要活動空間是居民日常交往、鍛煉身體、溝通交流等的活動空間。為了分析住宅區主要活動空間的氣溫變化特征，本文選取位于道路、草坪、廣場、住宅區入口處9個測點24h氣溫模擬值作為分析依據，其中A1、A2、B1、B2位于南北道路內，S1、S2位于東西廣場內，G1、G2位于草坪內，E點位于住宅區入口處，測點分布如圖2（a）所示。24h氣溫分布圖如圖5（a）所示。

從5（a）可知，選取的9個點位在一天中的氣溫變化趨勢基本一致，01：00—07：00，氣溫持續下降，07：00—09：00氣溫迅速上升，每小時升幅最高達2.7℃，之后進入緩慢上升階段，15：00氣溫達到峰值，16：00開始下降，19：00氣溫下降最快，之后一直保持小幅下降趨勢。E點位置具有一定的特殊性，白天（09：00—18：00）的氣溫明顯高于其他點位;20：00之后低于其他點位。這主要是因為E點位于入口處，兩邊均為高樓，形成氣流區，匯集了大量的氣流，該區域湍流的熱交換活躍，氣溫變化相對其他區域更為明顯。

為了研究植被的降溫作用，選取位于草坪內的檢測點G1與位于廣場內的S1點進行對比，結果如圖5（b）所示。從圖5（b）可知，草坪氣溫低于廣場0.1℃。這主要因為研究區域中草坪為低矮植被且高層建筑布局較為密集，低矮植的降溫作用效果不明顯。

3 結論

本研究利用ENVI-met微氣候模擬軟件對高層住宅區的熱環境進行模擬和分析。研究結果表明，ENVI-met能滿足小尺度熱環境模擬的要求;樓層高度對氣溫垂直分布有一定的影響，白天高層氣溫高于低層，夜晚高層氣溫低于低層;建筑陰影和朝向與氣溫的水平分布有密切關系。此外，居民主要活動區域氣溫變化特征表明，主要活動區域的氣溫分布特征大致相同，住宅區入口處的氣溫不同時刻的差異性最為顯著。低矮植被具有一定的降溫作用，但效果并不明顯。

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