基于CFD 模擬的不同下墊面對城市熱環境的影響

陳 淦,卓志雄,張華榮,艾嘉蓓,黃啟堂

福建農林大學 園林學院,福建 福州350002

20 世紀以來，城市建設的快速發展和城鎮化進程的加快，大規模的城市建設和更新改造以及人口急劇增長對城市造成了諸多生態環境問題，其中城市熱環境問題尤為突出[1,2]。城市熱環境的形成原因、分布特征，演變機制等問題的研究受到了眾多學科領域的廣泛關注[3]。

城市熱環境問題產生的原因主要有城市下墊面性質改變、人為熱和大氣污染等，其中下墊面性質的改變是造成“熱島效應”的重要因素[4,5]。國內外關于不同下墊面對熱環境的影響進行了大量研究，裔傳祥等利用衛星遙感圖像獲取城市土地覆蓋類型與地表溫度信息，發現城市用地是城市熱島的主要貢獻因素[6]。孫明等利用衛星遙感數據反演地表溫度，認為城市綠地和水體對城市熱島效應具有明顯的降溫作用[7]。陳宏等通過采用WRF 模型進行城市尺度的氣候模擬分析后認為水體有明顯的城市氣候調節作用[8]。計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術的蓬勃發展給城市熱環境研究帶來了新的思路，Ali 研究考察了CFD 在微觀和中觀尺度上的綜合城市設計和景觀設計的實際應用[9]。劉艷紅運用CFD 技術，結合遙感圖像，對城市中的綠地空間格局在垂直和水平方向上進行溫度分布和風速分布模擬，發現楔狀綠地格局具有較好的降溫效應[10]。馮嫻慧應用CFD 模擬社區建筑群與綠地之間的風熱環境變化，發現綠地的布局方式與建筑群之間的風熱效應密切相關[11]。

總體來看，現有研究多從城市整體的角度下研究下墊面與城市熱環境的關系，鮮有分析不同下墊面的具體物理性質對城市熱環境影響的研究。因此，在進行城市規劃與園林設計時，如何通過下墊面物理性質和不同綠化形式來改善城市的風熱環境具有重要的研究意義。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

福建省省會福州位于東經118°08′～120°31′，北緯25°15′～26°39′，屬亞熱帶季風氣候，夏季最熱月平均溫度29.2 ℃，最高氣溫超過40 ℃。地貌類型屬于典型的河口盆地，盆地四周被群山峻嶺所環抱，其海拔多在600～1000 m 之間，近30 年來，隨著經濟快速發展帶來的城鎮化進程加快，城市空間范圍急劇擴大，工業用地、居住地和交通用地等城鎮建設用地不斷擴張侵占城鎮邊緣區的耕地，對城市的熱環境產生很大的影響，城市＂熱島效應＂愈加明顯。

研究地塊選取福州市鼓樓區溫泉公園及周邊社區，面積96 hm2，研究地塊建筑形式多樣，既有新式高層商業中心，也有上世紀舊式低層住宅，如圖1。

圖1 模擬場地衛星圖Fig.1 Simulation site satellite map

1.2 研究方法

本研究選取CFD（計算流體動力學）領域中的一個著名軟件PHOENICS，它廣泛應用于暖通空調、環境、能源動力等各個領域，它可以用來模擬流體流動、傳熱及相關現象。該軟件是通過建立數學物理模型，確定計算區域，劃分網格，設置邊界條件，迭代收斂等方法對建筑室外風環境進行數值求解的一種研究方法，較好地模擬城市風熱環境，已經廣泛運用于城市環境領域的研究。

圖2 模擬場地CAD 模型Fig.2 Simulation site CAD model

模型的建立是通過遙感圖像和實地勘察，以含等高線的CAD 地形圖為基礎，創建模擬實驗可運算的城市3D 模型，簡化模型如圖2。模擬計算法則采用PHOENICS 提供的基于有限體積法的SIMPLE算法。將主要研究區域網格加密，周圍區域設置增長型網格。湍流模型選用基于Reynolds 平均法（RANS）的標準k-ε模型，相關方程如下：

（1）湍流粘性：

（2）連續性方程：

（3）湍流動能k

（4）湍流耗散率ε

其中Cμ=0.09，Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3 為模型常數[12]。

1.3 邊界條件

根據《城市居住區熱環境設計標準》JGJ 286-2013 中夏季典型氣象日氣象參數顯示福州市夏季正午時刻太陽的直射與散射強度為660 W/m2和320 W/m2，通過《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》得到福州市夏季室外平均風速為3.4 m/s，夏季最多風向東南風。在大氣層邊界層中，由于地表存在粗糙元，阻礙氣體流通，平均風速隨高度發生變化，其變化規律可以表示為：

式中：UZ為高度Z處的水平方向風速；U0為參考高度Z0處的風速，a為由地形粗糙度所決定的指數。參照《建筑結構荷載規范》GB50009，本地塊a取0.2。

1.4 下墊面類型

城市自然透水下墊面主要包括綠地、水體等，人造硬質下墊面類型主要包括混凝土、瀝青和花崗巖等地面鋪裝，本研究選擇城市中常見的草地、裸土、混凝土、瀝青以及花崗巖鋪裝等共6 種類型建模。表1 為參考《民用建筑熱工設計規范》GB 50176-2016 中提供的不同下墊面的熱工設計計算參數。

表1 下墊面熱工設計技術參數表Table1 Technical parameters for thermal design for underlying surface

2 研究結果分析

通過導入模擬場地CAD 模型到PHOENICS 軟件，設定下墊面物理性質和邊界條件后進行實驗模擬，選擇某晴朗夏季的正午時刻，輸出1.5 m 人行高度處的溫度分布圖和風速分布圖，比較不同類型下墊面對熱環境的影響并分析其原因。

2.1 下墊面類型差異分析

2.1.1 溫度分布結果分析 通過不同類型下墊面1.5 m 人行高度溫度分布圖(圖3)可得，6 種下墊面的平均溫度依次為，草地：30.42 ℃、裸土：30.56 ℃、透水磚：31.06 ℃、混凝土：31.27 ℃、花崗巖：31.37 ℃、瀝青：31.41 ℃，其中，自然透水下墊面的平均溫度低于人造硬質下墊面，因此對于需“降溫型”地塊的設計應較多使用自然透水下墊面。在相同太陽輻射條件下，模擬場地內草地下墊面的溫差最小，人體舒適度最好，而瀝青下墊面的溫差最大，人體舒適度最差。

通過比較a（裸土）與c（透水磚）的人行高度溫度分布圖3a、圖3c 可以發現，a（裸土）的平均溫度較低，溫差較小，人體舒適度較好，兩者的比熱容和導熱系數相近，但透水磚的吸收系數較大，吸收的太陽輻射較多，可以得知下墊面吸收系數越小降溫效果越好。比較圖3d（混凝土）和圖3e（花崗巖）可以發現，e（花崗巖）平均溫度較高，人體舒適度較差，兩者的比熱容相同，吸收系數相近，而花崗巖導熱系數較高，可以得知下墊面導熱系數越小降溫效果越好。比較圖3c（透水磚）和圖3f（瀝青）的人行高度溫度分布圖可以發現，f（瀝青）的平均溫度較高，熱舒適性較差，兩者的吸收系數和導熱系數相近，而瀝青的比熱容相對較大，可以得知下墊面比熱容越小，降溫效果越好。因此可以通過選擇不同比熱容、吸收系數和導熱系數的下墊面來改善城市熱環境。

圖3 1.5 m 高度溫度分布圖Fig.3 Temperature profile at the 1.5 m height

2.1.2 風速分布結果分析《綠色建筑評價標準》GBT50378-2014 對綠色建筑的評價中室外風環境占4 個評分項，總分值達6 分。可見室外風環境對綠色建筑的評價占有一定的重要性。風是由空氣流通導致的一種自然現象，它是由地表受熱不均引起的。太陽光照射在地球表面上，使地表溫度升高，地表的空氣受熱膨脹密度變小而往上升。熱空氣上升后，低溫的冷空氣橫向流入，這種空氣的流通就產生了風[13]。城市內部風環境的影響因素很多，與城市地形條件，路網街道形態，建筑布局密度等息息相關，本研究中不同下墊面受熱不均產生局部熱壓差是對城市風速分布產生影響的主要原因。

圖4 1.5 m 高度風速分布圖Fig.4 Wind speed profile at the 1.5 m height

通過比較a（裸土）與c（透水磚）的人行高度風速分布圖4a、圖4c 可以發現，c（透水磚）的平均風速較高，風速差較大，對環境內空氣的通風效果較好，兩者的比熱容和導熱系數相近，但透水磚的吸收系數較大，吸收的太陽輻射多從而引起地表空氣快速流動，可以得知下墊面吸收系數越大通風效果越好。比較圖4d（混凝土）和圖4e（花崗巖）可以發現，e（花崗巖）平均風速較高，通風效果較好，兩者的比熱容相同，吸收系數相近，而花崗巖導熱系數較高，傳遞熱量能力強，可以得知下墊面導熱系數越大通風效果越好。比較圖4c（透水磚）和圖4f（瀝青）可以發現，f（瀝青）的平均風速較高，風速差較大，通風效果較好，兩者的吸收系數和導熱系數相近，而瀝青的比熱容相對較大，可以得知下墊面比熱容越大，通風效果越好。通過以上比較可以得出，人造硬質下墊面的平均風速高于自然透水下墊面，因此對于需“通風型”地塊的設計應較多使用人造硬質下墊面。但是風速差值過大會引起環境舒適度的降低，我們在進行城市規劃和景觀設計時，應綜合考慮到太陽輻射對城市風環境的影響，對于需“通風型”地塊可以使用人造硬質下墊面，對于需改善風環境的地塊可以使用自然透水下墊面。

總體來看，不同物理熱工學性質的下墊面對城市風熱環境產生的影響各不相同，不同類型地塊的設計對下墊面種類的需求也不同。除此之外，建筑物密度，路網街道的形態等其他因素對城市風熱環境也會產生影響。因此，在進行城市規劃和景觀設計時，應綜合考慮場地的需求與限制條件，合理采用不同下墊面組合來對城市風熱環境進行改善。

2.2 不同綠化形式差異分析

圖5 不同綠化形式模擬模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of simulation model of different greening forms

目前在城市園林設計中，關于綠化形式的設計尤其是植物種植設計，大都參照美學原則，而較少考慮綠化形式對城市風熱環境的影響。本研究參照福州市常見居住區的布局，建立理想化模型。模型平面如圖5，居住區面積為300 m×200 m，按照《城市居住區規劃設計規范》GB 50180-93 中規定居住區綠地率不應低于30%進行模擬，綠地面積為180 m×100 m，各方案植物參數設定如表2。模擬氣象參數、邊界條件與上述福州市模擬完全相同，溫度風速分布結果如圖6。

表2 植物參數設定表Table 2 Setting table of the plant parameter

圖6 1.5 m 高度溫度分布圖Fig.6 Temperature profile at the height of 1.5 m

圖7 1.5 m 高度風速分布圖Fig.7 Wind speed profile at the 1.5 m height

比較3 個方案的1.5 m 人行高度溫度分布圖（圖6）可以看出，人行高度處溫度排序依次是：灌木＞草地＞喬木。比較溫度分布結果可以得知：喬木對于熱環境改善的效果最好，原因是喬木冠層的遮蔭作用減少了地表對太陽輻射的吸收，草地和灌木溫度差異甚微，但草地溫度略低于灌木，原因是灌木在一定程度上阻礙了空氣流動，降低了來流風速，因此對于急需“散熱型”地塊可以多運用喬木的植物種植設計，而對于陰冷潮濕地塊則應多運用灌木或草地的植物種植設計。

比較3 個方案的1.5 m 人行高度風速分布圖（圖7）可以看出，人行高度處風速排序依次是：草地＞灌木＞喬木。比較風速分布結果可以得知：喬木對來流風速的阻礙作用最大，減少來流風對場地的影響，降低了場地內空氣流通，場地內平均風速較低。草地和灌木對來流風速的阻礙作用較小，來流風對場地影響較大，場地內平均風速較高。因此對于需防風防沙城市可以多運用喬木的種植設計，對于需“通風型”地塊可以采用灌草結合的植物種植設計。

3 結論

在城市規劃和景觀設計中，不同下墊面對城市的風熱環境產生不同的作用。在降低夏季室外溫度，減輕熱島效應方面，綠地和土等自然透水下墊面有明顯的作用，因此在夏季高溫炎熱，人體舒適度較差的場地，宜較多采用自然透水下墊面來改善場地的熱環境。而花崗巖、瀝青和混凝土等人造硬質下墊面對于引起空氣流通方面具有一定的優勢，因此對于夏季潮濕無風或者周邊存在一定污染源的場地中，宜較多采用人造硬質下墊面來改善場地通風條件。

對于植物種植的設計，應考慮不同綠化形式對城市風熱環境的影響，喬木對降低場地內溫度，降低場地風速方面有明顯的作用，而灌木和草地則對促進場地空氣流通方面具有一定的優勢，因此在植物種植設計中，應合理搭配喬灌草，既要保證舒適的溫度環境，也要保證適宜的風環境，對城市風熱環境問題進行綜合改善。

城市熱環境形成的原因還受到其他多方面因素的影響。在本研究的模擬中，將其他因素對熱環境的影響都假設為是相同的，只考慮下墊面物理性質差異和不同綠化形式對城市熱環境的影響，而在實際工作中，其他因素對城市熱環境的影響是根據特定的環境而變化的，將CFD 作為設計或規劃的輔助工具時，不能完全依賴CFD 模擬來尋求答案，而是必須根據設計目標解決關鍵問題，必須加以重視。