基于集總參數(shù)法的居住小區(qū)熱環(huán)境評價研究★

邵 麗 麗

(貴州民族大學建筑工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著我國快速發(fā)展，大規(guī)模的城市建設(shè)更新以及人口的急劇增長，使得城市氣候出現(xiàn)“城市熱島”和空氣污染難以擴散的現(xiàn)象，造成城市環(huán)境質(zhì)量變差，空調(diào)負荷增加，人們的健康和熱安全問題突出等問題。面對以上問題，目前行之有效的方法之一是借助計算機進行數(shù)值模擬對居住區(qū)的熱環(huán)境進行預(yù)測，不斷調(diào)整優(yōu)化建筑設(shè)計和規(guī)劃設(shè)計的方法，使得居住區(qū)的熱環(huán)境滿足相關(guān)的評價標準。與此同時，我國GB/T 50378綠色建筑評價標準、《綠色標準評價細則》等行業(yè)規(guī)范標準也提倡利用數(shù)值模擬優(yōu)化建筑規(guī)劃設(shè)計[1]。

1 城市熱環(huán)境數(shù)值模擬法介紹

城市熱環(huán)境數(shù)值模擬方法有集總參數(shù)法和分布參數(shù)法。集總參數(shù)法假定研究區(qū)內(nèi)的某一時刻的空氣溫度是一樣的，即研究區(qū)內(nèi)整個空間是完全均一的質(zhì)點，內(nèi)部的空氣溫度與時間有關(guān)，但和空間位置無關(guān)[2,3]。集總參數(shù)法通過計算建筑周邊要素的熱平衡，可預(yù)測整個區(qū)域的不同時間的平均溫度。以集中參數(shù)法為理論模型的模擬工具有計算速度快、操作簡單等優(yōu)點，同時模擬結(jié)果與實際測量數(shù)據(jù)吻合精度能夠滿足工程需要，非常適用于建筑設(shè)計初期使用。而分布參數(shù)法以計算流體力學CFD(Computational Fluid Dynamics)和熱力學為基礎(chǔ)，將研究區(qū)域劃分成網(wǎng)格狀，計算每個網(wǎng)格的導(dǎo)熱、對流換熱和輻射換熱并耦合，可以得到研究區(qū)域中某一時刻不同位置處空氣的溫度、濕度和速度等結(jié)果[4]。集總參數(shù)法得到的某一時刻的溫度結(jié)果是一個值，而分布參數(shù)法得到的溫度結(jié)果數(shù)量與網(wǎng)格劃分的數(shù)量相關(guān)，即分布參數(shù)法與空間相關(guān)。目前，基于分布參數(shù)法的常用模擬工具主要有Fluent,Phoenics等軟件，其需要使用者具備相應(yīng)的計算流體力學知識。軟件模擬時需要根據(jù)經(jīng)驗簡化模型，劃分網(wǎng)格時對網(wǎng)格質(zhì)量要求高，邊界條件也需要一定的理論知識才能合理設(shè)置，加之計算模擬需要的時間長，后期處理數(shù)據(jù)量較大等，使得建筑師使用其難度較大，難以滿足建筑設(shè)計初期的需求。

2 模擬軟件簡介

2.1 DUTE軟件簡介

本次居住區(qū)模擬選用建筑熱環(huán)境分析軟件DUTE(Design Urban Thermal Environment)，它是基于集總參數(shù)法開發(fā)的，專門針對居住區(qū)夏季熱環(huán)境進行評價的軟件。由華南理工大學建筑節(jié)能中心運用VC++計算機語言在常用的繪圖工具CAD平臺上進行二次開發(fā)的，能夠直接使用原有規(guī)劃設(shè)計圖進行建模計算，不需要再額外建模，縮短了前期使用軟件的時間。DUTE軟件可實現(xiàn)天空角系數(shù)、建筑陰影率和平均化處理下墊面參數(shù)等熱環(huán)境相關(guān)參數(shù)的計算，計算過程只需幾分鐘，就能得到熱環(huán)境評價結(jié)果。因為它能夠友好的對接建筑設(shè)計繪圖軟件CAD，計算時間短，上手快速，非常滿足建筑規(guī)劃師的需求，有較好的工程實踐意義，使用廣泛。

2.2 軟件理論模型CTTC模型簡介

DUTE1.0軟件的理論核心是CTTC模型(Cluster Thermal Time Constant)即建筑群熱時間常數(shù)，它是由以色列學者H.N.Swaid和M.E.Hoffnan等提出的基于熱平衡的基礎(chǔ)上采用建筑時間常數(shù)的方法來計算小尺度建筑區(qū)域內(nèi)熱環(huán)境的方法[5]。整個圍護結(jié)構(gòu)的熱時間常數(shù)定義為：如果外部有一單位階梯函數(shù)的溫度擾動(如從0 ℃～1 ℃)通過所有的傳熱途徑，則由此引起的內(nèi)部溫度反應(yīng)升高至最終穩(wěn)定值的0.632 1(等于1-e-1倍)所需的時間，表示的是整個房間熱反應(yīng)的一個熱物理參數(shù)[5-7]。

對于已建成建筑群的CTTC值可以根據(jù)它的幾何參數(shù)(地面、外墻面積)計算如下：

其中,(1-FA/S)為部分開放空間面積；WA/S為小區(qū)的外墻面積。這樣就可以用CTTC來反映出顯熱蓄熱，即太陽輻射對空氣溫度的作用。

CTTC模型適用于預(yù)測和評價城市形態(tài)、建筑布局、景觀分布及人為散熱等因素對城市冠層內(nèi)熱環(huán)境影響。根據(jù)《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標準》，居住區(qū)空地、建筑以及喬木的熱時間常數(shù)分別為8 h，6 h和12 h[8]。

2.3 DUTE軟件可行性驗證

2010年華南理工大學陳佳明和舒力帆將DUTE的模擬溫度與實測溫度進行對比：實驗測試的溫度平均值為31.54 ℃，最大值為35.6 ℃；而軟件計算溫度平均值為31.6 ℃，最大溫度為35.82 ℃；二者平均值相對偏差為0.84%，最大值相對偏差為2.17%，結(jié)果吻合度高，可以滿足工程計算要求[3，9]。

2012年華南理工大學陸莎比較了DUTE模擬結(jié)果、實測結(jié)果和FLUENT軟件模擬結(jié)果，結(jié)果表明：三者空氣溫度趨勢是一致的，誤差在允許范圍內(nèi)，利用DUTE軟件模擬得到的室外1.5 m高處空氣溫度是合理且有效的[10]。

2017年南京大學段艷文分別采用DUTE與Phoenics軟件模擬了布置綠植的研究區(qū)，并采用濕球黑球溫度(Wet Bulb Globe Temperature,WBGT)為對比指標，結(jié)果表明：二者WBGT指標的逐時變化曲線總體趨勢接近。在不同的植物類型下，Phoenics的模擬值要大于DUTE，其計算的誤差在1 ℃左右[11]。

總體而言，基于CTTC集總參數(shù)法的室外熱環(huán)境分析工具DUTE的計算方法是科學合理的，其預(yù)測精度滿足工程需要。

2.4 評價標準

DUTE根據(jù)國家行業(yè)標準JGJ 286—2013城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標準中的評價性設(shè)計方法，并采用模擬計算所得的濕球黑球溫度和熱島強度作為評價指標對熱環(huán)境質(zhì)量進行評價。根據(jù)標準規(guī)定，上述指標應(yīng)滿足如下條件[8]：

1)夏季逐時WBGT≤33 ℃；

2)夏季貴陽地區(qū)北京時間9:00～19:00間的平均熱島強度不大于1.5 ℃。

3 貴陽某居住區(qū)熱環(huán)境模擬

3.1 工程概況

居住區(qū)占地面積113 333 m2，容積率為1.96，綠地率為32%。小區(qū)北面由一排2層～3層的商業(yè)街構(gòu)成，小區(qū)中部是18棟3層別墅，四周是26層和18層組成的高層圍合而成(見圖1)。

3.2 計算采用的氣象數(shù)據(jù)

軟件采用的氣象數(shù)據(jù)為貴陽市夏季典型氣象日7月21日0：00～24：00的逐時空氣溫度、相對濕度、太陽總輻射照度、太陽散射輻射照度和風速等參數(shù)。貴陽典型日平均溫度23.9 ℃，最高溫度出現(xiàn)在16：00左右。太陽輻射量不大，水平總輻射量為117.21 W/m2，最大值在14：00，水平散射輻射為141.52 W/m2，16：00最大。夏季主導(dǎo)風向為南向，日平均風速2.3 m/s。

3.3 計算模型

根據(jù)小區(qū)下墊面材料的性質(zhì)，對軟件進行設(shè)置。創(chuàng)建小區(qū)建筑并輸入建筑高度，創(chuàng)建水泥地塊、草地地塊，透水磚地塊、水體地塊、喬木大小和位置以及構(gòu)筑物遮陽地塊，設(shè)定計算的區(qū)域等。最終的計算模型見圖2。

3.4 模擬結(jié)果

該居住區(qū)逐時平均空氣溫度、WBGT和熱島強度的計算結(jié)果，如圖3～圖5所示。圖3中tα.TMD為貴陽市典型氣象日逐時平均空氣干球溫度，ta為居住區(qū)逐時平均空氣溫度，從圖中可以看出，因為建筑物對太陽輻射的互相遮擋，使得通過空氣流動帶走的熱量減少，住區(qū)在下午和夜晚的空氣溫度高于同時刻典型氣象日的空氣溫度。由于建筑物對太陽輻射的互相遮擋，使得部分建筑在陰影中，沒有受到太陽輻射的影響，因此9：00～13：00間，住區(qū)的空氣溫度小于典型氣象日的空氣溫度。圖4中可以看到，WBGT最高溫度出現(xiàn)在16：00，最低溫度出現(xiàn)在6：00，24 h內(nèi)的逐時平均WBGT值均低于33 ℃。因此，滿足標準中對WBGT的控制目標。對于熱島強度(見圖5)，最大值出現(xiàn)在夜晚23：00，最小值出現(xiàn)在10:00，全天的平均熱島強度均值為1.32 ℃。根據(jù)標準，從9:00～19:00間平均熱島強度均值為0.595 ℃均小于1.5 ℃。

4 結(jié)語

與CFD模擬軟件相比，DUTE1.0可以直接使用建筑規(guī)劃的CAD圖紙進行建模，只需加入建筑高度，添加建筑和地表的材質(zhì)物理屬性便可進行計算，且只需幾分鐘便能計算出24 h逐時的熱環(huán)境參數(shù)，該軟件操作簡單高效，便于建筑規(guī)劃設(shè)計師快速進行熱環(huán)境評價，適用于設(shè)計初期。但因為CTTC模型不能考慮熱在水平方向的傳遞，因此如何選取區(qū)域，選取多大區(qū)域?qū)⒂绊慍TTC計算的準確性。

居住區(qū)是城市的重要組成單元，是人們生活的重要場所，需要城市規(guī)劃和建筑設(shè)計加以關(guān)注，基于集總參數(shù)法的熱環(huán)境評價減少了關(guān)注的難度，對工程實踐具有指導(dǎo)意義。