華南地區典型建筑布局熱舒適性數值模擬研究

謝岸峰 肖博豐

廣東工業大學/土木與交通工程學院 廣東 廣州 510006

引言

目前，城市化的進程改變了原有的下墊面狀況[1]和建筑布局。城市建筑物會對城市氣流產生影響，不同的建筑物表面還會與氣體產生各異的對流換熱過程[2]。建筑布局的變化會改變原有的動量、能量與物質交換過程，使局部地區的風速、溫度、濕度、輻射發生改變，形成不同于大氣候的局地微氣候[3]。隨著計算機技術的發展，數值模擬技術突破了傳統實測方法和模型實驗方法[4]工作量大且和實驗周期長的問題，通過對城市微氣候的控制方程組進行求解，模擬現實出現的氣候情況[5]。國內外學者在數值模擬城市建筑布局對城市風環境和熱環境的影響方面做了諸多研究[6-9]。但大多數研究的建筑布局缺乏代表性，且使用的數值模擬軟件為通用的流體力學計算軟件，對城市微氣候研究缺乏針對性。本文將采用經驗證精度良好[10-14]的專業CFD微氣候模擬軟件ENVI-met對四種具有代表性的建筑布局進行數值模擬，以得出居住小區建筑布局對局地微氣候的影響規律。

1 局地微氣候的數值模擬

流域內氣體視為不可壓縮氣體，對風場，綜合考慮地球自轉偏向力、浮力的影響，并考慮湍流的作用。引入能量方程和物質守恒方程，考慮空氣與各邊界的熱量和水汽交換。對于輻射計算，通過輸入模擬區域所在位置的經緯度、模擬時刻、天空晴朗程度等，由內置輻射模型自動加載入射的短波和長波輻射通量。對于土壤中溫度和濕度的計算，采用一維土壤模型，考慮熱量和水分的垂直輸運。

1.1 控制方程組

基于ENVI-met軟件的局地微氣候模擬可以用以下控制方程加以描述：

（1）質量守恒方程

（2）動量守恒方程

式中，u,v,w為三個方向的風速，m/s；為壓力波動值，Pa；為湍動能交換系數；f為科里奧利力常數（10-4s-1）； 為地球自轉風速度，m/s；為重力加速度，m/s2；為z高度處的氣溫， 則表示z高度處的參考溫度，K；為源項。

（3）能量守恒方程

（4）物質守恒方程

2 建筑布局對住宅小區熱舒適性的影響

2.1 模擬工況設計

圖1 建筑平面布局形式

本文以廣州夏季典型氣象日（平均溫濕度與太陽輻射強度與該月平均值最接近的一日）和夏季極端氣象日（該月平均干球溫度最高的一日）作為模擬對象，模擬地點為廣州（23.8°N，113.17°E）。夏季典型氣象日模擬的時間段選定為2018年7月13日09∶00～18∶00，10m處風速為2.0m/s，風向為135°(SE)，太陽輻射調整系數為1.2。將廣州當天的溫度與濕度情況按小時輸入到軟件中。根據Chen[15]的研究成果，將溫度和濕度邊界取為Open式，將湍流邊界取為Forced式。本文根據實際建筑的布局特征規律，將住宅小區布局簡化為四種：行列式、斜列式、圍合式和錯列式。建筑布局如圖1所示，其中建筑尺寸日照間距為防火間距為

2.2 模擬結果分析

本文以標準有效溫度SET（Standard Effective Temperature）作為熱舒適性的評價指標。當標準有效溫度高于30℃時，熱舒適性隨標準有效溫度的升高而降低。當標準有效溫度高于40℃時，人體皮膚將無法蒸發水分，人體感覺很熱，難以忍受。

夏季典型氣象日標準有效溫度分析。

夏季典型氣象日模擬時間段內四種典型建筑布局形式在住宅小區外部區域的人行高度（1.5m）處的平均有效溫度SET的變化趨勢如圖2所示，取15∶00時刻人行高度處平均有效溫度SET進行分析，SET范圍分布圖如圖3所示，SET分布云圖如圖4所示。

圖2 1.5m高度處平均SET變化趨勢圖

圖3 15:00時刻1.5m高度處SET范圍分布圖

圖4 15∶00時刻距地1.5m高處SET分布云圖

由圖2可以看出，各建筑布局室外人行高度處平均標準有效溫度SET隨時間的變化趨勢是一致的，標準有效溫度最低出現在9∶00處，隨時間推移平均SET逐漸上升，在15∶00時刻達到峰值后開始下降。在13∶00～17∶00時，四類建筑布局的平均SET均超過40度，此時人體熱舒適性很差，難以忍受。在峰值15∶00時刻，圍合式建筑平均SET明顯低于其他三類，為42.25℃。行列式和錯列式的平均SET值最高，為42.50℃。

選取SET峰值時刻15∶00進行對比分析。圖3為下午15∶00時刻四種建筑布局形式SET分布情況。高SET值區（SET＞44.0℃）的面積占比情況為：斜列式（12.76%）＞行列式（8.83%）＞圍合式（8.52%）＞錯列式（8.28%）；低SET值區（SET＜41.0℃）面積占比情況為：圍合式（21.3%）＞斜列式（17.71%）＞行列式（15.49%）＞錯列式（14.37%）。由以上SET分布情況可知，斜列式的高SET 占比明顯高于其他三者，其部分區域熱舒適性很差。圍合式建筑布局低SET區域分布面積明顯大于其他三者，具有較多熱舒適性較好區域，總體熱舒適性也占優。

由圖4，15∶00時刻陽光從西面照射，在建筑物東面出現背陽面，溫度較低。圍合式布局由于遮擋面積較大，低溫部分面積較大，熱舒適性較高。而在建筑物間的巷道處，由于巷道效應氣體流速上升，比較有利于熱量的輸送，在巷道內部溫度比建筑物周圍溫度低。在建筑物周圍，由于建筑物直接接收太陽輻射，且吸收率較大，建筑物表面溫度較高，對周圍氣體有加熱效應。同時由于建筑表面為固定不滑移壁面，流體在其表面形成邊界層，流速較低，氣體熱量不能及時排出，導致建筑物周圍區域特別是向陽面周邊普遍溫度較高。

綜上所述，在夏季典型氣象日，四種建筑布局中，圍合式建筑布局室外人行高度熱環境舒適性最優，其他三種建筑布局均表現較差。各建筑布局的SET分布差異性明顯，主要體現在巷道內部和建筑背陽面熱舒適性較好，而建筑向陽面周邊熱舒適性較差。各建筑布局處均有部分區域熱舒適性較差，其中以斜列式建筑最為明顯。

3 結束語

本文研究了華南地區四種典型建筑布局對廣州地區居住小區微氣候的影響，將廣州夏季典型氣象日工況輸入到ENVI-met軟件中，對行列式、錯列式、圍合式和斜列式建筑布局進行數值模擬研究。以標準有效溫度SET為室外熱環境舒適的評價標準，得出了四種典型居住小區建筑布局室外人行高度處平均標準有效溫度的逐時變化規律，并選取SET的峰值時刻15∶00進行SET分布規律分析，得出的結論為：

在夏季典型氣象日，各建筑布局的平均SET的變化規律基本相同，且均在15∶00時刻達到峰值。在夏季典型氣象日，圍合式建筑布局的室外熱舒適度最好，斜列式建筑布局室外熱舒適度均最差。在夏季極端氣象日中，四種建筑布局的室外人行高度處標準有效溫度在模擬時間段內均高于40℃且在峰值處高于45℃限值，十分不利與居民健康。夏季極端氣象日中的高SET值區域的分布面積高于夏季典型氣象日，且低SET值區域小于夏季典型氣象日，總體SET比夏季典型氣象日高。

本文對建筑小區布局進行了簡化，模擬的住宅小區布局數量較少且未考慮較為復雜的建筑布局。模擬中未考慮住宅小區中可能存在的植被和水體對熱環境的影響，且輸入的氣象條件中風速風向均為定值。在今后的模擬中，可以按實際住宅小區形式進行建模，并引入植被和水體的影響，并嘗試輸入動態化的風速風向條件。