室外热环境模拟方法在居住区设计中的应用

陈宏 谢俊民 大冈龙三 / Chen Hong, Xie Junlong, Ryozo Ooka

1 研究的背景与意义

随着城市化的飞速发展，城市热岛现象也日趋严重，城市热环境存在加速恶化的趋势。例如在城市热岛现象非常显著的日本东京近百年来（1880～1980）气温升高了大约2℃（Ryozo Ooka, 2007) ，明显高于地球温暖化所造成全球气温0.6℃的升幅。城市热岛不仅导致城市气温显著升高，而且大气污染、气候变化、建筑能耗剧增等一系列环境与社会问题。在城市建设过程中，如何通过有效的城市设计的策略来调节城市与建筑热环境、缓解环境恶化的问题，从而达到提高城市环境品质，降低建筑能耗的目标已成为刻不容缓的任务与课题。

近年来。为了改善城市热环境，从城市规划、建筑设计、以及城市设计的角度进行了大量的研究工作 （Kimura F, Takahashis,1991;T.R.Oke,1991），并且有很多改善策略被提出。很多的研究与实践表明，城市的空间形态、建筑群的组合关系、城市的下垫面性质等等环境构成要素对于城市微气候的形成具有较大的影响（Hong Chen,Ryozo Ooka, Hong Huang, 2009）。实践证明城市规划师与建筑师通过城市规划、建筑设计、以及城市设计的方法来改善城市与建筑热环境，是实现低碳城市的一种非常有效的手段。

基于上述背景，作者开发了室外热环境模拟方法（Hong Chen,Ryozo,Ooka, Kazuya Harayama, etc.2004），同时，作为应用案例研究，采用这一方法参与一个实际住宅区的规划与建筑设计过程，针对住宅区的室外热环境进行模拟计算，根据模拟计算的结果，分析与提出相应的住宅区平面改善方案，并且对改善方案的效果进行模拟验证。

2 室外热环境模拟方法

城市与建筑热环境及风环境非常地复杂多变，在实际工程中多采用风洞试验与计算机模拟的方法来预测与评价建成环境的环境状况。风洞试验存在周期长、成本高等诸多问题。同时，近年来随着计算机技术的飞速发展，计算能力大大提高，计算流体力学Computational Fluid Dynamics (CFD)方法与软件开始进入实用化阶段。在国外，建筑热环境模拟方法已经被广泛应用于实际工程中，成为为建筑设计提供科学依据的重要技术手段。

图1 室外热环境模拟方法

图1 为作者参与开发的可用于实际复杂街区室外热环境模拟计算的模拟方法。这个模拟方法可以实现复杂空间条件下的三维非稳态太阳辐射模拟与稳态CFD模拟。

在模拟过程中，首先根据计算对象所在地点的地理位置、计算时刻、街区形态与密度指标、以及建筑与环境的表面构成等设定计算条件与边界条件；其次，进行太阳辐射模拟计算，获得建筑外表面及地面等环境要素外表面的表面温度；然后，将上述表面温度的计算结果作为边界条件进行CFD计算，获得风速风向、气温、湿度、平均辐射温度（MRT）的空间分布；最后，根据设定的人体活动量、着衣量等参数计算出室外热环境的人体热舒适指标SET（新标准有效温度New Standard Effective Temperature），并且利用这一指标进行室外热环境的舒适性评价。

本文的研究案例中CFD计算采用国际通用的数值流体力学模拟软件Star-CD，这是一个由英、美、德、法等多个国家的学者合作开发的专业的数值流体力学模拟软件。如图3所示，目前已经被广泛利用于汽车、航空航天、机械、建筑等领域。在建筑领域中，Star-CD被广泛应用于室内外的热环境、风环境、以及空气环境的数值模拟，对建筑室内外环境进行预测与评价。

3 研究案例——越谷湖滨城（Koshigaya Riverside Town）

3.1 研究对象

越谷湖滨城（koshigaya riverside town）是位于日本东京附近的一个独立式住宅区。如图2所示，住宅区由132栋2～3层的独立式住宅构成，住宅区附近有一个较大的人工湖及一条人工河（图3）。建筑师希望根据夏季主导风向进行有针对性地外部空间设计，将湖面及河面上的凉爽空气引导进入住宅区内，以便创造良好的室外环境，同时通过促进建筑的自然通风，将凉爽空气引入室内，改善室内热环境，减少空调能耗。由于建筑师将上述微气候调节理念与住宅区设计紧密结合，这个住宅区获得日本第18届地球环境大奖，并且通过CASBEE（建筑环境综合性能评价体系：Comprehensive Assessment System for Building Environment Efficiency）的最高级，即S级的认证。

3.2 模拟的设定

模拟的时间被选定为8月。图4中红色的实线所围区域为本文的研究对象区域。根据AMeDAS（Automated Meteorological Data Acquisition System）气象数据，建设用地在8月份SSE与ENE等两个方向的频度较高，因此，本研究选用这两个风向为讨论对象。表1为CFD模拟的边界条件。根据气象数据，流入风速被设定为高度6.5m处风速2m/s，气温为32.6℃。

在本文中为了进行住宅区总平面的原始设计方案及改善方案的比较，根据方案以及风向的差异，共有4种工况被讨论，表2为模拟计算的4种工况列表。

3.3 模拟结果

3.3.1 原始方案的模拟结果

图6表示case1(a)的模拟结果。当流入风向为SSE时，在1.5m高度，河面上的气流主要通过a、b、以及c等3个路径流入住宅区内部。其中，路径b的风速最大，并且在住宅区的中心部形成了一条“通风道”。同时，可以看出通风较好的区域，气温的值也相对较低，凉爽舒1300~1800 in August适。但是在住宅区的内部，风速较弱，尤其是在d及e等处的风速减弱十分明显，相应地，风速较弱的区域由于热量无法及时地扩散，因此气温较高。

图2 研究对象鸟瞰图

图3 研究对象平面图

图4 模拟区域

表1 边界条件

表2 模拟计算工况

图5 夏季风玫瑰图

图7 表示case1(b)的模拟结果。case1(b)的住宅区内部的平均风速要大于case1(a)的值。显示出住宅区西北侧湖面上的凉爽空气可以较好地流入小区。但是，图中可以看出风上侧的f处的建筑对于ENE方向的流入气流起到了阻碍作用。同时，在风下侧的组团g处存在着明显的弱风区，相应地图中h处的气温也明显高于其它区域。

3.3.2 改善方案

根据上述对于原始方案的计算与分析，我们发现由于住宅区内建筑密集，对于风的阻碍作用比较明显，因此，存在一定的弱风区，尤其是在SSE的风向下表现的更加突出。基于上述分析，我们提出了总平面的改善方案。图8为住宅区的改善方案。由于各种条件的限制，改善方案只能以已确定的宅基地为基础，将建筑在基地内的位置进行前后左右的错动。相比于原始方案，我们主要是针对A～F等处的建筑间距进行了一些调整，以改善住宅区内部的通风。这些改变主要包括2个方面的内容：首先，在A～D等处主要是针对流入气流，通过调节建筑间距，加宽气流流入通道，使气流更容易流入住宅区内部；其次，在E处主要是减小住宅区内部建筑对气流的阻碍。

3.3.3 改善方案的模拟结果

图9表示case2(a)的模拟结果。从图中可以看出，在风向为SSE的条件下，气流主要是沿着a、b、c以及i等4条路径流入住宅区内部，其中a、b、c等3条路径与原始方案的结果相同，但是在b处，原始方案的流入气流被建筑阻碍，无法有效地流入住宅区内部，而这种状况在改善方案中得到了显著改善。另外，在改善方案中i处出现的流入路径有效地改善了平面右下区域的通风状况。住宅区内部通风状况的改善同时也有效的降低了区域内部的气温，尤其是在气温分布图中i处沿流入路径b的风下侧出现了一条明显的“低温带”，另外，d区也可以看到与原始方案相比气温得到明显降低。

图10表示case2(b)的模拟结果。由于调节建筑间距，使得风的流入通道加宽，所以f处的风速加大，通风状况得到改善。同时，图中k处的通风状况也得到了明显的改善，而这一结果也使得组团g处的气流变得非常顺畅，而在原始方案中该处的气流被阻碍，成为弱风区。相应地，在改善方案中，h区的气温也得到了降低。

4 总结

在本文中应用作者等开发的室外热环境模拟方法对于一个实际住宅区（Koshigaya Riverside Town），针对夏季的2个主导风向（SSE与ENE）条件下的室外热环境进行了预测与评价，在此基础上，通过分析模拟计算的结果，找出原始总平面设计中室外热环境存在的问题点，并且有针对性地提出改善方案。改善方案通过对建筑间距进行微调，有效地改善了在上述2个主导风向条件下，住宅区内部的通风状况，降低了住宅区内部的气温。

图6 (1)风速矢量

图6 (2)气温case1(a) 模拟结果的水平分布（高度1.5m处）

图7 (1)风速矢量

图7 (2)气温case1(b) 模拟结果的水平分布（高度1.5m处）

图8 (1)原始方案

图8 (2)改善方案改善方案示意图

图9 (1)风速矢量

图9 (2)气温case2(a) 模拟结果的水平分布（高度1.5m处）

图10 (1)风速矢量

图10 (2)气温case2(b) 模拟结果的水平分布（高度1.5m处）

通过对原始方案与改善方案的比较，可以看出通过改变街区的空间形态与建筑群的组合关系是调节城市微气候的有效手段；同时，采用热环境模拟方法针对设计方案的热环境状况进行预测与评价，能够为建筑设计提供科学的依据与技术支持。

[1] Ryozo Ooka, Recent development of assessment tools for urban climate and heat-island investigation especially based on experiences in Japan, International Journal of Climatology, 2007，27, 1919-1930

[2] Kimura F, Takahashi S, The effects of land-use and anthropogenic heating on the surface-temperature in the tokyo metropolitan-area- a numerical experiment, Atmospheric environment part b-urban atmosphere, 1991，25：155-164.

[3] T.R.Oke, Street design and urban canopy layer climate, Energy and Buildings,1998 11 (1-3):103-113

[4] Hong Chen, Ryozo Ooka, Hong Huang, Takashi Tsuchiya, Study on mitigation measures for outdoor thermal environment on present urban blocks in Tokyo using coupled simulation.Building and Environment, 2009,44:2290-2299

[5] Hong Chen, Ryozo Ooka,Kazuya Harayama, Shinsuke Kato, Xiaofen Li, Study on outdoor thermal environment of apartment block in Shenzhen, China with coupled simulation of convection, radiation and conduction,Energy and Buildings, 2004, 36:1247-1258