基于道路布局的城市区域热环境数值模拟研究＊

乐 地，李念平†，苏 林，李 靖，魏小清

（1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.中国汽车工业工程公司，天津 301600）

随着城市的高速发展，人口密度急剧增加，城市用地日趋紧张，人均占用居住空间逐渐减少，引发了现代建筑的竖向发展以及城市建筑密度的增加.高层建筑的大量建设，一方面大大增加了建筑排热密度，使热岛效应更为严重，城市热环境恶化[1－3]；另一方面，高层、高密度建筑群对城市自然通风造成很大影响，使得无法顺利排出建筑废热及被污染的空气，城市热环境和空气质量更难以通过自然通风来改善[4].

本文以长沙市主城区为研究对象进行数学建模，用Fluent软件进行模拟计算，对模拟结果进行分析，并与红外线温度图进行对比研究.

1 数学模型

本文采用k－ε湍流模型对建筑物的绕流进行模拟计算，流体流动的基本控制方程[5]如下.

质量守恒方程：

式中：ρ为密度；t为时间.

动量守恒方程：

式中：Su，Sv，Sw是动量守恒方程的广义源项；p为压力；μ为运动粘度.

能量守恒方程：

一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续方程和Navier－Stokes方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的.目前关于湍流流动与传热的研究十分活跃，已经采用的数值计算方法可以大致分为3种：直接模拟、大涡模拟、雷诺时均法.前2种方法对计算机的内存和运算速度要求很高，一般在超级计算机或工作站上进行.雷诺时均法将湍流物理量对时间平均，将瞬时值分解为时均值和脉动值2部分代入控制方程，得到时均化的控制方程进行计算.

在此，考虑不可压流动，使用笛卡尔坐标系，速度矢量在x，y和z方向的分量分别为u，v和w，则湍流瞬时控制方程如下：

采用有限容积法对微分方程进行离散.其中，对扩散项采用中心差分方法，对流项采用二阶差分方法.采用SIMPLE算法进行压力和速度的解耦，以避免不合理压力及速度场的出现.近壁区采用壁面函数法处理.

2 模拟与实验验证

2.1 几何模型的建立

本文研究的对象是长沙市主城区，区域范围的界定是从南至北以湘江三桥至湘江二桥为界，从西到东以湘江至浏阳河为界.南北最长处约10km，东西最宽处约10km，区域内面积约为78km2.

本文对长沙市主城区进行建模，所采用的几何模型是基于长沙市规划局实测资料[6]建立起来的，所有的街道、高层建筑等的模型都保持了与实际物体的真实比例尺度关系（见图1）.这样便于分析长沙市主城区的高层建筑布局、街道走向等的特征，综合研究区域热环境状况.

影响区域热环境模拟的因素众多，具体构成要素包括：建筑物、街道、绿地、水体等，并结合长沙市城区规划特点对各影响要素进行分层组织，在保留长沙市城区规划特点的同时简化实物模型，以便于降低计算难度.

2.2 模拟参数设置

2.2.1 计算区域

在计算室外环境风场时，计算区域的大小会影响到模拟结果的准确性和计算量的大小.通过大量试算，确定计算区域为：长度、宽度分别为计算模型长度、宽度的15倍、10倍，形成无限远边界，如图2所示.

2.2.2 边界条件

图1 长沙市高层建筑布局图Fig.1 The layout of high－rise buildings in Changsha

图2 数值模拟计算区域Fig.2 Computational domain of numerical simulation

1）来流面边界.计算区域入口处流场，边界为速度进口.根据长沙市气象参数，夏季时，风向为SE，风速2.6m／s，冬季时，风向为 NW，风速3.7m／s.

2）出流面边界.分别用压力出口条件（设出口表压为零）和出流边界条件计算，发现虽收敛历史有所不同但结果基本一致.

3）壁面边界.区域内建筑轮廓及计算区域四周界面均为无滑移壁面.

Fluent是目前比较流行的计算流体力学软件，被广泛应用于与流体力学相关的航空、水利和工程设计等领域.应用Fluent软件建模计算，一般可以先用其前处理器Gambit建立各种建筑及街道的模型，并进行合理的网格划分，本文所建立的长沙市建筑模型采用非结构化网格划分[7－9].

2.3 长沙市区域热环境整体情况分析

在长沙市湘江与处于湘江以西的岳麓山地带，湘江的天然水体和岳麓山上大面积的植被像一个巨大的空气调节系统，为城市调节温度、湿度，降低“热岛效应”危害，同时它也可以吸收空气中的有害气体和可吸入颗粒物，保证空气的质量.因此从红外线温度图[10]（如图3所示）中可以明显地看出，由于湘江水域和岳麓山的存在，河西地带的热岛效应非常弱，并且空气质量优良.

与之形成鲜明对比的是河东五一广场高层建筑密集地带的热岛效应强度明显较河西大很多（如图4所示），在该地带的城市上方形成热穹窿，像罩子一样盖在城市上方，阻碍热量及污染物扩散.由于道路的通风作用，其热岛的穹窿形成了几个小的穹窿，而小穹窿处的高层建筑又比较集中.测试表明道路的宽窄对热岛的降解有一定的作用，但是在高层建筑围合的多层区域的次一级路网中，以及老城区的小街道的通风就受到了很大的影响，其通风的效果就越来越差.

图3 湘江及岳麓山周边区域红外线温度图Fig.3 Infrared temperature map of Xiang River and Yuelu Mountains

图4 五一广场区红外温度图Fig.4 Infrared temperature map of Wuyi Square

从图5，图6可以了解长沙市主城区河东地区的夏、冬季热环境情况.在夏季，主导风为东南风，东南风通过街道向城市纵深蔓延，在主城区东部，由于街道较宽，道路网格局主要为规规矩矩的网格型，对风的阻力较小，因此在东部，东南风没有受到太多的阻力，街道上的风速较大，几条南北向的主干道上的风速约为1.2～1.7m／s（如图7所示），东西向的几条主干道较窄，风速约为0.3～0.8m／s，基本没有出现死风区.而主城区的西部地区，由于路网稠密，且不规整，高层建筑较多，对东南风的阻力很大，除几条主干道上风速较大外，其他支路上的风速均较小，因此主城区西部的热岛效应比东部的要更强烈，主城区西部的空气质量也更差.由于此处只研究河东城区，岳麓山在图中简化为西端的一道屏障.从风速矢量图中我们可以看出夏季主导风东南风在遇到岳麓山这个巨大屏障的阻隔时，在山前的潇湘大道及湘江江面上形成高速的风道，沿着道路及江面由南向北运动.

图5 长沙市主城区河东地区夏季风环境模拟Fig.5 Simulation of wind environment of Changsha in summer

图6 长沙市主城区河东地区冬季风环境模拟Fig.6 Simulation of wind environment of Changsha in winter

图7 城市自然通风走廊Fig.7 Natural ventilation corridor in the city

在冬季，主导风为西北风，长沙河东主城区的北部不受岳麓山的阻挡，强劲又寒冷的西北风长驱直入，城区北部各街道（尤其是南北走向的街道）的风速均较大，约1.3～2.3m／s.行人走在路上感觉风速过大且寒冷，但空气质量较好，热岛效应也较弱，冬季采暖及空调能耗也较大.西北风在经过主城区北部后，在进一步进入主城区中心区时，由于建筑密度尤其是高层建筑的密度越来越大，西北风受到很强的阻挡，风力迅速减弱，并且岳麓山对主导风西北风的阻隔越来越明显，因此主城区中心及南部各街道上的风速较小，在有些较窄且四周被高层建筑“围堵”的道路上，风速一度停滞，形成死风区，因此在这些区域的热岛效应较强，温度较高，虽说这在一定程度上缓解了冬季的寒冷，降低了冬季采暖及空调能耗.但是，在主城区中心和南部的有害气体及可吸入颗粒物无法及时有效地排走，造成这些区域空气质量很差.并且由于热岛的逆温层的作用，污染空气始终在城区内部和上空循环，更加恶化了城区内部的空气质量.

2.4 高层建筑布局及街道走向对城市自然通风的影响分析

城市通风的目的是利用城市中的空气自然流通，带走城市所吸收的太阳辐射和人为产热，达到减缓城市热环境恶化的目的.从热量来源的角度分析，人为产热主要包括在各种道路上的交通排热和各种建筑在使用过程中的建筑排热.对道路的通风降温，主要是通过以城市干路为载体的城市通风走廊来实施的.对建筑排热的逸散，主要是通过利用穿越建筑所在城市冠层的各种城市风来实现的.实现城市冠层通风，可以直接通风、或利用一些特制的相互连结的城市绿带，采用边通风边降温的方式，加以实现.

如图8中A处，风按箭头方向流动，由于该拐角处街道走向及两侧高层建筑布局的情况导致风流动的附面层与高层建筑墙壁面产生分离，并在此处形成漩涡，造成在A处垃圾和粉尘的堆积，该处空气质量较差.图中B和D两处与C处对比，B和D两处，街道走向过于曲折，拐角太多，同时路面狭窄，这几方面原因造成B和D两处风流动阻力很大，风速很小，这不利于带走该处的热量和被污染空气.而C处，道路走向规整，路面较宽，因此C处风速较大，风环境较好.另外，从A，B，C和D街道流出的风在碰到建筑E时，被E的墙壁所阻隔，这对将热量和

图8 高层建筑布局对风向及风速的影响Fig.8 Effects on the wind direction and speed of the layout of high－rise buildings

被污染空气引入湘江是极为不利的，因此在江边应当避免建设大面宽高层建筑，避免出现T字形路口，若难以实现时可设置底层架空或空中花园等透风引风措施.城市通风路径的设计上要注意建筑相互关系宜前后、高低错落布置，形成通风路径，以利于主导风通行.

图9中A区与B区对比：由于A区高层建筑布局极为不规则，造成A区内街道走向曲折，拐角过多，当风进入该区后受到的阻力很大，风速变得非常小，又由于建筑G对A区流出的风进行阻隔，造成A区热量及被污染空气排出困难，A区的热环境和风环境都较差.相比而言，B区高层建筑布局较为规整，这有利于东南风进入该区并顺利流出，B区的几条东西向干路C，D，E和F的风速均较大，同时在湘江边没有大面宽的高层建筑阻挡，风可以非常顺利地将热量和污染物引入湘江，由湘江对热量和污染物进行吸收、降解.从A区与B区风环境的对比可以看出合理的高层建筑布局对于城市热环境的意义.

图9 建筑群布局及街道设计对城市通风的影响Fig.9 Effects on the city ventilation of the layout of buildings and roads

3 结 论

本文对长沙市主城区热环境情况进行了模拟计算，并将模拟结果与实测数据进行对比分析，发现高层建筑布局及道路布局设计对城市区域热环境的影响很大，具体体现为：

1）绿地、水体地带可以通过蒸发作用降低空气的温度，减小城市热岛效应的影响.在城市规划中一定要保证足够的绿化、水体面积.

2）城市街道是城市的通风走廊，通过城市街道的合理设计与布局可以充分利用季节主导风来改善城市区域热环境.

3）城市高层建筑布局一定要与街道设计相契合，城市高层建筑布局应当前后、高低错落布置，尽量避免大面宽建筑，充分利用城市自然通风改善城市热环境.

4）城市中的道路布局与城市的区域热环境有着很大的关联，其主要表现为：

a.道路或河道的宽度可对热岛的穹窿产生影响.

b.道路的方向对其局部的热环境有很大的影响（如无风的区域和相对于高层建筑群的低洼的区域）.

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