城市综合体建筑人为排热及热湿气候动态预测

穆 康，刘 京，2，李芳芳，卢 振，刘俊跃，张建利

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，150090哈尔滨;2.城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)，150090哈尔滨;3.深圳市建筑科学研究院有限公司，5180492广东深圳)

与单一功能为主的住宅社区、商业区等不同，城市综合体一般由三种或三种以上功能类型的建筑群组成，各部分之间相互依存而形成紧凑有机整体，其体量和容积率普遍比单一功能城市区域要高;从用能特点看，城市综合体中多种形式的能源系统并存，其能源应用和排热随时间、空间的变化规律都与单一功能的城市区域不同，因而城市综合体被认为是一种新的可持续的城市生长方式而得到越来越广泛的应用［1-2］.城市综合体的上述特点也导致了其区域大气热湿气候的特征、形成规律与单一功能的城市区域情况完全不同［3］.Bueno等［4］对图卢兹市内的居住区和商业区、Ohashi等［5］对东京办公区进行了热排放与气温值的计算;陈宏等［6］以东京具有代表性的商务街区作为研究对象分析各类人为排热对区域热环境的影响.以上研究均以单一类型建筑街区为主要对象，对多种建筑类型并存的复杂城市综合体室外热气候的研究相对有限.

本文结合城市综合体的功能特性和用能特点，基于已有城市区域热气候预测模型，开发出针对多类型建筑并存的城市综合体热气候预测模型，然后将此计算模型应用于深圳市某实际项目来研究城市综合体内建筑人为排热和热湿气候随时间变化规律.

1 城市综合体建筑人为排热及热湿气候动态预测数值模型

本研究基于已开发的城市区域热气候预测模型［7-9］，该模型仅针对单一功能城市区域，由局地气候模块、建筑热湿负荷计算模块、太阳辐射计算模块以及热舒适性模块等部分组成，各模块间紧密联系、相互影响，从而获得城市区域内热湿气候和能量交换的动态计算结果，此模型已通过实测研究验证了其合理性［10］.在此模型基础上，本研究在对现有城市综合体构成进行调研的基础上［2］，分别建立居住、办公、商业金融、宾馆、体育、文化娱乐、学校、图书馆、医疗等9类城市综合体内常见建筑类型的相关数据库，将原有的单一建筑类型城市区域热气候预测模型中的各计算模块进行相应扩充，构建成新的城市综合体热气候预测模型.该新模型可按照实际城市综合体区域内各类型建筑的组合关系和比重，将不同类型建筑围护结构热湿物性、空调制冷系统种类与运行时间、室内空调设定温湿度、换气次数、室内逐时显热潜热散热量等数据同时输入，实现了多类型并存时的建筑负荷、人为排热量、相应的城市综合体内热湿气候之间动态耦合模拟.模型基本框架见图1.

图1 城市综合体区域热气候计算模型基本框架

某类型建筑内房间热湿负荷计算:

式中:Cp为空气比热，kJ/(kg·K);ρ为空气密度，kg/m3;V为容积，m3;θ为温度，℃;t为时间，s;A为室内各壁面面积，m2;·m为新风量，kg/h;Hg为建筑内部人员、照明、电器设备等的产热量，W;Ha为空调系统制冷量，W;X为含湿量，g/kg;Lg为建筑内部产湿量，g/h;La为空调系统除湿量，g/h;另外，下标变量m为建筑类型;i为该类型建筑中的某房间，j为房间内某壁面，上标变量r代表室内参数，o代表室外参数．

由某类型建筑空调制冷系统带来的排热量如式(3)所示，区域内所有建筑向大气排放的全热、显热及潜热排热量计算如式(4)～(6)所示，同时考虑系统不同，排热高度的空间差异对排热计算的影响:

式中:Q为空调排热量，W;Htotal为空调全热负荷，W;COP为制冷机组性能系数;ⅠP为制冷机组负荷相关系数［9］;η为某类型建筑面积占区域内总建筑面积百分比;ε为某类型制冷机组系统的显热比［9］;M为计算对象区域所包含建筑类型总数;L为计算对象区域中各类建筑采用的空调制冷系统类型总数，本模型中考虑了包括离心式冷水机组、空气源热泵机组等多种常见制冷机组系统的排热特性．另外，下标变量l为制冷机组类型．

2 实际城市综合体热湿气候动态评估

2.1 概要

以深圳市某实际规划项目为模拟对象，该规划项目用地中民用建筑总面积约占132.94万m2，建筑容积率为1.89，是一个典型的城市综合体，主要包括3种类型建筑:商业建筑、居住建筑和办公建筑.

计算期间选取夏季典型月［11］7月—8月的4周时间，计算期间内平均气温接近28℃，最高气温为34℃;除个别日期外，整个计算期间内的含湿量值也较高，平均值达到20.53 g/kg，平均相对湿度达到75%;另外，计算期间内平均风速水平适宜，约为2.76 m/s;水平面全天太阳辐射强度为159 W/m2，最大值达到1 314 W/m2.综上，该地区在计算期间内表现出高温、高湿、太阳辐射强的特点.

通过对区域内的建筑物布局进行统计分析，将不规则的建筑布局简化为整齐的方形建筑群，确定该区域内各种下垫面的覆盖率分别为:29%(建筑)、41%(不透水人工路面)、14%(草地)和16%(树木).各类型建筑围护结构热工参数、空调制冷系统设定参数等参考当地建筑节能设计标准［12-13］，主要计算条件见表1，各类型建筑的负荷日变化率［12-13］如图2～4所示.另外，城市交通产生的汽车废热排放也必须考虑.根据文献［14］中给出的繁忙路段机动车尾气排放的废热量和日变动比率，并考虑到城市发展规模、同一城市内部具体区域交通性质的差异，本对象区域交通废热峰值按8 W/m2取值，其日变化率见图5.

表1 城市综合体区域内各类型建筑参数及空调参数设定

图2 负荷日变化率(居住建筑)

图3 负荷日变化率(商业建筑)

图4 负荷日变化率(办公建筑)

图5 交通流量日变化率

2.2 计算结果及分析

基于建立的城市综合体区域热气候计算模型，开发出了相应动态预测软件，利用此计算模型及模拟软件，并结合深圳实际规划项目来研究城市综合体区域内的热气候.图6为软件部分计算参数输入界面示意图.

图6 计算参数输入界面

2.2.1 城市综合体内典型日各类建筑人为排热计算

不同类型建筑的功能不同，其建筑围护结构及室内人员活动规律也不同，导致不同类型建筑内部的负荷逐时变化规律、采用空调制冷系统的形式等都存在明显差异，最终使得各类建筑人为排热随时间变化规律和数值大小上也各有不同，选取计算期间内室外平均温度最高的第11日作为典型日，对此城市综合体内居住、办公、商业建筑人为排热的逐时变化量进行模拟计算和分析，其结果与当日气象数据见图7.

对建筑排热的时间分布规律进行分析，办公、商业、居住建筑的排热时间分别集中于各自空调系统启闭时间段08:00—18:00、09:00—21:00、17:00—23:00内，因此，单一类型建筑排热随时间分布变化规律主要受该类型建筑功能特点影响，其建筑排热时间相对集中;与单一类型建筑区域不同，由于城市综合体区域内同时包含3种功能类型建筑，因此该区域内建筑排热随时间分布较为分散，该城市综合体在全天大部分时间8:00—23:00里都存在较大量的建筑人为排热，从而对区域内室外热湿气候产生了长时间持续性的影响.

图7 典型日气象参数变化及建筑人为排热量逐时变化曲线

另外，从建筑排热的峰值大小和出现时间来看，城市综合体内建筑的显热、潜热排热峰值约为57 W/m2和65.5 W/m2，分别出现在17点和14点，这是因为按设定条件，居住建筑采用分体式空调机形式，建筑人为排热全部以显热形式向外排放，显热排热的规律主要体现居住建筑空调制冷系统的使用特点;而办公建筑与商业建筑采用电动水冷式冷水机组形式，以显热和潜热两种建筑人为排热形式向外排放，其中潜热排热占总排热量70%～80%的较大比例，潜热排热的规律主要体现办公和商业建筑空调系统的使用特点.由于各类型建筑所占比重及排热时间规律不同，全热排热的峰值出现在17点，由居住、办公及商业建筑的排热共同构成，约为86.9 W/m2.可以发现由于不同类型建筑排热错峰的效果，实际上的排热强度要低于125～190 W/m2等很多文献中单一类型建筑区内空调排热估算值［4，15］.

2.2.2 城市综合体内大气长期动态热平衡分析

为了实现对城市综合体区域这一相对开放的室外空间进行热量平衡和转换分析，本研究以近地边界层顶端为上边界建立一个假想的封闭空间，其内部热量平衡关系见图8.其中，由于研究对象封闭空间的外部气象参数不易确定，左右侧边界处的温度差、含湿量相差不大，并且侧边界处的面积相比上下侧水平边界的面积很小可以忽略，因此该研究不考虑流经左右侧边界处的热量.

根据以上能量关系，采用文献［9］提出的研究方法，可得整个计算期间内，此城市综合体区域对应的大气空间内全热通量收支的日平均值变化情况，见图9.设进入区域大气空间的热量(或流出冷量)为正，流出的热量(或流入冷量)为负.

图8 城市冠层内热收支概念图

图9 单位区域面积大气全热收支日变化

城市综合体冠层内全热排热主要包括建筑人为排热、下垫面排热及交通排热等部分，在整个计算期间，建筑人为全热排热日平均值为77 W/m2，该部分全热排热总量占区域内总全热排热量的比例最大，约为62.1%;下垫面全热换热的日平均值为48 W/m2，该部分全热排热总量占区域内总全热排热量的比例约为34%;交通排热的日平均值为5.43 W/m2，该部分排热总量占区域内总全热排热量的比例为3.9%，另外，全热得热总量中除了大约44.7%的热量排出至大气边界层之外，其他55.3%的全热排热量成为大气空气块的蓄热部分，最终造成该区域的持续高温高湿状态.

由以上数据分析及图9所示，城市综合体内建筑排热受空调系统使用规律影响而随时间变化，且其日均值及排热总量所占比例最大，成为该区域内全热得热的最主要来源;居于其次的是该区域内下垫面换热量，其日均值和排热总量所占比例也保持较高水平，分析原因主要是由于该区域内不透水人工路面覆盖率为41%，而草地和树木覆盖率仅为14%和16%，高覆盖率的不透水人工表面一方面大大削弱了城市下垫面水分蒸发作用，另一方面不透水人工表面日射吸收率高于树叶和草地，导致其在白天吸收大量的太阳辐射并通过对流换热向大气释放更多热量.综上，整个计算期间建筑排热和下垫面换热均保持较大强度并各自具备时间分布特点，它们是城市综合体热气候形成并长期波动的主要因素.

2.2.3 城市综合体与单一城市功能区域的局地热岛强度对比分析

为进一步分析城市综合体区域热湿气候的特点，利用已建立的计算模型，分别对包含多类型建筑的实际城市综合体、以及仅包含单一建筑类型的城市功能区等多个算例在计算期间内的平均局地热岛强度进行对比计算，各算例中除了各类建筑热湿负荷模块的相关设置不同以外，区域内气象数据、下垫面参数、建筑布局等其他参数的设定均相同.

其中平均局地热岛强度通过以下两个工况进行对比计算，以反映对象区域的城市化进程对热气候的影响:1)实际工况对应于本文2.1节中所设定的深圳市某实际规划项目的城市综合体下垫面构成和城市人为排热参数的实际算例，反映该区域热气候现状;2)基准工况对应于对象区域之外的郊区状况以作为实际工况的对比算例(郊区以居住建筑为主，其建筑容积率为0.7，各种下垫面的覆盖率分别为12%(建筑)、10%(不透水人工路面)、41%(草地)和37%(树木)).平均局地热岛强度=(同一计算期间实际工况下1.2 m高度平均气温)-(同一计算期间基准工况下1.2 m高度平均气温).

表2中给出了各算例在白天、夜间及全天不同时间段内的平均局地热岛强度计算值.总体来看，所有算例在白天时段的热岛强度值均小于夜间值，且全天平均局地热岛强度值处于较高水平.深圳市气象局采用相同指标实测发布的夏季平均城市热岛强度值为1.17℃［16］，说明本文各算例的模拟结果较为合理，其中实际城市综合体区域热岛强度值要偏高于深圳市平均水平.不同性质的城市区域体现出来的热岛强度规律不同:居住区白天的热岛强度值最低，比办公、商业等公共建筑区域低0.25℃左右，而夜晚的热岛强度值则要高0.3℃左右.以办公或商业建筑为代表的公共建筑区域表现出与居住建筑相反的特点.对比之下，实际城市综合体受到各类型建筑人为排热不同时间规律的共同影响，白天和夜间的热岛强度值都维持在较高水平，因而城市综合体全天的热岛强度平均值在各算例中最大.同时，城市综合体在整个计算期间的热岛强度峰值也比其他算例要高0.1～0.45℃.

表2 计算期间内不同时段各算例的平均局地热岛强度值 ℃

3 结 论

1)由典型日数据可以看出，不同于单一类型建筑排热时间相对集中，该南方典型城市综合体在全天大部分时间段里都存在建筑人为排热，全热排热峰值出现在17点约为86.9 W/m2，区域内建筑人为排热的规律主要体现各类建筑空调制冷系统的使用特点.

2)整个计算期间，建筑人为排热总量占区域内总全热排热量的比例最大，约为62.1%，其次是下垫面换热量，所占比例为34%，说明建筑人为排热和下垫面换热是城市综合体高温气候形成的主要因素.

3)与单一城市功能区的热岛强度值相比，城市综合体在白天和夜间时段的热岛强度值均处于较高水平，使得城市综合体的热岛强度无论是日均值还是整个计算期间峰值都比单一城市功能区相应的热岛强度值高约0.1～0.45℃.

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