不同下垫面对城市街区热环境影响的数值仿真研究——以中新天津生态城动漫园区为例

陈朝阳，张 伟

（天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384）

近年来，随着低碳、环保、自然、健康理念的不断增强，人们越来越关心建筑与室外环境的关系，已不再孤立地考虑建筑本身.街区微气候与人们的舒适程度和建筑能耗密切相关，这些因素之间的关系已经成为学者研究的热点问题.在国外，Soundborg[1]根据街区尺度热环境的研究，给出了城市温度场的一系列经验公式；Bruse 等[2]提出了 ENVI-met模型；Murakami等学者[3]运用蒙特卡罗方法进行了长短波的辐射计算；Tsuyoshi等[4]通过数值模拟研究了绿化面积、规划形式对热环境的影响.在国内，赵敬源等[5]通过街道峡谷动态模型，研究了不同的下垫面材料、高宽比、蒸发率、街道走向、立面形式对街道峡谷热环境的影响；于震等[6]对某单体建筑室外热环境进行数值模拟与分析，通过求解质量方程、动量方程和能量平衡方程，求解了室外空气温度动态分布，模拟结果与实测值吻合很好.

笔者采用基于标准k-ε湍流模型的有限体积法和SIMPLE算法，以中新天津生态城动漫园区为研究对象，就城市下垫面对室外热环境的影响进行了数值仿真研究.

1 动漫园区基础数据

1.1 地理信息数据

中新天津生态城坐落在天津滨海新区，规划人口约为35万，规划区域内包括动漫园、万科小区、商业街、公屋展示中心、科技园、红树湾小区等区域.动漫园区占地3.6 km2，位于生态城西北角，动漫园区平面如图1所示.

图1 动漫园区平面

1.2 气象数据

天津气候属于大陆性半湿润季风气候，四季特征分明.年平均气温12.5℃，最高气温39.9℃，最低气温-18.3℃；年平均降雨量602.9 mm；年平均日照时数为2 898.8 h，平均日照百分率为64.7%.

2 物理模型的建立与参数选择

2.1 计算区域和边界条件

由于动漫园区内地形及建筑表面极其复杂，并且模拟时受到计算机配置的限制，因此，在对动漫园区建模时，首先需要对园区内诸多要素进行适当简化，尤其是对不规则下垫面及建筑表面进行简化，使得建筑外形更接近于长方体，见图2所示.

图2 动漫园区三维模型

本文计算区域确定为：2 133 m×1 624 m×150 m，面积为3.46 km2.将计算区域划分为上下两个体，并将上下两个体分别分成内外两个体.划分网格时，各个区网格类型分别为：内下区，TGrid网格类型，尺寸3 m；内上区，Cooper网格类型，尺寸 10 m；外区，Cooper网格类型，尺寸20 m.计算模型的网格数量为304万.速度入口边界条件选用指数幂法则[7]，即

由于中新天津生态城动漫园区属于B类地面中的大城市郊区，故本文α取值为0.16.进口边界条件通过Fluent的UDF功能，根据式（1）编程给定.文中风速与入口方向不垂直，风速类型定义为Magnitude and Direction类型，通过加载C语言程序设置速度大小；对于入口风温，采用距离入口最近的测点温度平均值；对于入口湍流脉动动能k和湍流耗散率ε，采用默认值；出口定义为压力出流边界条件.建筑壁面采用无滑移壁面边界条件，相当于静止壁面.建筑表面附近，利用标准壁面函数法（standard wall functions）对湍流模型进行修正.墙体对流换热系数取23 W/（m2·K），墙体厚度设置为300 mm，建筑外墙外表面温度设置为27℃.下垫面设置与建筑表面设置相似，同为静止壁面，Fluent中也设置为无滑移壁面边界条件，各下垫面基本参数如表1所示.

2.2 求解参数设置

假定空气流场为三维、定常、稳态、不可压缩的流体低速湍流流动.Fluent参数具体设置见表2.

表1 各下垫面基本参数

表2 Fluent计算的参数设置

3 结果与讨论

3.1 下垫面反射率对室外热环境的影响

选定的仿真时间为《绿色建筑评价技术细则》[8]规定的夏季典型日，2015-07-21T12：00.风向为东南方向，距离地面10 m处风速4.2 m/s，太阳辐射由生态城地区的经纬度（东经117.5°，北纬38.7°）计算得到.来流空气温度为距离入口最近的测点温度平均值，为25.6℃.各下垫面的温度见表3.通过查阅设计文件得出实际情况中动漫园区各下垫面的性质和表面材料，最终得到动漫园区各个下垫面的反射率，见表4.

表3 各下垫面的温度 ℃

表4 动漫园区各下垫面的性质和表面材料（工况1）

为了降低1.5 m处的空气温度，达到改善室外热环境、降低室内空调能耗的目的，本文对原有的下垫面形式做出改动，对路面采用浅色铺砖或浅色涂料，对墙面采用浅色瓷砖或浅色平滑的粉刷，以提高其对太阳短波辐射的反射率，提高后各表面的反射率如表5所示.

表5 改进后动漫园区各下垫面的性质和表面材料（工况2）

需要强调的是，由于水体的比热容比其它下垫面的比热容大很多，同时水体吸收率比反射率也大很多，因此反射率对水体的响应很小，水体对室外热环境的影响主要是水分的蒸发和比热容，所以本文不考虑水体反射率的变化.

通过CFD仿真模拟，得出两种不同下垫面形式下，1.5 m处水平切面温度分布云图，如图3所示.

图3 不同工况下1.5 m高度处空气温度水平分布云图

从图3可以看出，随着反射率的增加，道路对应的空气温度有所下降，但是下降幅度很小，远小于铺砖对应的空气温度的下降幅度，特别是动漫园区东南角广场处.水体和绿化部分对应的空气温度几乎不变.

为了定量研究下垫面反射率对室外热环境的改善作用，共选取了9个具有代表性的测点，各点具体位置如图4所示.其中，1#、2#位于动漫中心楼东南角广场处，3#、4#、5# 位于道路上方，6#、7# 位于水体上方，8#、9#位于绿化上方.

图4 各个测点位置

从图3a-3b的温度场中读取各点值可以发现，随着反射率的提高，铺砖部分上方1.5 m处空气温度降低0.20℃，道路部分上方1.5 m处空气温度降低0.13℃，水体和绿化部分上方1.5m处空气温度几乎没变.由此可知，提高下垫面的反射率会使周围1.5 m处空气温度有所下降.

3.2 绿化对室外热环境的影响

在计算模型中，参考动漫园区的绿化方案，对整个动漫园区植被的分布情况做相应的简化处理.将动漫园区内绿化部分分别设置为草坪（工况1′）、灌木（工况 2′）、乔木（工况 3′）三种不同形式的植被，设置位置见图1，面积4.99 km2，占动漫园区总面积的1.44%.通过CFD仿真，分别研究三种不同植被形式对动漫园区室外热环境的影响情况.根据廖小琴[9]所提供的等效吸收系数（见表6）进行仿真.

表6 不同绿化形式的吸收系数[9]

三种不同绿化形式下，1.5m处水平切面温度分布云图如图5所示.

图5 不同绿化形式下z=1.5 m处空气温度水平分布云图

从图5可以看出，不同绿化形式动漫园区西北角处温度分布相差很大，空气温度从高到低的绿化形式分别为草坪、灌木和乔木.由图5a、5b和5c的温度场中读取各测点值，测点6#-9#的温度值经过计算可知，灌木比草坪对应的1.5 m处空气温度低0.07℃，乔木比灌木对应的1.5 m处空气温度低0.22℃.这表明降低室外热环境最好的绿化形式是乔木.

综上可知，不同的绿化形式对1.5 m处空气温度改善程度依次是乔木、灌木、草坪.

3.3 水体对室外热环境的影响

生态城下垫面原有布局情况记为工况a，水体部分见图1，面积为1.53km2，占动漫园区总面积的0.44%；将动漫园区西北角水体部分改为铺砖，记为工况b.两种不同工况下1.5 m处水平切面温度分布云图如图6所示.

图6 不同工况下z=1.5 m处空气温度水平分布云图

从图6可以看出，从工况a到工况b，动漫园区西北角水体对应的空气温度明显低于西北角铺砖对应的空气温度.通过从图6a-6b温度场中读取的各个测点温度值可以发现，水体对应的空气温度为23.88℃，铺砖对应的空气温度为26.00℃，两者相差2.12℃.显然，水体对室外1.5 m处空气温度有明显的降温作用.又因为水体对室外环境有湿度调节作用，因此，在小区规划设计时，尽量增设水体.

4 改进策略与建议

4.1 下垫面尽量选用高反射率的材料

建筑外墙应尽量选取浅色的涂料或者瓷砖，广场处也应选取浅色铺砖，这样可以降低街区热岛效应.提高下垫面反射率是降低空气温度的有效手段，但是无限制地提高下垫面反射率会大幅度增加投资成本.因此，在综合考虑降低室外空气温度和降低成本的情况下，尽量提高下垫面反射率.

4.2 尽量布置高大的乔木和灌木

在天津市，植物的季节性变化对改善建筑室外风热环境有着独特的作用：可以在建筑的南向布置高大的落叶乔木、灌木，有利于夏季室内遮挡阳光，冬季时由于植物落叶又不影响室内的采光；在建筑的东北向是冬季的盛行风向，需要布置常绿高大的灌木和乔木，以便冬季能起到很好的防风效果.

对于建筑物的立面来说，太阳辐射主要集中在建筑物的东西向，并且这两个方向的太阳辐射值大小较为接近.对于东向，太阳辐射主要集中在上午，此时室外温度较低，热作用还不是很明显；但对于西向，太阳辐射主要集中在14：00—16：00，此时空气的温度也达到最高，两者累加，会较大增加空调的设计负荷，因此建议在建筑物的西向种植高大的落叶乔木，以防止太阳西晒.

街道应结合建筑旁的遮阴措施，加强道路旁的绿化，从而避免夏季太阳光直射路上的行人，冬季则可以为行人提供太阳辐射；广场处应在向阳位置种植落叶乔木和灌木，这样夏季可以遮挡阳光，冬季则可以吸收阳光.

4.3 人工水体宜布置在建筑物的东南侧

水体，尤其是大面积的水体，对于室外人行高度处空气温度的稳定和调节有着明显的作用，在夏季也可以降温增湿，并且水体和水体周围的陆地会形成水陆风，这样还可以对室外环境进行一定的调节.值得一提的是，虽然水体对室外环境具有很强的调节作用，但是它对环境的影响与水体区域的大小密切相关，所以在小区规划时水体的应用具有一定的局限性.考虑到天津地区夏季主导风向为东南风向的特点，建议将水体放在建筑物的东南侧，以降低通风的温度，从而达到降低建筑物在夏季空调能耗的目的.

5 结论

（1）道路和铺砖的下垫面反射率分别从0.10、0.15提高到0.30、0.35时，铺砖和道路部分上方1.5 m处空气温度分别降低0.20℃和0.13℃，水体和绿化部分上方1.5 m处空气温度几乎没变.

（2）不同的绿化形式对室外热环境的改善程度：乔木＞灌木＞草坪.对应1.5 m处灌木比草坪空气温度低0.07℃，乔木比灌木对应的1.5m处空气温度低0.22℃.

（3）水体比铺砖1.5 m处温度低2.12℃，水体对室外热环境具有非常明显的改善作用.

参考文献：

[1]SOUNDBORG A.Climatological studies in Uppsala with special regard to the temperature condition in the urban area[J].Geographica，1951，22（2）：111-124.

[2]BRUSE M.Simulating surface-plant-air interactions inside urban environments with a three dimensional numerical model[J].Environmental Modeling&Software，1998（13）：373-384.

[3]MURAKAMI S，OOKA R，MOCHIDA A，et al.CFD analysis of wind climate from human scale to urban scale[J].Joural of Wind Engineering and Industrial Acronymic，1999，81（1/2/3）：57-81.

[4]TSUYOSHI H，TADASHI T.Simulation of thermal effects of urban green areas on their surrounding areas[J].Energy and Building，1991，16：443-446.

[5]赵敬源，刘加平.城市街谷热环境数值模拟及规划设计对策[J].建筑学报，2007（3）：37-39.

[6]于 震，李先庭，李 莹，等.单栋建筑室外热环境的模拟计算方法[J].太阳能学报，2004（1）：6-12.

[7]陈 健.成都地区场镇室外风环境的数值模拟研究[D].成都：西南交通大学，2013：14-15.

[8]中华人民共和国住房城乡建设部.绿色建筑评价技术细则[M].北京：中国建筑工业出版社，2006：41-45.

[9]廖小琴.室外热环境分析中下垫面等效太阳辐射吸收系数的研究[D].广州：华南理工大学，2013：52-53.