许昌市多层住宅区夏季小气候模拟与分析

赵会兵 张玲飞

摘 要：本文选取许昌市一多层住宅区作为研究区域，采用数值模拟软件ENVI-met对夏季炎热天气条件下住宅区内部小气候进行模拟和分析。结果表明：多层住宅区温度分布较为均匀，高温区和低温区所占比例不大，大部分地区温度主要集中在32.5～32.7℃，风向和风速对气温的水平分布影响较为明显;住宅区住宅内大部分区域风速为1.5～2.05m/s，风环境舒适度较高，建筑的空间布局对风环境影响较大。

关键词：多层住宅区;小气候;ENVI-met

中图分类号：TU119 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）14-0105-04

Simulation and Analysis of Summer Microclimate in

Multistoried Residential District of Xuchang City

ZHAO Huibing ZHANG Lingfei

（College of Urban and Rural Planning and Landscape Architecture， Xuchang University，Xuchang Henan 461000）

Abstract： In this paper， a multi-storey residential area in Xuchang City was selected as the research area. The microclimate in the residential area under hot summer weather was simulated and analyzed by numerical simulation software ENVI-met. The results show that the temperature distribution in multi-storey residential areas is more uniform， and the proportion of high temperature and low temperature areas is not large. The temperature in most areas is mainly concentrated in 32.5～32.7℃. The horizontal distribution of air temperature is influenced by wind direction and speed. The wind speed in most areas of residential areas is 1.5-2.05m/s， and the comfort degree of wind environment is higher. The spatial layout of buildings has great influence on the wind environment.

Keywords： multistoried residential district;microclimate;ENVI-met

城市小气候与人们的工作和生活密切相关。适宜的城市小气候提供良好的温度、湿度、风速、光照等自然环境，不仅能够营造舒适的室外环境，提升人体舒适感，改善空气环境质量、降低城市能源消耗、增加户外活动时间[1，2]，而且能够改善室内环境[3]。

城市小氣候的形成是一个复杂的物理过程，除了受地理纬度、太阳辐射和地形影响外，还受人为活动和城市形态的影响[4-6]。城市形态与城市小气候的关系最为紧密，建筑的密度、高度、街道的宽高比等城市形态因子直接或间接地影响温度、湿度、风速等小气候环境要素。不良的城市形态导致城市冠层内部热交换与水循环发生紊乱，出现高温、高湿、大雾等极端天气。

对城市小气候的研究主要采用现场实测和数值模拟的方法，数值模拟技术具有快速、简单、高效的特点，普遍应用于气候模拟与分析领域。ENVI-met是一种基于流体力学的数值模拟软件，主要用于小气候的模拟与分析[7，8]。本研究使用ENVI-met对研究区域的小气候状况进行模拟，分析许昌市多层住宅区内温度、风速、风向的水平分布特征，以期为许昌市多层住宅区设计的优化提供科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

研究区域为许昌市东城区道路主干道附近的一个住宅区。住宅区共有16栋多层单体建筑，采用围合式布局，最高建筑为20m，公共绿地共有两块，分别位于住宅区西南部和住宅区中间，绿化树木以女贞为主，种植于建筑周围。研究区遥感影像如图1所示。

1.2 建模方法与过程

以研究区域的高分辨率遥感卫星影像为底图，在ENVI-met软件中识别底图中的建筑、植被、道路等信息后完成地面三维模型的制作。根据研究区域的特点及ENVI-met建模要求，将研究区域在水平方向上划分为140×140个网格，垂直方向上设置为25个网格，增设3个嵌套网格。网格划分完成后，在主模型区域内建立建筑、绿化、道路、土壤等各种类型的下垫面模型，其中道路材质为灰色混凝土路面，行道树树高7m，冠幅5m，草地植株高度为20cm。为了便于研究，将小区划分为A、B、C三个组团。其中，组团A位于住宅区西部，包含单体建筑A1—A5;组团B位于小区东部，包含单体建筑B1—B5;组团C位于小区南部，包含单体建筑C1—C5。住宅区包含两个公共绿地G1和G2，其中G1是居民的主要公共活动空间，G2为待开发用地。住宅区二维模型如图2所示。

1.3 模拟初始条件设置

对小气候进行模拟时，不仅需要研究区域内的建筑布局、土地利用情况等下垫面资料，还需要风速、气温、湿度等宏观气象数据。由于《中国建筑热环境分析专用气象数据集》所包含的气象数据专门用于建筑热环境分析，能更好地反映室外的小气候特征，因此，本研究以该数据集为基础，选取其中的典型气象年数据作为宏观气象背景数据的来源。为了分析住宅区夏季炎热天气时段14：00的小气候特征，选取7月14日为典型炎热天气日，设置模拟起始时间为13：00，模拟时长为1h，模拟终止时间为14：00。研究区域ENVI-met模型主要参数设置如表1所示。

2 结果模拟与分析

2.1 空气温度的水平分布特征分析

日出后太阳辐射不断增强，地表获得的热量增多，温度持续上升，地表同时又将部分热量通过长波辐射的形式传导给近地空气，气温升高。近地空气14：00吸收的热量达到极值，气温最高。住宅区在14：00空气温度分布情况如图3所示。

从图3可以看出，14：00，住宅区1.5m空气温度普遍高于32.19℃。高温区主要集中在公共绿地G2北部区域、G1整个区域以及建筑B1、B2、B3的东部，这三个区域相互连通，形成一个高温带。高温带内的温度高于32.7℃，最高气温达33.21℃，明显高于其他区域。模型气象条件中风向为西南风225°，风速为4m/s，气流运动较为显著。受西南风的影响，空气从开阔地区G1经过建筑A5和建筑C1之间的狭窄区域侵入住宅区内部，并沿东北方向逐步向内扩张，从公共绿地G2一直延伸至东北部。空气的温度取决于热量收支，近地空气与外界热量交换方式以地表对空气的辐射为主，当气流运动较为剧烈时，空气热交换也是温度的重要影响因素之一。住宅区中G1、G2为开阔地带，建筑B1、B2、B3为气流的尾端，风速较小，空气热交换强度较弱，温度较高。公共绿地G1、G2临接地区为狭窄区域，空气流经该区域时，流速加快，提高了空气热交换能力，温度得到有效降低。建筑之间的温度分布较为均衡，受建筑阴影、植被蒸腾作用的综合影响，主要集中在32.5～32.7℃。

表2为1.5m处空气温度覆盖网格数量统计结果。该结果表明，温度为32.5～32.6℃的网格数量最多，共有3 362个，占网格总数的30.71%;温度为32.6～32.7℃的网格数量为2 278，占网格总数20.81%。位于以上两个温度区间的网格数量与总网格数量比高于50%，高于32.8℃的高温区的网格数量比为7.83%，低于32.4°C的低温区网格数量比为6.85%。这说明住宅区内高温区和低温区所占比例不大，大部分地区温度主要集中在32.5～32.7℃。

2.3 风环境的水平分布特征分析

14：00住宅区内风环境数值模拟结果如图4所示，该图为风速和风向的叠加图。

住宅区内单体建筑沿东西方向平行分布，东西轴较长，南北轴较短。气流的运动方向与建筑坐落方向成一定交角，在向东北运动过程中受到建筑西部外墙的阻挡。在迎风面，一部分气流上升穿过建筑顶部，一部分气流下沉至地面，在建筑西南角形成迎风面风速减弱区，位于该区域的风速较小。主导方向的气流沿建筑墙面到达地面后，部分与水平方向上的气流叠加，形成涡流，部分沿建筑底部向北运动，与原有向北运动的气流合并形成角流。住宅区西部建筑A1—A5和C1、C3、C5位于上风位，西南外墙区附近区域为迎风减弱区，风速均小于1.5m/s;西北部外墙附近区域为角流区，该区域风速为2～2.5m/s，部分建筑如A1、C1西北部外墙附近风速超过3.5m/s。住宅区东部建筑B1—B5和C2、C4、C6位于下风位，西南外墙区域同样为迎风减弱区，西北外墙区域为角流区，由于气流在运动过程中受西部建筑的阻挡，风速有所降低，住宅区东部建筑的迎风减弱区和角流区的风速均低于西部建筑。向东北运动的气流遇到建筑阻挡后，在建筑北侧形成风影区。风影区分布较广，大小不一，风速较低，总体呈现从南至北逐渐增大的特征。住宅区南部建筑C5、C6风影区较小，风速小于1.5m/s;住宅区北部建筑A1、B1风影区较大且风速较低，风速普遍小于1.0m/s，部分地区小于0.5m/s。

住宅区内建筑的空间布局对风环境产生了较为显著的影响。住宅区西南区域为开阔的公共绿地G2，风速为1～2m/s，由于没有高大的建筑阻挡，风速变换较为平缓。建筑A5和C1相对应风向南北错落分布形成一个峡谷，当气流从开阔地带流入峡谷时，空气密度被压缩，风速增大，位于峡谷内的风速可达3.58m/s。当流出峡谷时，空气流速又会减缓，在公共绿地G1西南部形成一个风速低于1.5m/s的弱风区。公共绿地G1的东北部为气流汇集区，汇集了流经建筑A3、A4之间、建筑物A4、A5和建筑物A5、C1之间的气流。该区域风速为2.5～3m/s，高于公共绿地G1内部的其他区域。

该结果表明，风速为1.5～2.05m/s的网格数量最多，占总网格数量的33.88%;风速为2.0～2.5m/s的网格数量比为23.13%，5.24%的网格风速高于2.5m/s;风速低于1.0m/s的网格数量较少，仅占8.89%。风速与人体的舒适度密切相关：风速高于1.5m/s低于5m/s时人体舒适性较高;风速在1.0～1.5m/s时舒适度一般;风速低于1.0m/s时舒适性较差。风速分布的整体特征表明，住宅区内大部分风速的舒适度较高，少数区域舒适性较差。

3 结论

本研究以许昌市一多层住宅区为例，利用ENVI-met小气候模拟软件对夏季炎热条件下多层住宅区小气候环境进行了模拟和分析。研究结果表明，夏季炎热微风气候条件下，多层住宅区温度分布较为均匀，高温区和低温区所占比例不大，大部分地区温度主要集中在32.5～32.7℃，主导风向和风速对气温的水平分布影响较为明显。住宅区内建筑的空间布局对风环境影响较大，产生了明显的狭管效应;一定风速条件下，住宅内大部分区域风速高于1.5m/s，风环境舒适度较高。

参考文献：

[1]杨小山，赵立华.城市微气候对建筑能耗影响的研究方法综述[J].建筑科学，2015（12）：1-7.

[2]曲琛，韩西丽.城市邻里环境在儿童户外体力活动方面的可供性研究：以北京市燕东园社区为例[J].北京大学学报（自然科学版），2015（3）：531-538.

[3]孙波，季翔，顾贤光.室内自然通风模拟在住宅空间布局中的应用[J].华中建筑，2018（5）：39-43.

[4]赵冰春，汪新，赖志平.居住小区布局形式对热环境的影响[J].广东工业大学学报，2016（6）：91-95.

[5]冷红，马彦红.应用微气候热舒适分区的街道空间形态初探[J].哈尔滨工业大学学报，2015（6）：63-68.

[6]李京津，王建國.南京步行街空间形式与微气候关联性模拟分析技术[J].东南大学学报（自然科学版），2016（5）：1103-1109.

[7]赵会兵，高歆，石宏斌.许昌市高层住宅区夏季热环境模拟与分析[J].河南科技，2019（5）：128-131.

[8]戴菲，毕世波，郭晓华.基于ENVI-met的道路绿地微气候效应模拟与分析研究[J].城市建筑，2018（33）：63-68.