不同下垫面类型对室外热环境影响的仿真研究

盛景四，张 伟，刘 欢

（1.天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384；2.青岛平建建筑安装股份有限公司 营运部，山东 青岛 266700）

随着城市化进程的加快，地面硬化、植被减少，原有的低密度的建筑环境被改变；经济的飞速发展，工业化的加快，导致空气污染物的排出增加，随之而来的一系列环境问题引起了全球范围内的关注.缓解城市热岛效应可以改善城市气候，进而遏制全球变暖.

在国外，Zhang 等[1]研究发现，两个城市的热岛效应甚至会叠加，存在“上下游效应”；Doick 等[2]发现大面积绿化产生降温作用的垂直影响范围达20～440 m，平均降温可达1.102 ℃，最大可达4 ℃；Tsoka[3]的研究表明，用冷材料取代传统涂料和额外的树木有助于降低建筑表面和空气的温度；2011 年，Dimoudi 等[4]研究发现，城市规划的形态特征（道路宽度、建筑物高度等）和绿色区域的存在以及覆盖的材料影响了城市峡谷内的气流和热平衡.在国内，廖诗家[5]通过FLUENT模拟提出缓解热岛效应的措施；其他学者也对热岛效应的成因进行了理论与气象数据分析，最后应用CFD进行整体改进方案验证[6-7].

1 研究对象与研究方法

1.1 研究区域概况

本研究区域为动漫园区，位于天津滨海新区，占地3.6 km2，园区内共计16 片建筑区域，其中，B1-B9、B11、B12 已建成，B10、B13-B16 未建成.动漫园内 9个气象监测点（见图1）的实时测量数据用于对模型进行校准和验证.各测点的温度、风速、风向、湿度、辐射量等数据由安装在2.5 m 高度处的气象监测传感器监测，每5 min 记录1 次数据，如图2 所示.

图1 动漫园区测点分布

图2 气象监测点示意

1.2 几何模型及网格划分

欲准确仿真室外热环境，需要较为精确地描述下垫面的物性及地形.首先对住区诸多要素进行了适当简化，如使建筑外形更接近于长方体、树木简化为长方体等[8].动漫园内最高建筑的高度为52 m，计算域的范围为2 203 m×2 530 m×300 m，面积5.57 km2，整个计算域的网格总数量约为390 万，物理仿真模型如图3 所示.

图3 物理仿真模型

1.3 边界条件设定

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.

（1）入口边界条件：选用速度入口边界条件[9]为

入口空气温度采用实测测点统计值，将临近区域入口方向的测点平均温度作为入口空气温度.

（2）其他边界条件：出口边界条件是自由出流边界条件；顶面边界条件是对称边界条件；侧面边界条件是对称边界条件；建筑表面的边界条件是无滑移壁面边界条件.对于入口湍流脉动动能和湍流耗散率，采用默认值.出口定义为压力出流边界条件.

父母的单位发了一捆一捆的带鱼，煎成脆脆的，馒头切成片裹了蛋液炸一炸。方便面煮起来真香啊，副食品大楼里有粉色塑料小盒装的奶油蛋糕，五颜六色的花旁是绿色的奶油树叶。

建筑壁面和下垫面设置同为静止壁面，FLUENT中设置为无滑移壁面边界条件，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.墙体的对流换热系数取23 W/（m2·K），墙体厚度设置为300 mm，各下垫面基本参数见表1.

表1 各下垫面基本参数

1.4 模型验证

为了验证计算结果的有效性，在此引入相对误差

式中：δ 为i 时刻的实测值与仿真值的相对误差；Δ 为i时刻的绝对误差，即实测值与仿真值的差的绝对值；L为i 时刻的实测值，℃.

选取2015-03-22 作为春季典型日，07-17 作为夏季典型日，09-22 作为秋季典型日，12-26 作为冬季典型日；以7#、8#和9#测点作为实测点，各测点实测与仿真温度对比如图4 所示.

图4 各测点实测与仿真温度曲线对比

各测点在各季节典型日的温度实测值与仿真值的误差结果列于表2.

表2 各季节典型日的温度实测值与仿真值的误差 %

根据实测与仿真数据之间的比对验证表明：所建立的整个仿真模型是可靠和有效的，选用的仿真方法是可行的.

2 室外热环境的仿真分析

2.1 绿化形式对室外热、风环境的影响

绿化对室外热环境的改善，主要影响空气的流动，对流、长短波辐射、导热、水汽平衡等对热湿平衡的影响，以及树木遮阳作用从而减弱太阳辐射对人体及下垫面的照射，进而降低下垫面温度，增加人体舒适感.

根据动漫园绿化布局进行简化，绿化面积约为49 920 m2，占动漫园区域面积1.44%，利用CFD 仿真，分别设置绿化、草坪、灌木和高大乔木4 种不同植被形式.根据廖小琴[10]提供的等效吸收系数进行仿真，其中，草坪、灌木和乔木的吸收系数分别为0.37、0.28、0.18.

4 种不同形式下1.5 m 水平切面处温度分布和风速分布参见图5-6.由图5 分析可知：无绿化时1.5 m水平切面温度在29.50～29.80 ℃左右，建筑周围温度达到30.00 ℃以上；种植草坪之后，种植灌木时，绿化区域周围温度明显下降，温度在29.20 ℃左右，建筑周围温度降低，但B6 及B7 中庭区域温度升高；种植乔木后，绿化区域温度降至28.76 ℃以下.改善效果的排序为：乔木＞灌木＞草坪，相比灌木，乔木对B1 及B11、B12 区域温度改善明显.但同时发现，在绿化形式为灌木或乔木时，B1 北侧及B7 中庭处会产生温度升高的现象.

图5 不同绿化形式下Z=1.5 m 水平切面处温度云图

图6 不同绿化形式下Z=1.5 m 水平切面处风速云图

由图6 可知：种植灌木乔木时，风速明显降低，无绿化时在B4、B8 附近有两处风速明显超过5 m/s；而在种植灌木与乔木之后，1.5 m 水平切面风速过高的两处明显得到改善，乔木效果最佳；但由于B1 东北侧及B6、B7 周围风速的降低，致使中庭通风减少，热量积聚，显然此处温度升高是由于排热不畅引起的.

由图5 和图6 可知，种植草坪与高大乔木结合效果最佳，可以降低室外空气温度，从而减小热岛效应；但是绿化的种植需要谨慎规划，尤其是在垂直风向的通道处及靠近建筑中庭处，绿化规划时，需要考虑其影响，或者采取其他方式解决其引发的中庭温度过高的现象.

图7 为 01-06T08：00 时 Z=1.5 m 切面处温度及风速云图.由于动漫园区域种植多为落叶乔木、灌木，冬季大部分树木落叶，此时，树干对风速的阻力虽不如树冠明显，但依然可以减小风速，加之蒸腾作用可以忽略，冬季绿化处温度依然较高，不会出现过低温度.所以，运用常绿植物及落叶植物的合理搭配种植，对改善夏季热岛效应是有效的方法，同时冬季也无须担心出现局部温度过低.

图7 Z=1.5 m 水平切面处温度及风速云图

2.2 水体对室外热环境的影响

水体对其上方温度场的影响如图8 所示.图8a 为设置水体后1.5 m 高度处水平切面的温度云图，水体上方1.5 m 水平切面空气温度为28.20～29.20 ℃；将水体改为铺砖（见图8b），空气温度为 29.50～29.80 ℃，温度升高0.60～1.30 ℃，可以看出水体对空气降温改善效果显著.

图8 Z=1.5 m 切面处温度云图

将原来水体位置改为草坪，建筑B1 周围其他绿化区域改为小块水体，设置后的示意如9 所示.

图9 仿真区域示意

图10 为X=-403 m（东南—西北）方向垂直切面处温度云图.从图10 可以看出，绿化位于东南侧时，由于绿化对风场的削弱，建筑区域热量无法及时排出，温度较高，建筑西北方向绿化与水体的影响范围较小；将水体移至B1 东南侧后，水体西北侧比东南侧的温度改善范围更广.这是由于风向为东南风，水蒸汽随着空气流动向西北侧迁移，蒸发使空气降温，建筑区域的局部高温现象消失.

图10 X=-403 m 垂直切面处温度云图

水体对室内湿度的影响较大，且随着水体与建筑物的距离增加，其对室内相对湿度的影响减弱.当水体离建筑物的距离在10～15 m 时，室内相对湿度的增加量明显减少；水体对建筑室内空气温度影响不明显.随着室外来流速度的提高，水蒸汽与室外空气混合程度提高，此外由于对流换热和对流传质增加，室内气温降低，室内的相对湿度会下降；随着水体面积的增大，室内的相对湿度也相应增大，室内外湿度相关性非常密切[11].水体对1.5 m 水平切面空气温度有明显的降温作用，而且水体对风向下游的位置影响范围更广；水体离建筑较近时，还对室内湿度产生一定影响.

3 结 论

本文采用数值仿真方法，定量研究了绿化形式和水体对城市街区尺度下室外热环境的影响，得到主要结论如下.

（1）绿化的改善效果：乔木＞灌木＞草坪，种植草坪与高大乔木结合效果最佳，可以降低室外空气温度，从而减弱城市热岛效应.

（2）夏季，水体温度在一天中变化较小，保持相对恒定，对空气温度的影响可高达20 m.其他下垫面对空气温度影响在10 m 左右，温度水平布置差异最明显.建筑的密集度会影响热量的排出.在仿真中增设水体，1.5 m 水平切面空气温度降低0.60～1.30 ℃.

（3）仿真结果和实测结果的误差受到诸多因素影响，但从全年来看，相对误差在0%≤δ≤15%区间内所占比例90%以上，证明了本仿真方法是可行的和有效的，同时也保证了仿真结果的准确性与合理性.

（4）在小区规划设计时，可合理规划草坪、灌木以及乔木种植位置，建筑东南近壁侧可布置草坪或低矮的灌木，道路两侧种植乔木，且不能过于密集，建筑西南及东北方向种植乔木.尽量将水体设置在建筑的夏季上游风侧，这样在夏季降温范围更广，在冬季可小幅提升建筑附近温度.