华南地区典型建筑布局热舒适性数值模拟研究

谢岸峰 肖博丰

广东工业大学/土木与交通工程学院 广东 广州 510006

引言

目前，城市化的进程改变了原有的下垫面状况[1]和建筑布局。城市建筑物会对城市气流产生影响，不同的建筑物表面还会与气体产生各异的对流换热过程[2]。建筑布局的变化会改变原有的动量、能量与物质交换过程，使局部地区的风速、温度、湿度、辐射发生改变，形成不同于大气候的局地微气候[3]。随着计算机技术的发展，数值模拟技术突破了传统实测方法和模型实验方法[4]工作量大且和实验周期长的问题，通过对城市微气候的控制方程组进行求解，模拟现实出现的气候情况[5]。国内外学者在数值模拟城市建筑布局对城市风环境和热环境的影响方面做了诸多研究[6-9]。但大多数研究的建筑布局缺乏代表性，且使用的数值模拟软件为通用的流体力学计算软件，对城市微气候研究缺乏针对性。本文将采用经验证精度良好[10-14]的专业CFD微气候模拟软件ENVI-met对四种具有代表性的建筑布局进行数值模拟，以得出居住小区建筑布局对局地微气候的影响规律。

1 局地微气候的数值模拟

流域内气体视为不可压缩气体，对风场，综合考虑地球自转偏向力、浮力的影响，并考虑湍流的作用。引入能量方程和物质守恒方程，考虑空气与各边界的热量和水汽交换。对于辐射计算，通过输入模拟区域所在位置的经纬度、模拟时刻、天空晴朗程度等，由内置辐射模型自动加载入射的短波和长波辐射通量。对于土壤中温度和湿度的计算，采用一维土壤模型，考虑热量和水分的垂直输运。

1.1 控制方程组

基于ENVI-met软件的局地微气候模拟可以用以下控制方程加以描述：

（1）质量守恒方程

（2）动量守恒方程

式中，u,v,w为三个方向的风速，m/s；为压力波动值，Pa；为湍动能交换系数；f为科里奥利力常数（10-4s-1）； 为地球自转风速度，m/s；为重力加速度，m/s2；为z高度处的气温， 则表示z高度处的参考温度，K；为源项。

（3）能量守恒方程

（4）物质守恒方程

2 建筑布局对住宅小区热舒适性的影响

2.1 模拟工况设计

图1 建筑平面布局形式

本文以广州夏季典型气象日（平均温湿度与太阳辐射强度与该月平均值最接近的一日）和夏季极端气象日（该月平均干球温度最高的一日）作为模拟对象，模拟地点为广州（23.8°N，113.17°E）。夏季典型气象日模拟的时间段选定为2018年7月13日09∶00～18∶00，10m处风速为2.0m/s，风向为135°(SE)，太阳辐射调整系数为1.2。将广州当天的温度与湿度情况按小时输入到软件中。根据Chen[15]的研究成果，将温度和湿度边界取为Open式，将湍流边界取为Forced式。本文根据实际建筑的布局特征规律，将住宅小区布局简化为四种：行列式、斜列式、围合式和错列式。建筑布局如图1所示，其中建筑尺寸日照间距为防火间距为

2.2 模拟结果分析

本文以标准有效温度SET（Standard Effective Temperature）作为热舒适性的评价指标。当标准有效温度高于30℃时，热舒适性随标准有效温度的升高而降低。当标准有效温度高于40℃时，人体皮肤将无法蒸发水分，人体感觉很热，难以忍受。

夏季典型气象日标准有效温度分析。

夏季典型气象日模拟时间段内四种典型建筑布局形式在住宅小区外部区域的人行高度（1.5m）处的平均有效温度SET的变化趋势如图2所示，取15∶00时刻人行高度处平均有效温度SET进行分析，SET范围分布图如图3所示，SET分布云图如图4所示。

图2 1.5m高度处平均SET变化趋势图

图3 15:00时刻1.5m高度处SET范围分布图

图4 15∶00时刻距地1.5m高处SET分布云图

由图2可以看出，各建筑布局室外人行高度处平均标准有效温度SET随时间的变化趋势是一致的，标准有效温度最低出现在9∶00处，随时间推移平均SET逐渐上升，在15∶00时刻达到峰值后开始下降。在13∶00～17∶00时，四类建筑布局的平均SET均超过40度，此时人体热舒适性很差，难以忍受。在峰值15∶00时刻，围合式建筑平均SET明显低于其他三类，为42.25℃。行列式和错列式的平均SET值最高，为42.50℃。

选取SET峰值时刻15∶00进行对比分析。图3为下午15∶00时刻四种建筑布局形式SET分布情况。高SET值区（SET＞44.0℃）的面积占比情况为：斜列式（12.76%）＞行列式（8.83%）＞围合式（8.52%）＞错列式（8.28%）；低SET值区（SET＜41.0℃）面积占比情况为：围合式（21.3%）＞斜列式（17.71%）＞行列式（15.49%）＞错列式（14.37%）。由以上SET分布情况可知，斜列式的高SET 占比明显高于其他三者，其部分区域热舒适性很差。围合式建筑布局低SET区域分布面积明显大于其他三者，具有较多热舒适性较好区域，总体热舒适性也占优。

由图4，15∶00时刻阳光从西面照射，在建筑物东面出现背阳面，温度较低。围合式布局由于遮挡面积较大，低温部分面积较大，热舒适性较高。而在建筑物间的巷道处，由于巷道效应气体流速上升，比较有利于热量的输送，在巷道内部温度比建筑物周围温度低。在建筑物周围，由于建筑物直接接收太阳辐射，且吸收率较大，建筑物表面温度较高，对周围气体有加热效应。同时由于建筑表面为固定不滑移壁面，流体在其表面形成边界层，流速较低，气体热量不能及时排出，导致建筑物周围区域特别是向阳面周边普遍温度较高。

综上所述，在夏季典型气象日，四种建筑布局中，围合式建筑布局室外人行高度热环境舒适性最优，其他三种建筑布局均表现较差。各建筑布局的SET分布差异性明显，主要体现在巷道内部和建筑背阳面热舒适性较好，而建筑向阳面周边热舒适性较差。各建筑布局处均有部分区域热舒适性较差，其中以斜列式建筑最为明显。

3 结束语

本文研究了华南地区四种典型建筑布局对广州地区居住小区微气候的影响，将广州夏季典型气象日工况输入到ENVI-met软件中，对行列式、错列式、围合式和斜列式建筑布局进行数值模拟研究。以标准有效温度SET为室外热环境舒适的评价标准，得出了四种典型居住小区建筑布局室外人行高度处平均标准有效温度的逐时变化规律，并选取SET的峰值时刻15∶00进行SET分布规律分析，得出的结论为：

在夏季典型气象日，各建筑布局的平均SET的变化规律基本相同，且均在15∶00时刻达到峰值。在夏季典型气象日，围合式建筑布局的室外热舒适度最好，斜列式建筑布局室外热舒适度均最差。在夏季极端气象日中，四种建筑布局的室外人行高度处标准有效温度在模拟时间段内均高于40℃且在峰值处高于45℃限值，十分不利与居民健康。夏季极端气象日中的高SET值区域的分布面积高于夏季典型气象日，且低SET值区域小于夏季典型气象日，总体SET比夏季典型气象日高。

本文对建筑小区布局进行了简化，模拟的住宅小区布局数量较少且未考虑较为复杂的建筑布局。模拟中未考虑住宅小区中可能存在的植被和水体对热环境的影响，且输入的气象条件中风速风向均为定值。在今后的模拟中，可以按实际住宅小区形式进行建模，并引入植被和水体的影响，并尝试输入动态化的风速风向条件。