城市街谷热环境数值模拟及规划设计对策

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37建筑学报城市街谷热环境数值模拟

及规划设计对策

赵敬源1刘加平2作者单位710061)2 西安建筑科技大学建筑学院(西安收稿日期对典型街谷进行了温度场数值模拟比较了街谷高宽比街谷走向以

及街谷两侧建筑立面形式等一系列街谷设计因素对其热环境的影响给出了最佳高宽比的推荐范围对当前的一些设计思路提出质疑和修正峡谷峡谷是街谷内影响人体热感觉和热舒适等热生理它是城市热环境的基本构成单元

[1]城市街谷热环境是自然条件和社会与人工因素综合作用的结果积极顺应城市的地域巧妙利用街谷的几何尺度街谷内墙地面材料等人工建筑因素

本文在对街谷的三维数学物理过程作详尽分析的基础上并通过测试证实了程序的正确性选择湿

黑球温度WBGT和标准有效温度SET分别作为街谷热环境安全性

和舒适性的评价指标[2]对各项设计要素对街谷内热环境的影响作以定量讨论

1 街谷高宽比的影响街谷高宽比直接影响着街谷中各个界面之间的角系数从而直接影响着街谷界面热过程最终对街谷的舒适性及安全性产生影响

以下通过数值实验来分析不同高宽比对街谷热环境的影响

0.7到1模拟街谷均为东西走向不考虑人为产热

只取部分典型时刻的数据进行对比)街谷高宽比对街谷界面温度有很明显的影响街谷内壁面长波散热量增大

当高宽比从1地面太阳

直射区域温度下降平均4.43同时由于高宽比的减少太阳直射区域比例增大

而是在高宽比1

1.1时街谷内空气温度最低可见负两方面的影响

街谷高宽比在1

它将直接影响下垫面温度最终会对街谷中热环境的舒适性及安全性产生影响模拟工况的尺度与材质如表4中所示建筑学报38城市规划与设计 CITY PLANNING AND DESIGN

表3 不同高宽比街谷中心1.1m高处热环境比较(16

0.71111.3

气温35.95135.86935.76135.60535.5635.65935.962WBGT33.63333.74733.66333.36533.49133.59433.659SET38.25238.66938.61438.10838.466

38.32938.361度值(计算所需气象参数取西安市气象站6月28日逐

时气象数据计算结果如表5中所示(篇幅所限从模拟结果可以看出

各时刻的数据都显示了这一规律随着反射率提高因而两侧墙体表面温度会稍有所增加尤其是热舒适值的变化幅度远不如地面温度变化幅度大且墙面的面积远大于地面的面积

因而谷内大部分区域的热舒适情况并没有明显的改善在街谷这种封闭环境下

2.2 不同下垫面蒸发率的影响不同蒸发率对于改善街谷热环境有着较好的作用

算例编号如表6所示

其余模拟条件均与1.1中算例4相同

下垫面蒸发率一天的变化规律按照文献[2]中所分析的模式设定其余时间蒸发率取为最大值的1/5可看出有积极的作用h)时由数据还可以看出直接导致平均

辐射温度的降低如图4中所示在地面蒸发率增加了0.15 g/(cm2标准有效温度SET得到了明显的改善其实环境的平均辐射温度MRT随时间和外界条件变化的剧烈程度远甚于气温的变化因此

将环境平均辐射温度等同于气温或一个恒值势必会对研究结果的准确性造成直接的影响

3 街谷走向的影响街谷走向直接影响街谷内壁面得热量为了更明确地说明问题除走向不同外

模拟地点为西安计算所需

气象参数取西安市气象站6月28日逐时气象数据从模拟结果可以看出

这也和街谷走向变化所引起的街谷内日照情况的变化相一致街谷两侧墙面温差较小街谷两侧墙面温差相对剧烈但街谷方位角对街谷内气温的影响并不明显一天中街谷内气温平均差值只有0.027

主要体现

在峰值的持续时间上(图4)

街谷内高热舒适表1 不同高宽比数值试验算例说明街谷高宽比街谷高长比材料说明Case110.810.91111.111.211.31

湿黑球温度WBGT超过32

街谷内WBGT超过32

的时间有2.6h的时间有4.7h进一步说明

4 街谷两侧建筑立面形式的影响从热环境舒适性的角度

以下通过数值实验来对比平整表面的建筑和凸凹表面的建筑对其所面对的街谷环境的影响情况我们取街谷北侧建筑立面凹凸不平所模拟街谷尺度为10.8除形式变化外模拟地点为

西安详见图5所示建筑表面平整度的变化对街谷热环境的影响主要是通过两个方面来实现的凸凹不平的表面使得壁体附近气流所受磨擦阻力增大从而使得表面的对流散热系数减少

使得该壁体表面温度比起平整时有所提高街谷内其它表2 街谷界面物性设定

蒸发率长波反射率导热系数密度比热短波反射率gK)Kg/m3J/(kg10.810.810.8

39建筑学报表5 不同下垫面反射率街谷中心1.1m高处气温及舒适度比较

地面温度气温WBGTSET地面温度气温WBGTSET地面温度气温WBGTSET

10:0038.42828.70629.55434.79838.6428.77129.08734.71438.94828.80629.15934.80812:0041.07631.03631.92237.57141.5831.05831.95537.68942.08231.20432.15637.88614:0045.70135.20134.87240.01747.92435.20134.59740.02748.45235.80234.66340.14316:0046.32635.60433.31638.16348.15735.60533.36538.10848.9435.90333.42438.214砖路面度值(

)参数

时刻建筑表面平整建筑表面凸凹表7 不同下垫面蒸发率街谷中心1.1m高处热环境比较

地面温度气温WBGTSET地面温度气温WBGTSET地面温度气温WBGTSET12:0041.5831.05831.95537.68937.84230.12431.17537.01127.80529.20330.25336.00414:0047.92435.20134.59740.02742.2434.20233.75839.29032.231.42831.34037.11216:0048.15735.60533.36538.10842.42434.60332.50137.28732.29932.10430.29135.239零蒸发率度值(

h)说明Case10.0不透水混凝土地面Case20.05普通透水性铺装Case30.15高蒸发率透水铺装

表面既接受到凹凸不平的较高温度的热辐射

又使得其它表面对天空的角系数减小

造成其它表面的温度也随之提高

造成街谷内气温和热舒适值也

随之提高(表7)一侧建筑表面凹凸的街谷比两侧

表面都平整的街谷内谷内空气温度平均提高0.14

但由于平均辐射温度的显著提

模拟工况中

(图6)

凹凸不平的表面会使建筑体形系数增大

从室外热环境角度而言

室外热环境恶化其热环境质量的研究

与改善对提高城市热环境有着极其重要的影响

研究了不同街谷高宽比蒸发率以

及不同街谷走向主要

结论如下

不能孤立分析高宽比在1:1.1左

右时街谷内热环境质量最佳

2) 在街谷这种封闭的环境下

见设计中常用的改变下垫面材料以改善热环境的做法在城市中作用

极其有限

4) 不同走向的街谷其热环境的差异主要表现为

均匀性的变化而峰值大小并无明

显区别

在建筑立面上作太多的起伏

外环境以及建筑能耗都是不利的

参考文献[1] Hiyonori Watanabe, Akashi Mochida. Field Measurement of ThermalEnvironment and Pollutant Diffusion in Street Canyon to Investigate theEffects of its Form and Roadside Trees[C]. Xi2005: P509.[2] 林波荣. 绿化对室外热环境影响的研究[D]. 北京

城市区域内建筑物表面温度特征[J].城市环境与城市生态