住区热岛模拟方法及影响因素分析研究 王龙

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1、第九届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集 1 住区热岛模拟方法及影响因素分析研究 王龙 （中国建筑科学研究院上海分院，上海 200023） 摘 要：总结和分析了目前热岛强度的研究概况、存在的问题以及数值模拟要点。并采用 CFD 模拟 技术，分析了住区热岛强度的影响因子的影响情况，重点考虑了建筑室内风速、下垫面及建筑围护 结构表面的反射特性、人为排热量以及树木特性等因子对住区热岛强度的影响情况。结果表明，住 区热岛强度随着室外风速的增大以及树木叶面密度的增大而大致呈线性关系减小，随着下垫面和建 筑表面反射率的增大而大致呈对数规律增大，以及随着人为排热量的增大而大致呈线性关系增大。 关键字：热岛强度

2、；影响因子；CFD 模拟 0 引言 住区热岛效应是城市热岛效应的一种典型情况，它是由于住区密集的建筑群、大量 人为排热以及人工构筑物（如混凝土、柏油路面和各种建筑墙面）改变了下垫面的热力 属性等而造成的住区建筑周围温度高于郊区温度的一种现象。 目前关于城市热岛和住区 热岛的研究越来越多。文献1中利用数值模拟和统计分析方法，分析研究了苏州城市 热岛的影响因子。结果表明，随着城市化进程的不断进行，苏州城区与郊区平均气温差 不断增大；苏州现有人为热对城市热岛强度的贡献率不是很大，当人为热增加到实际的 2 倍时，其对城市热岛的贡献率明显增大；当太湖水体为农田时，模拟得到的热岛强度 比太湖为真实水体时计

3、算得到的值要大。林炳怀等2利用区域大气模拟系统 MM5 的数 值模拟方法定量分析了不同下跌面条件对于北京的城市风场、温度场等的影响。结果表 明，MM5-Noah LSM 耦合模式能较好地模拟北京城市热岛现象，再现了城市近地高温 中心和城市热岛环流的形成和发展；而城市下垫面改变了感热和潜热的分配，从而导致 城市近地气温的身高是热岛形成的主要原因， 并且水体和绿地对近地温度有较好的调控 作用。文献3利用数值模拟的方法分析地面的蒸发率、反射率、动力粗糙度、人为排 热量、地表热容量和地表导热系数等对城市气温的影响。结果表明，城市热岛各影响因 素与不同时段的平均气温呈现的相关程度并不相同。蒸发率对于日平

4、均、白天平均和夜 晚平均气温的影响属于高度显著，蒸发率与空气温度呈负相关关系。反射率与气温同样 呈负相关关系，夜晚反射率对于气温的影响区域不显著，白天反射率作用逐渐明显，而 绿色建筑与室内环境优化 2 就整个日平均气温来说，反射率的作用显著。粗糙度同样是在白天作用显著，而在夜晚 其作用逐渐减小。蓄热系数对于日平均气温而言作用并不明显。人为排热是影响气温的 直接因素，其在不同时段下均对气温产生较大的影响。文献4通过实测和 CFD 模拟的 方法，分析得到小区内部的热环境受到下垫面类型、周围绿化情况以及建筑物布局的影 响而产生差异。各种不同属性的下垫面吸收太阳辐射的强度不同，其中水泥地面对太阳 辐射

5、的影响反应最快且最剧烈，其余依次为生态铺装地面、泥地和草地。文中同时提出 增加小区绿化带，加强屋顶绿化，以及构建合理的小区表面对改善室外热环境有着明显 的作用。陈宏5从街区尺度出发，研究了点式建筑和板式建筑两种情况下影响建筑室外 热环境的因子。结果表明，随着增加街区绿地和渗水地面，场地的表面温度和街区空气 温度都有明显下降。且在辐射得热越强时这种降温效果越明显。 缪爱国等6利用 AUSSSM TOOL 软件对几个典型的小区热环境进行了数值模拟。 结果表明，通过增加绿地面积、减少人为热排放以及增大各表面太阳辐射反射率，能够 明显缓解小区的热岛效应，可使小区日平均温度降低 1.52.9。文献7利于

6、 CFD 模拟 软件 Fluent 模拟了种植树木对改善小区室外风环境的效果。 结果表面， 并不是种植树木 就能改善风场，若种植不当可能导致小区内的局部漩涡，影响建筑风场，因此要合理排 列种植树木。 当目前的主要研究大部分均是针对城市的大尺度热岛模拟， 采用的是气候学相关模 拟软件，而对住区尺度的相关研究较少，通过采用 CFD 模拟方法分析住区的热岛强度 对改善住区热环境、提高人民生活品质有着重要意义。本文将分析采用 Stream 软件模 拟住区热岛强度的主要事项，以及分析各影响因子的影响情况。 1 热岛强度模拟要点 影响住区热岛强度的因素有很多。太阳辐射直接影响住区的辐射得热，因此需准确 模

7、拟太阳直射辐射、太阳散射辐射、各表面间多次反射辐射和长波辐射等。下跌面和建 筑表面的反射率、渗透率等也影响太阳辐射得热和导热传热，因此根据材料的物性参数 合理设置其反射率、渗透率等非常重要。住区的建筑空调室外机、各类生活排热以及机 动车排热等大量热源造成住区温度升高，在模拟时进行合理地设置至关重要。住区的景 观要素包括植物、水体等对住区热环境影响较大，不仅可以遮挡建筑表面，降低建筑周 围气温，而且可以美化环境。因此要设定这些景观要素的蒸发率等参数。 采用 CFD 模拟软件模拟热岛需考虑上述参数。Stream 软件作为日本的一款主流 CFD 软件，能较好地实现以上功能。 2 热岛强度影响因素分析

8、 本文以上海一实际小区为例，采用 Stream 软件建立模型，分析室外风速、下垫面 第九届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集 3 及建筑表面反射率、人为排热以及植物特性对住区热岛强度的影响情况。 2.1 建模步骤 （1）计算区域 根据相关研究，模拟的计算区域为：长宽方向取对于长度的 5 倍，高度方向取对应 高度的 4 倍，可较准确地模拟住区的风环境和热环境。 （2）湍流模型 采用 k- 模型，涉及到的控制主要包括：连续性方程、动量方程及能量方程，可写 成如下通用形式： () ()()SgraddivUdiv t +=+ （1） 该式中的可以是速度、湍流动能、湍流耗散率以及温度等。 （3）边界条件

9、 1）来流边界条件 建筑来流方向风速为均匀分布， 不同高度平面上的来流风速大小沿建筑高度方向按 梯度递增。模拟分析时按大气边界层理论设置来流风速，不同地形的风速梯度不同。不 同高度的风速不同，高度与风速的计算公式如下： n h h h VV)( 0 0 = （2） 式中： Vh高度为 h 处的风速，m/s； V0基准高度 h0处的风速，m/s，一般取 10 m 处的风速，该值由各地的气象站常 年监测并整理所得； n地面粗糙度指数，此值与建筑周围地貌相关，本文研究的小区处于市中心，此 值取 0.3。 2）出流边界条件 建筑出流面上空气流动按湍流充分发展考虑，边界条件按自由出口设定。 3）地面边界

10、条件 地面边界条件设为无滑移壁面，并采用指数关系式修正粗糙度带来的影响。 4）顶面边界条件 顶面边界条件设为自由滑移壁面。 （4）其他参数设置 上海典型夏季日的太阳直射辐射量为 862W/m2，散热辐射量为 118 W/m2；室外气 温取 34；室外风速、下垫面和建筑表面反射率、小区内生活及交通等各种人为排热 绿色建筑与室内环境优化 4 量以及植被参数等根据模拟的工况进行设定。 图 1 热岛模拟模型图 2.2 室外风速影响分析 室外风速大小将直接影响住区的风场情况， 良好的通风将可以有效地散除住区各种 排热，改善住区热环境，缓解住区热岛效应。 模拟中风速依次取 2m/s， 2.5m/s， 3m

11、/s 和 3.5m/s， 风向为东南风。 其他参数取值为： 下垫面和建筑表面反射率为 0.5，人为排热量为 20 W/m2，植物的叶面密度为 3m2/m3。 模拟的结果见图 2 和图 3。 图 2 不同风速下住区温度场分布图 从图 3 可以看出，随着室外风速的增加，住区热岛强度在不断减小，大致呈线性关 系。当室外风速由 2m/s 增为 3.5m/s 时，热岛强度由 0.79变为 0.52。这说明，在住 区规划时，合理地规划住区布局以及建筑朝向，充分利用室外风场的作用，避免由于设 计不合理而在某些区域形成无风区，这样可以有效改善住区室外热环境。 第九届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集 5 图 3

12、 不同风速下住区热岛强度变化图 2.3 下垫面和建筑表面反射率影响分析 下垫面和建筑表面的反射率直接影响其对太阳辐射的吸收情况。 模拟中依次取反射 率为 0.3、0.4、0.5 和 0.6。其他参数取值为：风速为 3.5m/s，风向为东南风，人为排热 量为 20 W/m2，植物的叶面密度为 3m2/m3。 模拟的结果见图 4 和图 5。 图 4 不同下垫面和建筑表面的反射率下住区温度场分布图 从图 5 可以看出， 随着下垫面和建筑表面反射率的增加， 住区热岛强度在不断增强， 大致呈对数增长规律。当反射率由 0.3 增为 0.6 时，热岛强度由 0.15变为 0.27。这 主要是由于反射率增大后

13、，太阳辐射得热无法通过地面等传导进行蓄热等，太阳辐射经 过多次辐射使得气温升高，从而导致建筑周围热岛强度明显。 绿色建筑与室内环境优化 6 图 5 不同反射率下住区热岛强度变化图 2.4 人为排热量影响分析 住区人为排热量是住区热岛强度产生的一个重要原因。建筑空调室外机、住区各类 生活排热以及机动车排热等大量热源造成住区温度升高。 模拟中取人为排热量为 20 W/m2、 30 W/m2、 40 W/m2和 50 W/m2。 其他参数取值为： 风速为 3.5m/s，风向为东南风，下垫面和建筑表面的反射率为 0.5，植物的叶面密度为 3m2/m3。 模拟的结果见图 6 和图 7。 图 6 不同人为

14、排热量时住区温度场分布图 从图 7 可以看出，随着人为排热量的增加，住区热岛强度在不断增强，大致呈线性 增长规律。当人为排热量由 20W/ m2增为 50W/ m2时，热岛强度由 0.25变为 0.32。 人为排热量越多，住区散发的各种热量就越多，热岛效应就越明显。 第九届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集 7 图 7 不同人为排热量下住区热岛强度变化图 2.5 树木特性影响分析 住区树木等景观要素不仅可以遮挡阳光， 还可以利用其蒸发吸热特点可以有效地降 低住区气温。软件中树木特性主要是设定其叶面密度。模拟中取树木叶面密度依次为 3 m2/m3、4 m2/m3、5 m2/m3和 6 m2/m3。

15、其他参数取值为：风速为 3.5m/s，风向为东南风， 下垫面和建筑表面的反射率为 0.5，人为排热量为 20 W/m2。 模拟的结果见图 8 和图 9。 图 8 不同树木特性时住区温度场分布图 绿色建筑与室内环境优化 8 图 9 不同叶面密度下住区热岛强度变化图 从图 9 可以看出，随着树木叶面密度的增加，住区热岛强度在不断减弱，大致呈线 性关系。当叶面密度由 3 m2/m3变为 6 m2/m3时，热岛强度由 0.25变为 0.22。由这 主要是由于树木叶面密度越大，蒸发吸热量越大，于是住区气温可以有效降低，改善热 岛效应。 3 结论 本文分析了采用 CFD 模拟的方法研究住区热岛强度的要点及步骤，在模拟中要准 确地体现太阳辐射、下垫面及建筑表面特性、各种人为散热量以及树木等景观要素的影 响。 文中还研究了室外风速、下垫面和建筑表面反射率、小区内生活及交通等各种人为 排热量以及植被参数等对住区热岛强度的影响情况。结果表明，住区热岛强度随着室外 风速的增大以及树木叶面密度的增大而大致呈线性关系减小， 随着下垫面和建筑表面反 射率的增大而大致呈对数规律增大，以及随着人为排热量的增大而大致呈线性关系增 大。因此，在小区规划设计时，应合理进行建筑群布局，并提高住区绿化面积，并合理 控制住区内的各种人为散热量，改善住区热环境。 参考文献： 1戎春波等.城市热