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1、建筑物排热对城市区域热气候的影响研究（1）长期动态模拟及分析哈尔滨工业大学 朱岳梅 刘京 姚杨 马最良摘要探讨城市特定区域内热气候的形成机理，特别是建筑设备排热在热气候形成中所起的作用，对于从建筑角度减缓城市高温化进程和热岛效应、有针对性地提出改善室外热舒适环境、降低建筑能耗的方法具有重要意义。本文以某南方城市大型CBD规划改造项目为研究对象，利用已建立的城市区域热气候预测模型，首先设定基本解析条件，通过长期动态模拟，分析了城市化后室外热气候特征及室外热平衡规律。关键词 建筑物排热 数值模拟 城市热气候 城市区域热气候预测模型1 前言随着我国城市化进程的迅猛发展，以热岛效应和城市高温化为代表的
2、城市热气候问题日益受到关注。其中以建筑物排热为主的大量城市人为热的释放被认为是城市热气候问题的主要成因，近年来国内外相继开展了一些工作。国内如龙惟定等1从军团病、臭氧损耗、全球气候变暖等方面论述了建筑空调对室外气候的负面影响，并且从能源效率、污染物排放量等角度具体比较了常用空调冷源的性能；陈大宏等2利用CFD研究了多层建筑空调室外机散热所产生的上升热气流对上层设备功效的影响；国外如Ichinose等3、鸣海等4分别利用大气边界层气象模式和城市冠层模型，通过调用环境数据库，研究人工排热对城市气候的影响，并认为人工排热在冬季所起的作用更大；原山等5、原田等6通过在CFD计算模型中导入空调排热来研究
3、空调排热量对室外微热环境的影响。上述研究有的局限于定性分析，有的虽然考虑了建筑物排热的因素，但未对不同空调系统所可能产生的不同热气候效果作详细的讨论。另外，由于城市和建筑的特点与发展水平、能源结构、气候条件、土地构成等的不同，国外的研究结果很难直接套用到国内的实际情况。基于上述分析，本文利用建立的城市区域热气候预测模型对南方某大型CBD区域内的热气候及能量平衡关系进行了系统模拟分析，重点定量讨论建筑物排热在城市热气候中所起的作用。2 制冷系统排热计算模型概要本研究重点探讨夏季空调制冷系统排热对城市热气候的影响。事实上，建筑的夏季空调排热除了受到建筑负荷的影响外，还与不同的冷源系统的性能有关。本
4、文中选择电动水冷式冷水机组（活塞式、螺杆式、离心式）、空气源热泵冷水机组、吸收式冷水机组（以直燃型代表）为研究对象，基本上涵盖了目前国内外市场上常用的冷源设备状况7。由空调系统排向大气的热量Q (W)的计算式为： （1）式中Htotal为建筑空调全热负荷 (W)；COP为空调系统性能系数，在有关国家标准中均有规定。对于电动水冷式冷水机组，严格的说，COP值与冷冻水出水温度、冷却水进水温度、换热器传热表面的污垢系数等因素有关。为简化计算起见，模型中在冷冻水温度7/12oC，冷却水温度32/37oC的工况条件下均设为定值，分别取为3.9（活塞式）、4.4（螺杆式）、5.0（离心式）；对于直燃吸收式
5、冷水机组，COP设为定值，取1.0，对应冷水出水温度7oC，冷却水进水温度32oC；对于空气源热泵机组来说，COP受空气温度的影响不能忽略，如下图所示8：图1 空气温度与空气源热泵机组COP之间的关系IP为负荷相关系数。为简化计算过程，本文中引入负荷相关系数的经验计算方法9，该值与负荷率lr、空气温度Tair及冷水平均温度Tw（本研究中设为11oC）相关，可表述为下式： （2）以上讨论的均是分散在各建筑物内的空调冷源系统情况。近年来区域供冷系统（District Cooling System, DCS）在国内外得到了很大发展。但区域供冷半径越大，区域管道就越长，管道冷损失就越不能忽略。在本研究
6、中冷损失附加率按0.8%/100m考虑10。在区域供冷系统中常采用的蓄冷措施所带来的能量变化不予考虑。同时，由于区域供冷在部分负荷时采用台数控制，并不降低单台制冷机的性能，故设为始终在满负荷下运行。实际计算时，将排热量按照系统的显热和潜热的排放比分别代入到大气温度和含湿量计算模型中。根据文献，空气源热泵机组、水冷式冷水机组、直燃吸收式制冷机的显热比分别为100%、12.5%、11.3%11。而直燃吸收式制冷机由于燃气过程伴随有水蒸气的散发，按照1MJ热量对应38.4g的散湿来考虑。大气、城市下垫面、太阳辐射以及人体舒适性等计算均根据在日本九州大学的一维城市冠层模型AUSSSM基础上不断改进完善
7、形成的城市区域热气候预测模型进行计算12，13。以上开发的制冷系统排热计算模型导入该预测模型中进行耦合计算。3 计算概要3.1 计算对象和计算条件本文选择南方某城市大型CBD区域规划项目为研究对象（图2）。该区域用地总面积约1.04km2，区域内除主要的商务办公区外，还包括商业、娱乐、居住、休闲等小的分散功能区。为简化计算，本研究中对建筑类型进行了统一化处理，认为均为商务办公类公共建筑。从中心商务区的基本功能定位看可认为这样的假定是合理的。图2 研究对象规划方案实际规划中建筑物的形状、体积、间距均不尽相同，本研究中通过统计方法，按照城市区域热气候预测模型的要求简化为大小尺寸相同、规则排列的办公
8、楼群，同时保持实际规划方案中的建筑密度（24.87%）、容积率（1.98）。所有建筑均为层建筑面积2700m2、层高3.3m、层数为8层的立方体，长宽比采用1: 1。另外，根据规划图纸推算，绿化率（指公共绿地、宅旁绿地、公共服务设施所属绿地和道路绿地）设为48.66%、道路广场用地设为26.47%。根据新颁布的公共建筑节能设计标准（GB 5018922005），该城市所处气候区的外墙、屋面、外窗传热系数K分别取 1.0、0.7和3.5Wm-2K-1。窗墙比设为0.3514。另外，本文中先利用中尺度大气边界层气象模式HOTMAC进行广域计算，然后提取相应数据作为城市区域热气候预测模型的边界条件。
9、限于论文篇幅，关于这两种模型的不同应用及其结合等内容将于别文中详细介绍。3.2 建筑物排热的设定从研究对象的性质看，CBD区域的人工排热主要以建筑物排热和汽车排放为主，可不考虑工业废热部分。故办公建筑上班和空调设定期间均设为8:00-17:00。根据新颁布的公共建筑节能设计标准（GB 5018922005），对于节能办公建筑，综合不同类型房间的要求，人员密度取为6m2人-1，室内电器设备功率取为16Wm-2，灯光照明取10Wm-2。负荷日变动率根据文献确定15。室内温度和相对湿度分别设定为26oC和60%。根据对我国空调冷源使用现状的大量文献调查，研究对象区域内各冷源的使用率分别设定为螺杆式冷
10、水机组：离心式冷水机组：直燃吸收式冷水机组：空气源热泵机组=4: 4: 1: 1。其中各种电动冷水机组、直燃吸收式冷水机组的排热通过设置在屋顶的冷却塔、空气源热泵机组的风冷机也安置在屋顶。排热量根据式(1)计算。另外，新风量按照30m3h-1人-1的设计计算。另外，本文还根据参考文献16，对该地区机动车尾气排放的废热量和日变动比率进行了设定。4 计算结果图3给出了夏季典型月期间白天（8时-17时）城市冠层内气象参数和室外舒适性指标SET*值的频度百分比。数据除一次太阳辐射量为地面平均外，均为城市冠层内部的空间平均值。由图可知，计算期间内气温的最大频度出现在30-32oC的范围（占总时间的约55
11、%），气温大体处于正常范围；与温度相比，平均风速的频度分布相对分散，风速适中，大致属于1ms-1至2.4ms-1内的微风（占总时间的80%）。由于建筑拖曳力的作用，没有出现超过3ms-1，甚至5ms-1以上的强风天气；含湿量大致在20-22gkg-1的范围内（占总时间的67%），总体上夏季空气较为湿润；太阳辐射的作用较为强烈，分布明显集中在200和300Wm-2之间（占总时间的约55%）；SET*的频度分布曲线形状与气温相似，但最大频度出现在35-37oC之间（占总时间的62%），与气温出现最大频度的数值相比高出5oC左右。另外，气温的波动幅度也比SET*值略大，这也反映了夏季室外热舒适除温度
12、外，实际上还受到含湿量大、风速较小、太阳辐射较为强烈等多因素影响，在这些综合因素作用下热感觉始终保持在较高的程度，即99%的时间将感到“热,不适”，而感觉“非常热，极不舒适”有发生中暑危险的时间达到68%。图3 气象参数和SET*值（城市冠层内部空间平均）的月变动频度百分比分布分析城市冠层内部热量平衡和转换对于探讨城市热气候的形成机理，评估建筑物排热在城市热气候形成中所起的作用都具有重要意义。与室内环境不同，室外是相对开放的空间，本研究首先以近地边界层顶端为上边界建立一假想的封闭空间，其内部热量平衡关系见图4。需要指出的是，通过左右侧边界的大气水平输入输出热量由于封闭空间外部情况不易确定，内外
13、温度差和含湿量差不大，且侧边界面积要远小于水平面面积。根据估算，这部分输入输出热量在计算中完全可忽略不计。由以上能量关系，整理计算期间的数据，可得计算期间内白天（8时-17时）能量的收支变化情况（图5）和日累积值（表1）。其中设定流入热量（或流出冷量）为正，流出热量（或流入冷量）为负。图4 城市冠层内热平衡概念图图5 单位区域面积日热量平衡的动态变化首先从显热方面，流入假想空间的热量包括空调冷源的排热、交通排热和各下垫面（包括建筑外表面、路面、草地和裸土）排热等几部分。由表1可得城市空间各显热得热方式的贡献度排序，分别为：下垫面传热（占总显热得热量的约60%）空调冷源系统排热（占总显热得热量的
14、约33%）交通排热（占总显热得热量的约7%）。可见夏季下垫面传热和冷源系统排热是城市高温化的主要成因。由前文给出的本规划用地面积可进一步估算出对于一个比较典型的南方地区CBD来说，在夏季高温的近一个月期间内，冷源显热排热量大致为18.3kWhm-2区域。另外，由于室内空调设定温度较低，使得建筑排风实质上起到对室外气候提供冷量的作用，但这部分占总的显热量的比例很小（约5%）。总体上建筑物排热在城市热气候形成中起着较大的作用。另一方面，上述得热量除一大部分排出至大气边界层之外（约占总显热得热量的62%），剩下的热量成为大气空气块的显热蓄热部分（约占总得热量的33%）。这实质上就是城市高温的直接成因
15、。其次从潜热方面，流入假想空间的热量包括空调冷源的排热和各下垫面（包括建筑外表面、路面、草地和裸土）的排热等几部分。由于电动冷水机组在空调冷源系统中所占份额很大，使得城市空间各潜热得热方式的贡献度中以空调冷源系统排热（占总潜热得热量的约74%）为主。下垫面传热（占总潜热得热量的约26%）相对不高，这主要是由于城市大量不透水人工表面的利用导致本来的下垫面水分蒸腾作用大大削减的缘故。由前文给出的本规划用地面积可进一步估算出对于一个比较典型的南方地区CBD来说，在夏季高温的近一个月期间内，冷源潜热排热量的累积值约为68.6kWhm-2区域。另外，由于室内空调设定湿度相对较低，使得建筑排风实质上起到对室外湿气候起到干燥的作用，且这部分占总的潜热量的比例较大（约17%）。综合冷源潜热排热量看，建筑物排热在城市湿气候形成中起着主要作用。另一方面，上述潜热得热量除一大部分排出至大气边界层之外（约占总潜热得热量的70%），剩下的热量成为大气空气块的蓄湿部分（约占总得热量的12%）。由于南方室外的背景相对湿度较高，导致蓄湿量不大。综上，建筑设备（包括建筑排风和冷源系统）和下垫面散热在总全热得热量中所占比例分别为52.4%和44.2%，这两方面因素直接导致了城市高温高湿气候的形成。表1 计算期间内单位区域面积热量累积值能量累积值/(kWh
