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1、减肥药排行榜 http:/ 友情提供资料 岁月无痕精油 提供资料 地址：http:/城市建筑群室外热环境数字图像分析城市建筑群室外热环境数字图像分析 罗庆 1 李楠 1 姚润明 2 李百战 1 1：重庆大学“三峡库区生态环境”教育部重点实验室；2：英国剑桥大学马丁建筑与城市研究中心摘摘 要：要：本文针对国内城市化过程中出现的室外热环境问题，以城市建筑群室外热环境为研究对象，结合数字图像处理技术，分析了建筑群中不同区域空气温度、地面温度的分布情况，为城市建筑群室外热环境的前期规划工作提供参考。关键词：关键词：城市建筑群；室外热环境；数字图像；1 前言前言室外环境包括自然界本身所具有的自然状态和人
2、类利用各种自然资源创造的人工状态，由于室外环境强烈地受到人为活动的影响，室外环境与其他环境相比，具有明显的复杂性、整体性和动态性等特点。所以说，室外环境是一个自然环境和社会环境密切联系、相互协调的复杂系统工程，是人为活动对自然环境干预最强烈、最集中的场所。城市建筑室外热环境是城市建筑室外环境研究的重要组成部分，它以建筑、地面、室外空气、植被等为研究对象，研究包括空气温度、空气湿度、下垫面温度、太阳辐射、气流速度等参数。随着中国城市化进程的加速，城市建筑室外热环境也在发生着重大的改变。在城市化过程中，城市下垫面性质的改变最为突出。城市中除少量绿化地带外，绝大部分为人工铺砌的道路、广场、建筑物等，
3、这样城市地面的导热率和热容量都比郊区大，这种下垫面材料热物理性质的城郊差异，导致城市地面的储热量显著高于郊区。城区下垫面不透水面积远比郊区大，降雨后雨水很快从排水管道流失，因此在城市中可供蒸腾的水分比郊区少，其获得的净辐射用于蒸发的潜热源比郊区少，所以用于城市地面和空气增温的热量比郊区多。城市中的建筑群构成的城市“街谷”中的壁体与壁体之间、壁体与地面之间，在太阳直射下，会产生多次的反射和吸收现象，在其他条件相同的情况下，能够比郊区获得更多的太阳辐射。同时，高层建筑和街道所构成的“城市峡谷”中的风速减小，也减少了向外界的散热。另外，在城市化过程中，促使许多城市以平面发展为主，向以平面扩展和立体发
4、展并存的城市化方式转变，从而引发城市更高的建筑容积率，使城市采集的热量不易扩散，加剧了城市室外热环境的恶化。此外，人口和产业在城市区域的高度聚积，人为生产、生活的能量释放不断加大。人为热的产生主要表现在三方面：工矿企业的高耗能产热；城市人体散发出来的热量；高速增长的城市机动车数量和家电，如电视、冰箱等，增加了生活能耗，加速了城市空间人为热的释放。减肥药排行榜 http:/ 友情提供资料 岁月无痕精油 提供资料 地址：http:/针对城市建筑室外热环境问题，本文建立了建筑群室外热环境数学模型，并结合数字图像处理技术，分析了建筑群内不同区域空气温度和地面温度的分布情况。2 数字图像在建筑热环境中的
5、应用数字图像在建筑热环境中的应用2.1 数字图像数据存储方式数字图像分析是使用计算机对图像进行加工和处理的过程1。数字图像有多种分析工具，本文采用了第四代计算机语言 MATLAB。MATLAB 中的数字图像是由一个或多个矩阵表示的。在 MATLAB 中，图像是按像素存储的，即矩阵的每个元素代表一个像素， 例如一幅 200 行 300 列的图像，在 MATLAB 中存储为 200300 大小的矩阵。2.2 建筑群数字模型（Buildings Digital ModelBDM）本文的研究建立在建筑群数字模型基础上（BDM） ，它将城市建筑群的布局、高度、形状信息存储在矩阵之中，通过灰度图像的形式表
6、达出来。图 1 是重庆地区某实体建筑群的数字模型，实体建筑群模型采用 200200 的像素表达，每个像素代表的实际下垫面面积为 11m2，每个像素中用来储存相应的与热环境相关的信息。图中不同的灰色区域代表不同建筑高度，它形象地表达了建筑群的分布信息，如果要对建筑群中某个建筑进行调整，只需要对矩阵中的数值进行调整，这就大大简化了城市建筑群的分析过程。图 2 是实体建筑群对应数学矩阵的一部分。图 1 城市建筑群数字模型 图 2 建筑群数字模型中对应矩阵的一部分2.3 与建筑群室外热环境相关的信息处理建立了建筑群数字模型后，只是得到了建筑群的最基本的信息，在建筑群热环境规划过程中还需要知道不同建筑材
7、料的热物理性质参数，包括密度、导热系数、比热等，并将它们以数字信息的形式储存在图像中（图 3图 4） ，做成各自的数据文件，作为建筑群室外热环境计算分析过程的相关信息，便于在数学模型中统一调用。减肥药排行榜 http:/ 友情提供资料 岁月无痕精油 提供资料 地址：http:/图 3 地面和屋顶不同材料的导热系数分布 图 4 地面和屋顶不同材料的比热分布由于太阳辐射是建筑群室外热环境的主要影响因素，太阳直射分布，直接影响到建筑群室外热环境质量。针对建筑群数字模型，求解出每个时刻的建筑阴影。图 5 列出了 2005年 7 月 22 日两个典型时刻的建筑阴影，当求解这些信息后，对应的太阳直射辐射能
8、量分布也就清楚了，并将这些信息储存在图像中，对每个像素而言，就表现为得到直射和没有得到直射两种情况。在计算各个时刻热参数时，主程序就会调用已经储存在对应时刻的图像中的太阳直射数字信息。12:00 14:00图 5 建筑群在典型时刻的建筑阴影图像（重庆，7 月 22 日）3 建筑群室外热环境数学模型介绍建筑群室外热环境数学模型介绍建筑群室外热环境数学模型主要由三个部分组成：建筑群内空气流动模型、地面和建筑的导热模型和建筑群内地面与建筑等之间的辐射模型。3.1 建筑群内地面和建筑维护结构导热模型对于建筑物外维护结构采用节点模型2，计算建筑物维护结构的导热，以及与空气的对流换热（图 6） 。将地面作
9、类似的分析，可以建立地面的热传导节点模型（图 7） 。减肥药排行榜 http:/ 友情提供资料 岁月无痕精油 提供资料 地址：http:/图 6 建筑外维护结构热传导节点模型示意图 图 7 建筑群地面热传导节点模型示意图由此分析，两者的导热数学模型基本方程为3：)(xT xTc 式中，温度；密度；比热；导热系数；TK3/mkgcKkgJ/KmW/时间； s3.2 建筑群内空气流动模型建筑群内的空气流动模型是采用将建筑群划分成不同的流动区域，将不同的区域连接起来，构成建筑群区域流动网络模型，用于计算建筑群内的空气流动量，这样不同的建筑的形状和布局都会构成不同的空气流动区域，从而形成不同的区域网络
10、模型。从图 8 中可以看出：6 栋建筑将区域的空间围成了 10 个不同的空气流动区域、.、，流动区域以外的同时又与流动区域相连通的区域全部统一标号为区域。每个区域都由地面构成底面，侧面的构成侧根据不同的建筑位置和形状，例如区域由 1、2 建筑围成，区域由 2、3 建筑围成，区域由 2、3 建筑围成，区域由1、4 建筑围成等。将各区域间的开口连接起来，构成建筑群流动区域网络图（图 9） 。图 9中的箭头表示各个流动区域的连接开口。图 8 建筑群流动区域划分示意图 图 9 建筑群流动区域图建筑群内各个区域的流动量，采用“压力质量”关系方程，并结合建筑群各流动区减肥药排行榜 http:/ 友情提供资
11、料 岁月无痕精油 提供资料 地址：http:/域的质量平衡、网络模型中的压力环路平衡方程，计算各个流动区域的流量。不仅解法简单，而且符合建筑群早期热环境规划的实际情况。3.3 建筑群内的辐射模型（1）建筑群内太阳直射辐射4是在地表面与太阳光线垂直平面上的太阳直射辐射强度，由研究的具体地点决定。NI建筑群地面及建筑的水平屋顶接收到的太阳直射辐射能量为：aIINZSsin水平面上的直射强度；太阳位置高度角； ZSIa建筑群建筑垂直面上接收到的太阳直射辐射强度为：coscosaIINZC垂直面上的直射辐射强度；垂直墙面与太阳的方位角ZCI（2）建筑群内的长波辐射5建筑物和地面的某个面得到的长波辐射热
12、量，可以采用下面的公式：441)(iiijjjnjjiiTATABR 面对于来自面的辐射能量的角系数；辐射表面面积，；辐射面的发jiBijA2m射率；斯蒂芬一波尔兹曼常数， ；辐射表面温度，；42/KmKWTK的求解是先通过求解 面对天空的角系数，假设天空上有许多光源，这些光源都均jiBi匀地分布在半球空间上，每个光源所在位置都代表天空的一部分，这样将天空划分为与光源个数相同的均匀单元面。这些光源都能发射出平行光线，而且每个光源都可以在地面上形成建筑阴影。当分析天空中某个光源在地面形成阴影时，就可以分析出此时周围建筑在地面某点是否形成阴影，如果形成阴影，则该点对天空的辐射不能达到这部分天空；反
13、之，如果某点周围的建筑群中没有一个建筑在该点形成阴影，则此时该点对天空的辐射能够达到这部分天空。如此循环计算，最后对整个天空的光源在地面某点形成阴影的情况进行统计，找出所有在该点不能形成阴影的光源个数，然后与整个天空的光源个数相比，这个比值就近似认为是该点对天空辐射角系数，也就得到了该点对周围建筑各面角系数，再根ijB据辐射换热的互换性，求解周围壁面对该点的长波辐射。图 10 是地面对天空角系数的图像分布。减肥药排行榜 http:/ 友情提供资料 岁月无痕精油 提供资料 地址：http:/图 10 地面对天空角系数图像分布4 实例分析实例分析以重庆地区的某实体建筑群作为计算模型（图 1） ，分
14、别计算了该建筑群的下垫面温度和区域空气温度，图 11 是该建筑群在几个典型时刻的下垫面温度分布图像。为了与实验数据对比，下垫面和空气温度的初始值均采用实验中的第一组测试值。10:00 12:0014:00 16:00 图 11 建筑群下垫面温度分布（7 月 22 日）减肥药排行榜 http:/ 友情提供资料 岁月无痕精油 提供资料 地址：http:/图 12 建筑群流动区域划分及流动分布（7 月 22 日 11:00）为了对实体建筑群计算结果进行验证，对建筑群设计了实验模型，并在其中布置了 11个测点（图 13） 。 图 13 实验模型中测点位置编号分别选择了几个有代表性的测点的值与计算值进行
15、比较（图 14图 17） ，从区域空气温度和下垫面温度的比较结果可以看出：建筑群室外热环境数学模型的计算结果具有一定的合理性，能满足建筑群室外热环境规划过程中的需要。图 14 测点 1 空气温度比较 图 15 测点 3 空气温度比较减肥药排行榜 http:/ 友情提供资料 岁月无痕精油 提供资料 地址：http:/图 16 测点 1 地面温度比较 图 17 测点 4 地面温度比较5 结束语结束语本文从城市建筑室外热环境出发，以建筑群室外热环境模型为基础，结合数字图像处理技术，介绍了建筑群室外热环境的分析过程，并对实体的建筑群分别建立了计算模型和实验模型，最后通过两者结果的分析比较，证实了数学模型的合理性和数字图像分析突出效果。参考文献：1孙兆林，MATLAB 6.x 图像处理，清华大学出版社，
