广东工业大学学报  2016, Vol. 33Issue (6): 91-95, 101.  DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2016.06.016.
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引用本文 

赵冰春, 汪新, 赖志平. 居住小区布局形式对热环境的影响[J]. 广东工业大学学报, 2016, 33(6): 91-95, 101. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2016.06.016.
Zhao Bing-chun, Wang Xin, Lai Zhi-ping. Effects of Building Layout Forms on Thermal environment in Residential Districts[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2016, 33(6): 91-95, 101. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2016.06.016.

基金项目:

国家自然科学基金资助项目(E080201)

作者简介:

赵冰春(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为城市微气候。

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收稿日期：2015-11-25
Contents              Abstract             Full text              Figures/Tables              PDF
居住小区布局形式对热环境的影响
赵冰春, 汪新, 赖志平    
广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006
收稿日期：2015-11-25
基金项目：国家自然科学基金资助项目(E080201)
作者简介：赵冰春(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为城市微气候。
摘要: 针对不同建筑布局形式对居住小区热环境的影响进行了研究.将华南地区典型居住小区形态简化为4种布局形式，采用Computational fluid dynamics(CFD)模拟技术在不同主导风和各种建筑群朝向条件下对该4种小区布局形式进行了热环境数值模拟.研究结果表明：布局形式和建筑群朝向等对小区热环境有很大影响，且小区热环境主要取决于小区内的通风状况.当主导风为东南风或东风时，错列式和行列式居住小区有相对较好的热环境，相对应的建筑群朝向宜为南北朝向.
关键词: 布局形式    数值模拟    热环境    主导风    
Effects of Building Layout Forms on Thermal environment in Residential Districts
Zhao Bing-chun, Wang Xin, Lai Zhi-ping    
School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China
Abstract: The effect of building layout forms on thermal environment in residential districts is focused on. Based on typical residential districts in South China, four typical layout forms are established. Computational fluid dynamics (CFD) technique is used to simulate the thermal environment in residential districts at different predominant wind for different architectural complex orientations. The results show that layout forms and architectural complex orientation have a great influence on thermal environment, and the thermal environment mainly depends on the ventilation in the residential district. When the predominant wind is east wind or southeast wind, staggered type and determinant residential districts have relatively good thermal environment, and it is appropriate for them to face the north or the south.
Key words: layout forms    numerical simulation    thermal environment    predominant wind    

建筑布局是影响居住小区风热环境的主要因素之一.建筑物的存在会改变空气的流动、影响对流换热等以及对太阳辐射进行吸收和反射[1]，同时也会形成阴影区而影响空气温度分布.Hong Huang、Ryozo Ooka[2]等在夏季现场观测了东京某商业区，发现建筑布局和道路走向对商业区内的风速和风向影响最大，空气温度同时受到地表温度的影响；Hong Chen、Ryozo Ooka[3]等在8月份对深圳某数幢底层架空的围合式公寓区进行了观测，发现气温的变化受建筑形态和布局的变化的影响，下风向风速较低，使标准有效温度增加，降低了夏天热舒适性.尽管建筑布局对居住小区的风热环境影响很大，但在我国小区规划里对它的考虑主要体现在视觉美观和功能要求上，而对它的气候调节作用考虑较少.合理的建筑布局可以为居住小区提供良好的风热环境、适应气候的变化以及减少能源的消耗.因此，研究建筑布局对居住小区风热环境的影响对小区规划具有重大意义.

目前，建筑布局对微气候影响的研究主要包括以下几方面:在研究对象上，研究某些建筑布局因素对小区微气候的影响，比如建筑高度、建筑朝向、建筑高宽比、街道长宽比、布局形式、建筑几何形态等[4-8]；在研究模型上，主要是单一建筑、街道峡谷型、建筑物矩阵型或一些简化了的真实存在的小区[9-12]；在模拟方法上，根据不同的模拟对象选择不同的湍流模型或者对模型进行改进或简化[13]；另外，在边界条件的设置上，尤其是建筑物和地面温度的设置，主要以假设温度、通过实测得到的温度和通过热平衡[7, 14]计算出的温度作为边界温度.这些模型对真实城市空间形态的代表不足, 也很少有人研究建筑群朝向对小区热环境的影响.国内学者对典型地区的室外热环境进行了研究[15-17]，通过数值模拟和实地测量相结合研究建筑布局对各地区室外热环境的影响，并提出了相应的改善建议.整体上，研究得不是很系统.

为了研究不同建筑布局形式对小区热环境的影响，本文首先对华南地区典型居住小区形态进行了归纳及简化，然后采用CFD模拟技术对4种小区布局形式进行热环境数值模拟，并对每种布局形式在不同建筑群朝向和主导风的情况下进行研究.根据数值模拟得到小区的风场、温度场、体感温度场并对小区热环境进行分析和评价，从而总结建筑布局形式对小区热环境的影响.

1 居住小区热环境的数值研究方法

本文是在不考虑植被的拖拽力、蒸发蒸腾作用和水体与空气湿热交换的影响情况下进行研究；同时，考虑辐射传热作用和由空气温度变化引起的浮力作用.

1.1 控制方程组

居住小区热环境可用以下一组雷诺平均化控制方程加以描述[18]：

(1) 质量守恒方程

$ \frac{\partial {{\mathit{\boldsymbol{U}}}_{i}}}{\partial {{x}_{i}}}=0\cdot $ (1)

(2) 动量守恒方程

$ \frac{\partial \left( \rho {{\mathit{\boldsymbol{U}}}_{i}} \right)}{\partial t}+\frac{\partial \left( \rho \mathit{\boldsymbol{U}}{{~}_{i}}{{\mathit{\boldsymbol{U}}}_{j}} \right)}{\partial {{x}_{j}}}~=\frac{\partial }{\partial {{x}_{j}}}~\left( \mu \frac{\partial {{\mathit{\boldsymbol{U}}}_{i}}}{\partial {{x}_{j}}} \right)-\frac{\partial P}{\partial {{x}_{i}}}~-\frac{\partial \left( \rho \overline{{{{\mathit{\boldsymbol{{u}'}}}}_{i}}{{{\mathit{\boldsymbol{{u}'}}}}_{j}}~} \right)}{\partial {{x}_{j}}}-\rho \beta \left( T-{{T}_{\rm{ref}}} \right)g\cdot $ (2)

(3) 能量守恒方程

$ \frac{\partial \left( \rho T \right)}{\partial t}+\frac{\partial \left( \rho {{\mathit{\boldsymbol{U}}}_{j}}T \right)}{\partial {{x}_{j}}}=\frac{\partial }{{{x}_{j}}}\left( \frac{{{k}_{d}}}{{{c}_{v}}}\frac{\partial T}{\partial {{x}_{j}}} \right)-\frac{\partial \left( \rho \overline{\mathit{\boldsymbol{u}}{{'}_{j}}T'} \right)}{\partial {{x}_{j}}}+{{S}_{\rm{T}}}\cdot $ (3)

式(1)~(3) 中，Ui、Uj为平均速度矢量，m/s; xi为笛卡尔坐标轴方向；ρ为空气密度，kg/m3；P为平均压力, N/m2, β为热膨胀系数, 1/K；T、Tref为平均温度和浮力参考温度，K；g为重力加速度, m/s2；$ \rho \overline{{{{\mathit{\boldsymbol{{u}'}}}}_{i}}~{{{\mathit{\boldsymbol{{u}'}}}}_{j}}} $为雷诺应力，Pa；$ \overline{{{{\mathit{\boldsymbol{{u}'}}}}_{j}}~\mathit{{T}'}} $为湍流热量通量；kd为导热系数，W/(m·K)；cv为比热容, J/(kg·K)；ST为热辐射源项, W/m3.

以上雷诺平均化控制方程组包含了多余未知量$ \rho \overline{{{{\mathit{\boldsymbol{{u}'}}}}_{i}}~{{{\mathit{\boldsymbol{{u}'}}}}_{j}}} 、\overline{{{{\mathit{\boldsymbol{{u}'}}}}_{j}}~\mathit{{T}'}} $和源项ST，为了使方程组闭合，采用以下闭合方案：

(1) 雷诺应力$ \rho \overline{{{{\mathit{\boldsymbol{{u}'}}}}_{i}}~{{{\mathit{\boldsymbol{{u}'}}}}_{j}}} $由基于SST(Shear-Stress Transport)湍流模型的分离涡方法(Detached eddy simulation, DES)模拟；

(2) 湍流热通量$ \overline{{{{\mathit{\boldsymbol{{u}'}}}}_{j}}~\mathit{{T}'}} $采用菲克定律描述为：

$ -{{\mathit{\boldsymbol{{u}'}}}_{j}}T\prime ={{D}_{\rm{T}t}}\frac{\partial \overline{T}}{\partial {{x}_{j}}}\left( 其中：{{D}_{t}}={{\frac{{{\nu }_{t}}}{P}}_{r}} \right), $ (4)

式(4) 中, νt为涡黏性系数，Pr为湍流普朗特数；

(3)ST通过求解以下辐射传递方程获得：

$ {S_{\rm{T}}} = \frac{{\partial {I_\lambda }\left( {\mathit{\boldsymbol{r}}, \mathit{\boldsymbol{s}}} \right)}}{{\partial s}}{\rm{ = }} - \left( {{\mathit{\boldsymbol{\kappa }}_{a\lambda }} + {\mathit{\boldsymbol{\kappa }}_{s\lambda }}} \right){\mathit{I}_\lambda }\left( {\mathit{\boldsymbol{r}}, \mathit{\boldsymbol{s}}} \right) + {\mathit{\boldsymbol{\kappa }}_{a\lambda }}{I_{\lambda b}}\left( T \right) + \frac{{{\mathit{\boldsymbol{\kappa }}_{s\lambda }}}}{{{\rm{4}}{\bf{ \pmb{\mathsf{ π}} }}}}\int_{4\pi } {\mathit{\Phi }\left( {\mathit{\boldsymbol{s}}, \mathit{\boldsymbol{s'}}} \right){I_\lambda }\left( {\mathit{\boldsymbol{r}}, \mathit{\boldsymbol{s'}}} \right){\rm{d}}\mathit{\Omega '}} \cdot $ (5)

式(5) 中, r为位置向量; s′为散射方向; s为方向向量; Iλb(T)为理想黑体的辐射强度, W/s; κsλ为谱散射系数，1/m; κaλ为谱吸收系数，1/m; Φ(s, s′)为散射相函数.

以上辐射传递方程采用蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法来计算.

1.2 小区热环境的评价标准

小区热环境以体感温度作为评价标准[19]：

$ {T_{{\rm{ape}}}}{\rm{ = }}4.50 + 1.02{T_a} + 0.28{e_a} - 1.0\mathit{\boldsymbol{U}} - 5.8{\varphi _2} + 0.005{\rm{ }}4\left( {{Q_{\rm{D}}} + {Q_{\rm{d}}}} \right) \cdot $ (6)

式(6) 中，Tape、Ta为体感温度和气温，K；U为1.5 m高度处的平均风速, m/s；ea为水汽压，Pa；QD为直接辐射强度，W/m2；Qd为散射辐射强度，W/m2；φ2为太阳直接辐射和散射辐射之比；水汽压ea=RH×Ea; RH为相对湿度，%；饱和水汽压按下式计算：

$ {E_a} = 6.11{\rm{exp}}\left[{\frac{{17.269\left( {{T_a}-273.16} \right)}}{{{T_a}-35.86}}} \right] \cdot $ (7)
2 布局形态对住宅小区风热环境的影响 2.1 模拟工况设计

本文以华南湿热环境为背景，研究广州市(北纬23.117) 夏季典型气象日12点时住宅小区的热舒适，气候条件详见表 1，广州夏季的主导风有东风(0°)、东南风(45°)和南风(90°).为了方便数值模拟研究，将需要考虑的规划因素容积率、日照间距和防火间距等对住宅小区布局简化成以下4种布局形式：错列式、行列式、围合式和斜列式，如图 1所示，其建筑长宽比为2.0(L=30 m, B=15 m)，建筑高度H =36 m.建筑物和地面材料属性如表 1所示.

表 1 模拟工况1) Table 1 Details of simulation cases
图 1 4种居住小区布局形式(单位：m) Figure 1 Four layout forms of the residential districts
2.2 计算模型与求解

计算区域的大小直接与模拟结构的真实性相关连，模拟区域小流场会失真，计算区域大，造成网格数多，计算量和成本加大.根据国内外相关经验[20]，计算域以建筑高度H(36 m)为参照，入流口设置在距离建筑群迎风面前5H处，出流口在距离背风面后20H处，两个侧边界设置在距离建筑群侧墙面3H处，计算域高度取5H.在本数值模拟中入流边界采用狄里克莱边界条件，出流边界采用自由出流(outflow)边界条件，侧向边界和顶部边界采用对称边界，建筑壁面和地表面边界采用无滑移光滑壁面，具体不同边界类型的边界条件设定和参数的设置详见表 2.

表 2 边界条件和模拟控制参数设置 Table 2 Settings of the boundary condition and control parameters
2.3 模拟结果与分析

小区的热环境以体感温度作为评价标准.由公式(6) 可知，体感温度受风速、气温、太阳辐射和相对湿度影响.因为本文中的太阳辐射和相对湿度是固定不变的，所以体感温度场主要由风速场和温度场决定.

2.3.1 风速场

风速场主要受建筑物的阻挡作用的影响.小区的阻塞率越小，越有利于通风，风速场越好.限于论文篇幅，选取最有利于通风的布局形式小区的风速矢量场进行分析.图 2给出了工况1中在东风(图中以左边表示东)条件下错列式小区在离地1.5 m高处的风速矢量场、温度场和体感温度场.从图 2(a)可以看出，当风进入小区，由于建筑物的存在使得通风面积减少，主通道内风速增大，而建筑物近壁区风速相对较弱；建筑物的背风面由于只有极少部分风进入，形成了风阴影区；从东到西，主通道内风速逐渐减小，因为主通道内的风一部分进入到建筑物的背风区域，一部分被夹带到上层.由此可知，小区沿主导风向的长度不宜太大，否则小区下游会出现大面积低风区.

图 2 错列式小区模拟结果 Figure 2 Simulation results of staggered type residential district
2.3.2 温度场

由风速剖面可知，1.5 m高处小区的入流风速为6.59 m/s，小区内的温度场主要受对流换热的影响.风速越大，对流换热越强，所以最有利于通风的布局形式小区，其温度场也最好.从图 2(b)可以看出，小区上游温度较低，且建筑物两侧部分区域的温度与背景气温(32 ℃)相当，这是因为这块区域的风速高，对流换热大，可以抵消太阳辐射引起的温度上升；由于建筑物的背风面存在太阳阴影区且风速小，使得建筑物背风面温度与背景气温相当；主通道内从东向西，由于风速逐渐减弱，温度逐渐上升；在小区的尾区，风速小，对流换热较弱，太阳辐射相对较强，使得温度普遍很高.从整体上可以看出，对流换热是影响温度场的主导因素：在风速小的区域，其温度高；在风速大的区域，其温度低.所以小区通风状况越好，温度场也越好.

2.3.3 体感温度场

综合以上分析可知，风速是影响体感温度的主导因素.从图 2(c)可以看出，小区上游的体感温度比下游低，也就是其热舒适性比下游好；建筑物周围的体感温度都较高，尤其是建筑物的背风面；从东向西，主通道内的体感温度逐渐上升.从整体上可以看出，体感温度的分布情况与风速矢量场大致相同：风速小的区域体感温度大，风速大的区域体感温度小.这符合风速是影响体感温度的主导因素.所以小区通风状况越好，其热环境也越好.

限于论文篇幅，本文不对其他各种模拟情况的结果进行详细分析和描述.通过对工况1中各种模拟情况得到的小区风速矢量场、温度场和体感温度场进行分析比较，并根据通风条件是影响小区热环境的主要因素可得：当主导风为东风时，4种布局形式热环境的优劣顺序为：错列式>行列式>斜列式>围合式；当主导风为东南风时，4种布局形式热环境的优劣顺序为：错列式>行列式>围合式>斜列式；当主导风为南风时，4种布局形式热环境的优劣顺序为：斜列式>围合式>行列式>错列式.根据同样的分析比较，得工况2中在相同建筑布局形式和主导风下3种建筑群朝向的小区热环境优劣比较情况如表 3所示.

表 3 各种建筑布局形式的热环境比较(工况2)1) Table 3 Comparison of thermal environment for different building layout forms(case 2)
3 结论

本文研究了在广州典型夏季气候条件下建筑布局形式对居住小区热环境的影响.采用CFD模拟技术不同主导风和各种建筑群朝向条件下分别对4种小区典型布局进行了热环境数值模拟研究.研究结果表明小区布局形态和建筑群朝向等对小区热环境有很大影响，小区热环境主要取决于小区内的通风状况.当小区内部主通道与主导风向平行时，有利于小区通风散热.当主导风为东南风或东风时，错列式和行列式小区有相对较好的热环境，其建筑群朝向相对应的宜为南北朝向.为了获得良好的热环境，应当减少建筑群对进入小区的风的遮挡效应，尽量使小区内部主通道与小区主导风向平行，使小区有利于通风.

本文仅考虑了3种规划因素来对居住小区几何模型进行简化，得到的布局形式较少；模拟过程没有考虑植被和水体对小区热环境的影响，使得到的模拟结果具有一定的局限性.今后研究可以从更多的规划因素来概括更全面的各种布局形式，并在模拟中考虑植被和水体等对小区热环境的影响.

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