邵 麗 麗

(貴州民族大學(xué)建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

隨著我國(guó)快速發(fā)展，大規(guī)模的城市建設(shè)更新以及人口的急劇增長(zhǎng)，使得城市氣候出現(xiàn)“城市熱島”和空氣污染難以擴(kuò)散的現(xiàn)象，造成城市環(huán)境質(zhì)量變差，空調(diào)負(fù)荷增加，人們的健康和熱安全問題突出等問題。面對(duì)以上問題，目前行之有效的方法之一是借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)居住區(qū)的熱環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)，不斷調(diào)整優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)和規(guī)劃設(shè)計(jì)的方法，使得居住區(qū)的熱環(huán)境滿足相關(guān)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，我國(guó)GB/T 50378綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、《綠色標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)細(xì)則》等行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)也提倡利用數(shù)值模擬優(yōu)化建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)[1]。

1 城市熱環(huán)境數(shù)值模擬法介紹

城市熱環(huán)境數(shù)值模擬方法有集總參數(shù)法和分布參數(shù)法。集總參數(shù)法假定研究區(qū)內(nèi)的某一時(shí)刻的空氣溫度是一樣的，即研究區(qū)內(nèi)整個(gè)空間是完全均一的質(zhì)點(diǎn)，內(nèi)部的空氣溫度與時(shí)間有關(guān)，但和空間位置無關(guān)[2,3]。集總參數(shù)法通過計(jì)算建筑周邊要素的熱平衡，可預(yù)測(cè)整個(gè)區(qū)域的不同時(shí)間的平均溫度。以集中參數(shù)法為理論模型的模擬工具有計(jì)算速度快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)吻合精度能夠滿足工程需要，非常適用于建筑設(shè)計(jì)初期使用。而分布參數(shù)法以計(jì)算流體力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)和熱力學(xué)為基礎(chǔ)，將研究區(qū)域劃分成網(wǎng)格狀，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱并耦合，可以得到研究區(qū)域中某一時(shí)刻不同位置處空氣的溫度、濕度和速度等結(jié)果[4]。集總參數(shù)法得到的某一時(shí)刻的溫度結(jié)果是一個(gè)值，而分布參數(shù)法得到的溫度結(jié)果數(shù)量與網(wǎng)格劃分的數(shù)量相關(guān)，即分布參數(shù)法與空間相關(guān)。目前，基于分布參數(shù)法的常用模擬工具主要有Fluent,Phoenics等軟件，其需要使用者具備相應(yīng)的計(jì)算流體力學(xué)知識(shí)。軟件模擬時(shí)需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)化模型，劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求高，邊界條件也需要一定的理論知識(shí)才能合理設(shè)置，加之計(jì)算模擬需要的時(shí)間長(zhǎng)，后期處理數(shù)據(jù)量較大等，使得建筑師使用其難度較大，難以滿足建筑設(shè)計(jì)初期的需求。

2 模擬軟件簡(jiǎn)介

2.1 DUTE軟件簡(jiǎn)介

本次居住區(qū)模擬選用建筑熱環(huán)境分析軟件DUTE(Design Urban Thermal Environment)，它是基于集總參數(shù)法開發(fā)的，專門針對(duì)居住區(qū)夏季熱環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)的軟件。由華南理工大學(xué)建筑節(jié)能中心運(yùn)用VC++計(jì)算機(jī)語(yǔ)言在常用的繪圖工具CAD平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)的，能夠直接使用原有規(guī)劃設(shè)計(jì)圖進(jìn)行建模計(jì)算，不需要再額外建模，縮短了前期使用軟件的時(shí)間。DUTE軟件可實(shí)現(xiàn)天空角系數(shù)、建筑陰影率和平均化處理下墊面參數(shù)等熱環(huán)境相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，計(jì)算過程只需幾分鐘，就能得到熱環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果。因?yàn)樗軌蛴押玫膶?duì)接建筑設(shè)計(jì)繪圖軟件CAD，計(jì)算時(shí)間短，上手快速，非常滿足建筑規(guī)劃師的需求，有較好的工程實(shí)踐意義，使用廣泛。

2.2 軟件理論模型CTTC模型簡(jiǎn)介

DUTE1.0軟件的理論核心是CTTC模型(Cluster Thermal Time Constant)即建筑群熱時(shí)間常數(shù)，它是由以色列學(xué)者H.N.Swaid和M.E.Hoffnan等提出的基于熱平衡的基礎(chǔ)上采用建筑時(shí)間常數(shù)的方法來計(jì)算小尺度建筑區(qū)域內(nèi)熱環(huán)境的方法[5]。整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱時(shí)間常數(shù)定義為：如果外部有一單位階梯函數(shù)的溫度擾動(dòng)(如從0 ℃～1 ℃)通過所有的傳熱途徑，則由此引起的內(nèi)部溫度反應(yīng)升高至最終穩(wěn)定值的0.632 1(等于1-e-1倍)所需的時(shí)間，表示的是整個(gè)房間熱反應(yīng)的一個(gè)熱物理參數(shù)[5-7]。

對(duì)于已建成建筑群的CTTC值可以根據(jù)它的幾何參數(shù)(地面、外墻面積)計(jì)算如下：

其中,(1-FA/S)為部分開放空間面積；WA/S為小區(qū)的外墻面積。這樣就可以用CTTC來反映出顯熱蓄熱，即太陽(yáng)輻射對(duì)空氣溫度的作用。

CTTC模型適用于預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)城市形態(tài)、建筑布局、景觀分布及人為散熱等因素對(duì)城市冠層內(nèi)熱環(huán)境影響。根據(jù)《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，居住區(qū)空地、建筑以及喬木的熱時(shí)間常數(shù)分別為8 h，6 h和12 h[8]。

2.3 DUTE軟件可行性驗(yàn)證

2010年華南理工大學(xué)陳佳明和舒力帆將DUTE的模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比：實(shí)驗(yàn)測(cè)試的溫度平均值為31.54 ℃，最大值為35.6 ℃；而軟件計(jì)算溫度平均值為31.6 ℃，最大溫度為35.82 ℃；二者平均值相對(duì)偏差為0.84%，最大值相對(duì)偏差為2.17%，結(jié)果吻合度高，可以滿足工程計(jì)算要求[3，9]。

2012年華南理工大學(xué)陸莎比較了DUTE模擬結(jié)果、實(shí)測(cè)結(jié)果和FLUENT軟件模擬結(jié)果，結(jié)果表明：三者空氣溫度趨勢(shì)是一致的，誤差在允許范圍內(nèi)，利用DUTE軟件模擬得到的室外1.5 m高處空氣溫度是合理且有效的[10]。

2017年南京大學(xué)段艷文分別采用DUTE與Phoenics軟件模擬了布置綠植的研究區(qū)，并采用濕球黑球溫度(Wet Bulb Globe Temperature,WBGT)為對(duì)比指標(biāo)，結(jié)果表明：二者WBGT指標(biāo)的逐時(shí)變化曲線總體趨勢(shì)接近。在不同的植物類型下，Phoenics的模擬值要大于DUTE，其計(jì)算的誤差在1 ℃左右[11]。

總體而言，基于CTTC集總參數(shù)法的室外熱環(huán)境分析工具DUTE的計(jì)算方法是科學(xué)合理的，其預(yù)測(cè)精度滿足工程需要。

2.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

DUTE根據(jù)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 286—2013城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的評(píng)價(jià)性設(shè)計(jì)方法，并采用模擬計(jì)算所得的濕球黑球溫度和熱島強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)熱環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，上述指標(biāo)應(yīng)滿足如下條件[8]：

1)夏季逐時(shí)WBGT≤33 ℃；

2)夏季貴陽(yáng)地區(qū)北京時(shí)間9:00～19:00間的平均熱島強(qiáng)度不大于1.5 ℃。

3 貴陽(yáng)某居住區(qū)熱環(huán)境模擬

3.1 工程概況

居住區(qū)占地面積113 333 m2，容積率為1.96，綠地率為32%。小區(qū)北面由一排2層～3層的商業(yè)街構(gòu)成，小區(qū)中部是18棟3層別墅，四周是26層和18層組成的高層圍合而成(見圖1)。

3.2 計(jì)算采用的氣象數(shù)據(jù)

軟件采用的氣象數(shù)據(jù)為貴陽(yáng)市夏季典型氣象日7月21日0：00～24：00的逐時(shí)空氣溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)總輻射照度、太陽(yáng)散射輻射照度和風(fēng)速等參數(shù)。貴陽(yáng)典型日平均溫度23.9 ℃，最高溫度出現(xiàn)在16：00左右。太陽(yáng)輻射量不大，水平總輻射量為117.21 W/m2，最大值在14：00，水平散射輻射為141.52 W/m2，16：00最大。夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟舷?，日平均風(fēng)速2.3 m/s。

3.3 計(jì)算模型

根據(jù)小區(qū)下墊面材料的性質(zhì)，對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)置。創(chuàng)建小區(qū)建筑并輸入建筑高度，創(chuàng)建水泥地塊、草地地塊，透水磚地塊、水體地塊、喬木大小和位置以及構(gòu)筑物遮陽(yáng)地塊，設(shè)定計(jì)算的區(qū)域等。最終的計(jì)算模型見圖2。

3.4 模擬結(jié)果

該居住區(qū)逐時(shí)平均空氣溫度、WBGT和熱島強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果，如圖3～圖5所示。圖3中tα.TMD為貴陽(yáng)市典型氣象日逐時(shí)平均空氣干球溫度，ta為居住區(qū)逐時(shí)平均空氣溫度，從圖中可以看出，因?yàn)榻ㄖ飳?duì)太陽(yáng)輻射的互相遮擋，使得通過空氣流動(dòng)帶走的熱量減少，住區(qū)在下午和夜晚的空氣溫度高于同時(shí)刻典型氣象日的空氣溫度。由于建筑物對(duì)太陽(yáng)輻射的互相遮擋，使得部分建筑在陰影中，沒有受到太陽(yáng)輻射的影響，因此9：00～13：00間，住區(qū)的空氣溫度小于典型氣象日的空氣溫度。圖4中可以看到，WBGT最高溫度出現(xiàn)在16：00，最低溫度出現(xiàn)在6：00，24 h內(nèi)的逐時(shí)平均WBGT值均低于33 ℃。因此，滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)WBGT的控制目標(biāo)。對(duì)于熱島強(qiáng)度(見圖5)，最大值出現(xiàn)在夜晚23：00，最小值出現(xiàn)在10:00，全天的平均熱島強(qiáng)度均值為1.32 ℃。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，從9:00～19:00間平均熱島強(qiáng)度均值為0.595 ℃均小于1.5 ℃。

4 結(jié)語(yǔ)

與CFD模擬軟件相比，DUTE1.0可以直接使用建筑規(guī)劃的CAD圖紙進(jìn)行建模，只需加入建筑高度，添加建筑和地表的材質(zhì)物理屬性便可進(jìn)行計(jì)算，且只需幾分鐘便能計(jì)算出24 h逐時(shí)的熱環(huán)境參數(shù)，該軟件操作簡(jiǎn)單高效，便于建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)師快速進(jìn)行熱環(huán)境評(píng)價(jià)，適用于設(shè)計(jì)初期。但因?yàn)镃TTC模型不能考慮熱在水平方向的傳遞，因此如何選取區(qū)域，選取多大區(qū)域?qū)⒂绊慍TTC計(jì)算的準(zhǔn)確性。

居住區(qū)是城市的重要組成單元，是人們生活的重要場(chǎng)所，需要城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)加以關(guān)注，基于集總參數(shù)法的熱環(huán)境評(píng)價(jià)減少了關(guān)注的難度，對(duì)工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。