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《重庆大学》 2011年
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适于城市住区规划的室外热环境实测与模拟研究

高亚锋  
【摘要】:随着城市化进程加快,城市住区数量日益增加,而住区的规划设计往往对室外热环境不够重视,使得城市住区热环境不断恶化。同时,城市住区热环境与居民生活息息相关,为营造良好的城市住区热环境,需从城市住区规划设计阶段就开始着手考虑优化其热环境的规划方案。 现阶段,国内外学者对城市住区热环境的宏观层面研究主要集中在热岛效应和风场等方面,并取得了一些成果。然而,城市住区热环境受太阳辐射、建筑布局、地形、水体、绿化以及下垫面等因素影响,且各因素之间亦有关联,使得影响因素的量化研究困难重重。在微观层面,以城市住区热环境为对象的研究较少,且缺乏成熟的理论研究。为此,本文以城市住区热环境为研究对象,进行实测和模拟研究。 首先,对城市住区热环境进行了实测研究,在英国Reading大学包含四种不同建筑布局(街谷型、半围合型、庭院型、开敞型)的某建筑群内布置六个固定观测点,通过远程监测与流动观测相结合的方式对这六个固定观测点处对应的空气干球温度、相对湿度、风速、水平太阳辐射强度、下垫面温度和建筑表面温度进行了四个季节的实测。结果表明:不同建筑布局中测点的风速影响因子各异;各测点处的空气干球温度与沥青路面温度的相关性大于水平太阳辐射强度的与沥青路面温度的相关性,且沥青路面温度对空气干球温度的影响程度不同。通过对草坪建立的热平衡方程并进行多因素回归,发现处于不同建筑布局中的草坪能量平衡方程的线性回归的表述项各异,且影响草坪温度的主因亦不同。城市住区热环境实测结果可为后续数值模拟提供初始条件,亦可用于模拟验证。 其次,提出并验证了简化求解建筑群内天空视角系数(SVF)的射线扫描方法和面与面之间角系数的简化求解方法,建立了建筑群内太阳直射辐射、散射辐射和反射辐射等的简化求解模型。同时,分别以建筑表面、空气、草坪和水体等为研究对象,建立热平衡方程,进而建立了适于城市住区热环境模拟分析的零方程流动换热求解模型,对城市住区空气流动与换热进行三维耦合求解。该模型考虑了太阳总辐射、长波辐射、草坪和水体与空气的潜热交换、人为排热、空气与建筑表面的热交换等因素。为提高模拟计算速度,降低模拟过程对计算机硬件的要求,耦合求解时先计算下垫面和建筑表面接收的太阳辐射强度,再计算下垫面温度和建筑表面温度,最后采用同位网格和SLUR扫描的SIMPLE算法计算空气的流场与干球温度值。以英国Reading大学某建筑群为例,对上述模型进行验证。以该建筑群的建筑围护结构和不同下垫面的热物性参数、Reading大学的气象数据和实测数据、建筑室内设定温度、夏季空调计算温度等作为初始条件进行模拟。将城市热环境的模拟分三步进行:第一,建立室外热环境的物理模型;第二,计算城市住区下垫面的天空视角系数、太阳直射辐射、散射辐射和反射辐射;第三,将第二步的计算结果作为空气流动换热模拟的输入条件。将模拟数据与实测数据对比,结果表明模拟数据与实测数据的变化规律基本一致,且在误差允许范围内,从而证实了城市住区热环境流动换热模型的合理性。 本文的工作为数值模拟优化城市住区热环境奠定了理论和应用基础,研究成果可用于对城市住区热环境的前期设计规划和后期改造优化。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TU119;TU831

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