基于CFD模拟的下垫面对衡...外热湿环境的影响与优化研究_周文婷.pdf

1引言中国城市化进程在过去几十年中取得了巨大的进步和成就，但城市快速发展也使得城市下垫面发生了重大变化，城市热岛效应作为其中的一个热点问题逐渐加剧。该问题的关键在于人口密度、建筑数量的增加、硬质材料的使用增加以及绿化面积减少等导致城市下垫面温度升高，从而对住宅建筑室外热舒适度产生显著影响。针对住宅建筑室外热舒适度下降的问题，需采取系统性措施解决，如综合考虑城市规划、建筑设计、绿化、机械通风等方面进行改善。而下垫面作为其中重要的一环，其热工性能对于建筑室外整体热湿环境具有重要的影响。因此，本文采用CFD模拟方法，从下垫面角度切入，研究其对住宅建筑室外热湿环境的影响，并提出了针对性的优化建议。希望能为衡阳住宅建筑的设计和建造提供有价值的参考和指导，同时为提高城市的宜居性与促进城市的可持续发展做出贡献。2衡阳地区地理气候条件分析衡阳位于湖南省中南部，处于中南地区凹形面轴带部分，具有典型的盆地形势。湘江自南向北贯穿市区，整体流域地势西南高、东北低1。根据GB 501762016民用建筑热工设计规范的气候划分，衡阳属于夏热冬冷气候区2。夏季受副热带高压影响，高温多雨，炎热周期长，降水量占全年的68%84%；秋冬时期温度骤变，寒冷干燥。全年无极端天气。衡阳冬季平均气温8.3，最冷月12月平均温度为6.2，最低温度可达-2.9；夏季平均气温为27.3，最热月7月、8月平均温度为32.4，最高温度可达38.7。夏季温度在23 28、相对【基金项目】国家级大学生创新创业训练计划（S202110555056）【作者简介】周文婷（2001），女，湖南衡阳人，本科在读，从事建筑生态环境与节能、室内环境与数值模拟研究。基于 CFD 模拟的下垫面对衡阳住宅建筑室外热湿环境的影响与优化研究Study on the Influence of Underlying Surface on Outdoor Thermal and HumidEnvironment of Hengyang Residential Buildings and the OptimizationBased on CFD Simulation周文婷，王均芃，曾骏，吴学伟，贾悦婷，蒋新波（南华大学松霖建筑与设计艺术学院，湖南 衡阳 421001）ZHOU Wen-ting,WANG Jun-peng,ZENG Jun,WU Xue-wei,JIA Yue-ting,JIANG Xin-bo(Solux College of Architecture and Design,University of South China,Hengyang 421001,China)【摘要】在我国住宅建筑热湿环境问题亟待改善的研究背景下，选取典型的夏热冬冷地区衡阳为例，基于 CFD 计算流体力学平台，模拟分析不同下垫面形式对建筑室外热湿环境的影响。研究表明：通过提高住区绿化率、丰富植被配置形式、采用透水性更佳、斑块分离度更高的地面铺装，能够有效改善户外热舒适度。同时，适度介入水体也可对场地内微气候调节起到一定的作用。【Abstract】In the background of the urgent need to improve the thermal and humid environment of residential buildings,Hengyang,atypical hot summer and cold winter area,was selected as an example in this study.Based on CFD computational fluid dynamics platform,the influences of different underlying surface forms on the outdoor thermal and humid environment of buildings were simulated andanalyzed.The research shows that the outdoor thermal comfort can be effectively improved by improving the greening rate of residentialareas,enriching the vegetation configuration forms,and adopting the ground pavement with better permeability and higher patch separationdegree.At the same time,moderate intervention in water can also play a certain role in the sites microclimate regulation.【关键词】室外热湿环境；CFD；下垫面；优化策略【Keywords】outdoor heat and humidity environment;CFD;underlying surface;optimization strategy【中图分类号】TU119【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）06-0009-04【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.003Architectural and Structural Design建筑与结构设计9Construction&DesignForProject工程建设与设计湿度在30%60%的环境人体感受较为舒适3。3衡阳地区住区发展与下垫面分析衡阳中心区现有居住用地面积35.76 km2，占城市建设用地的32.32%4。近5年来，中心城区常住人口保持平稳快速增长，新城区（武广新区、滨江新区、来雁新城）建设发展较为迅速，但中心城区的老旧住宅数量较为庞大，大部分小区均存在热湿环境条件恶劣等矛盾，亟须提质改造。室外下垫面空间格局既为住宅创造了良好的边界条件，也直接影响室外环境热舒适性。经实地调查，衡阳市主城区住宅小区下垫面空间格局主要由室外道路铺装、景观绿地及水体3大部分构成。具体而言，住区内常见下垫面类型包括裸土、混凝土、透水砖、沥青、塑胶地面、水体、草坪、乔木与灌木等。其中，裸土和混凝土为不透水性材料，导热系数较高，在0.61.28W/（mK）；透水砖和草坪则具有较好的透水性，反射率较高在0.750.95；沥青和塑胶地面则为不透水性材料，但导热系数相对较低在0.650.7 W/（mK）；水体具有高比热容和不透水性等特点，常用于景观微气候调节。乔木和灌木则可以通过蒸腾作用从树叶释放水分来调节周围的温湿度，相对而言草坪的效果较小。4研究区域与方法本项目选取了衡阳典型行列式住区南华大学红湘校区北校家属区作为研究对象进行深入分析。家属区规划用地面积3.8 hm2，片区内共有11栋住宅建筑，均呈行列式布局，总建筑面积42 000 m2，容积率3.0，建筑密度约17%，绿地率约30%，以多层建筑为主，平均层数为7层，建成于20世纪90年代，是衡阳地区老旧住宅的典型代表。基于流体力学和传热学的基础理论，本研究模拟计算采用PHOENICS软件提供的传质、动量、质量及传热相关控制方程，将小区室外下垫面主要区域进行网格加密，周边区域采用增长型网格5。由于地表引起的摩擦力与太阳辐射产生的浮力，地面建筑物附近的空气在垂直方向上流动，区域垂直方向上不同位置的大气湍流不同，可以基于Reynolds平均法选取标准耦合E-模型计算大气湍流的变化率。空气流场主要是大气底层气流，属于稳态、不可压缩流，软件中的LBC（LateralBoundaryConditions）边界条件能较稳定地显示模拟数值，适用于已测得环境一日的温湿度数据条件，故可以选用闭式边界条件假设求出流边界值6。参考该区域所对应的地形粗糙度指数取值为0.22。5现状分析与影响因素研究5.1小区热湿环境现状分析基于人体对热湿环境的舒适性感受、热环境模拟试验及数据分析GB/T 503782019绿色建筑评价标准（以下简称标准）提出了室外热湿环境的评价标准如下：（1）室外人行区风速5 m/s，且风速放大系数2；（2）迎风面与背风面表面风压差0.5 Pa（除迎风首排建筑）；（3）场地内人活动区不出现涡旋或无风区；（4）户外活动场地有乔木、构筑物等遮阴措施的面积达到10%或20%；（5）超过70%的道路路面、建筑屋面的太阳辐射反射系数0.4。项目将以此为依据针对性地对所研究小区的室外热湿环境进行下垫面优化，并检验其是否达到标准中提出的各项要求。通过PHOENICS软件模拟得到2022年8月20日12:00时小区的热湿环境模拟风压、温度及风速云图（见图1）。由图1可知，在夏季主导风向偏南风及建筑朝向的影响下，南侧建筑1栋11栋迎风面风压较大在2.36.7 Pa，风速达到2.7 m/s；东侧7、8、9栋附近小范围风压值达到4.7 Pa；1、6、7、11栋建筑背风面风压较低，约为-1.5 Pa；其他区域风压基本处于02.7 Pa，风速0.251.12 m/s。整体而言，风速值在1.24.7 m/s的区域约占地块面积的30%，而风速低于0.8 m/s图 1小区现状热湿环境模拟云图a风压云图b温度云图c风速云图10的静风区超过场地面积的50%，其中，建筑背风面及建筑“凹”角处出现大面积风影区，风速风压较低。相应地，图1b显示A、B、C、D、E、F 6处区域出现了不同程度的高温聚集现象，其中，A、B、E、F区域位于建筑物拐角处，风流受阻，气流逆转，从而热量聚集，形成高温集团。而D、F区域位于建筑背风面，且与夏季主导风向平行，同时处于7.990.90 m/s风速急剧变化带。由于气流在该区域内部流动的复杂性，空气易在该区域内部聚集形成流场不稳定现象，导致一些热量积聚，从而形成并加剧了高温聚集现象。5.2绿化形式差异对热湿环境影响分析为了精细化定性分析场地的绿化优化效果，本研究旨在通过调节植物物种、布局、覆盖率等因素进行参数研究与数值模拟，从而实现对室外热湿环境的影响机制的探讨。经多次实验迭代得到小区绿化综合布局方案（见图2），其包括但不限于：采用阔叶乔木和草坪搭配的组合，以增加阴凉和绿化覆盖率，并控制灌草与乔草的相对比值；采用分散和集中相结合的布局形式，以提高绿化分布的均匀性；选用具有较强蒸腾作用的植物物种（如设置户外绿萝、吊兰与常春藤植物墙），以提高环境相对湿度；合理设计绿化空间的大小和形状，以促进自然风流通，增加风速，降低热应力。图 2小区绿化综合布局优化方案经CFD数值模拟，小区绿化综合优化后室外总体热湿环境相较于现状得到了较大程度的改善。各项数值变化细微，场地内整体通风情况保持稳定（见图3）。绿化优化的重点在于利用植物的蒸腾作用为环境增加湿度，从而达到局部降温与提升热舒适感受的效果。A、B、E三区内高温集团范围显著缩小，峰值温度降低0.191.31，C、D区中高温变化带（37.7538.69）范围也明显缩小，然而F区位于南北两侧风速变化带间，内部气流速度较之周围更为缓慢，气压相对较低，绿化设置的增湿效果不及对其风速的阻滞作用，1号建筑拐角处的峰值热量聚集现象加剧。这也体现了绿化优化在多种影响因素复合下仍存在着不稳定与局限性，此时水体的适度介入能够为进一步提升室外热湿环境质量起到补充与辅助的作用。5.3水体布局与地面铺装差异对热湿环境影响分析一方面，水体可以通过影响周围气候的湿度、温度和风向等因素对住宅建筑的热舒适性产生影响。另一方面，水体还可以通过蒸发作用增加周围的空气湿度，从而对住宅建筑的能源消耗产生影响。然而，在潮湿的环境中，水体也可能加剧湿度，并导致更高的热指数。因此，住宅建筑的室外环境需要考虑水体的布局和周围环境的特点，以最大限度地优化热湿环境，提高住宅建筑的热舒适性和能源效率。此外，为了增强水体对热环境的调节效果，还可在水体周围采用透水性下垫面设计。不同地面铺装材质的热湿特性、透气性、导热性和耐久性各有优劣，对室外热湿环境的影响程度不同。选择地面铺装材质时，应优先考虑反射率和透气性，具有高反射率的材质（如白色的混凝土、石英砂等）可以将太阳辐射反射回大气中，减少吸收和转化为热量的能量，从而降低地表和周围空气的温度。其次，选择透气性好的材质，如多孔性材料砂岩等，既可促进地表和空气的对流，降低地表的温度，亦可减少水汽的积聚和蒸发，从而减小周围空气的湿度。此外，颜色和纹理也会影响地面铺装材质的热湿环境效果。选择浅色和光滑的铺装a风压云图b温度云图c风速云图图 3小区绿化综合优化后热湿环境模拟云图Architectural and Structural Design建筑与结构设计11Construction&DesignForProject工程建设与设计材料增，有利于降低地表温度，粗糙纹理的材质增加了地表面积，进而增加散热效果。最后，提高硬质铺地斑块分离度，可在保持硬质铺地总面积一致的条件下，将连续大面积铺地打碎为小面积布置，以此降低热岛强度7。6下垫面综合优化模拟与分析基于已有研究基础，根据小区上述实际室外热湿环境问题，在绿化优化的基础上，在建筑物集聚地方增设水体，顺时针依次标注为a、b、c、d、e、f，并提高地面铺装硬质铺地斑块分离度，构建下垫面综合优化模型，进行多轮数值模拟迭代分析，得出最为有效的改善方案。对比优化前后风环境可知，场地整体风环境变化较小，风压风速等基本维稳，但也有小幅度上升，基本维持在1 m/s左右。而由图4b所示结果表明，小区室外热环境得到显著提升，3839 温度变化带面积缩小约50%，热量聚集现象也得到很好缓解。具体而言，在绿化优化基础上，介入e、f水体配合主导风向，降温增湿，A、F区高温集团区域面积缩小60%。B区位于小区内部临近道路，风环境恶劣植被率低，通过c、e水体改善风口送风温湿度，优化地面铺装材质热湿特性，B区高温集团面积缩小80%。此外，C、D区域峰值温度也下降了大约1。整体上，小区内室外人行区风速在1.773.55 m/s，除首末排外各建筑迎风面与背风面表面风压基本一致，场地内人活动场所无涡旋与静风情况，遮阴措施覆盖率达到20%，地面铺装等材质反射率为0.85，各项参数均达到标准所列要求，优化方案合理且有效，较好的模拟改善了小区室外热湿环境。7结论与展望在城市住区发展的过程中，由于人们的生活水平提高及对美好生活环境的向往，粗放、飞速的城镇化住区建设模式正将朝着高质量、高水平发展模式转变，城市住区环境的改善也将是一项漫长而艰巨的任务。针对衡阳夏季典型住区的室外热湿环境，可通过优化室外下垫面的空间网格、构建住区微气候环境来提升住区的户外空间微气候舒适度，最节能地改善城市热岛效应及提升民生福祉。本文基于CFD软件模拟平台，通过对衡阳典型住区的调研与数值模拟，研究分析出室外下垫面的空间网格布局对衡阳住区室外环境的影响机制。调研和模拟结果显示，提高绿地率、优化绿化配置形式及改善地面铺装对住区夏季室外的降温增湿及热岛效应减轻有较好的效果，此外合理增设水体，也有利于辅助调节住区的微气候环境和提升人体舒适度。本研究未来可在上述基础上进行优化设计，以期日后在节能与提升热舒适度方面为衡阳住区室外环境更新设计提供参考。【参考文献】1邓成甫.湖南衡阳地区新农村住宅居住环境改善研究D.重庆:重庆大学,2010.2中华人民共和国住房和城乡建设部.民用建筑热工设计规范:GB/T501762016S.北京：中国建筑工业出版社，2016.3徐欣,朱能,田喆,等.室内计算参数的确定与舒适和节能的关系J.暖通空调,2012,42(7):22-26,48.4张馨予.衡阳中心城区住宅产业发展战略研究D.衡阳:南华大学,2015.5陈淦,卓志雄,张华荣,等.基于CFD模拟的不同下垫面对城市热环境的影响J.山东农业大学学报(自然科学版),2019,50(6):1021-1026.6杜京.下垫面对重庆夏季住区热环境影响研究D.重庆:重庆大学,2019.7刘文沛,曹静,陈源.夏热冬冷地区公共建筑围护结构的节能影响研究J.江苏建筑,2022,225(6):147-149.a风压云图b温度云图c风速云图图 4小区综合优化后热湿环境模拟云图【收稿日期】2022-05-1912