绿化对室外热环境影响的模拟研究.doc

绿化对室外热环境影响的模拟研究 林波荣，李晓锋，朱颖心，秦佑国 (清华大学 建筑学院 建筑技术科学系，北京 100084) 摘 要：绿化对改善建筑外热环境、提高行人热舒适有重要作用。本文通过建立同时存在非透明体和半透明体情况下的通用辐射计算体系，并结合三维植物冠层流动模拟方法、植物与环境的热质传递模型及地表、建筑等固体表面导热的有限差分计算方法，建立了有绿化情况下室外热环境的通用模拟体系，并与现场测试结果进行了验证。在此基础上，模拟研究了不同绿化形式对住宅小区室外热环境的影响，为定量化评价、优化园林绿化设计以改善室外热环境奠定了基础。 关键字：绿化；辐射；室外热环境；模拟 引言 近几十年来，受城市化飞速发展、下垫面结构改变、以及交通和建筑排热等因素的影响，城市热环境逐渐恶化。对于建筑小区而言，由于受规划设计中建筑密度、建筑材料、建筑布局、绿地率、水景设施及空调、车辆排热、居民生活用能的释放等因素的影响，小区室外气温也可能出现“热岛”现象。“热岛”现象在夏季的出现，不仅会使人们高温中暑的机率变大，同时还促使了光化学烟雾的形成、加重污染，并增加建筑的空调能耗，给人们的工作生活带来不利影响。 通过合理的建筑设计和布局，选择高效美观的绿化形式、植物搭配及水景设置，可有效地降低热岛效应，获得清新宜人的室外空气温湿度和适当的辐射环境。其中，绿化作为室外景观设计的常见形式，对改善室外热环境质量、提高行人热舒适有重要作用。然而长期以来一直缺乏定量化的研究绿化影响室外热环境的手段。 本文通过建立同时存在非透明体和半透明体情况下的通用辐射计算体系，并结合三维植物冠层流动模拟方法、植物与环境的热质传递模型及地表、建筑等固体表面导热的有限差分计算方法，建立了有绿化情况下室外热环境的通用模拟体系，并与现场测试结果进行了验证。在此基础上，模拟研究了不同绿化形式对住宅小区室外热环境的影响，结果发现，多数情况下树木改善室外热环境的效果最好，但与评价时段、建筑朝向等因素有关；发现不同树木布置方式会对室外热环境产生不同影响。提出利用有效遮阳绿量的概念以指导绿化改善小区热环境。 1 室外热环境通用模拟体系的构成 室外热环境通用模拟体系主要由空气模型、植物冠层模型、下垫面固体传热模型构成。其联合求解的思路为：植物冠层以体源的形式耦合到空气的流动、动量及能量方程中，采用热平衡方法与流场模拟计算耦合迭代求解；利用有限差分法求解固体表面的热平衡方程组得到地表和建筑物各表面温度，计算结果作为空气流场模拟计算的边界条件，由空气流场计算程序模拟得到整个计算区域空气的速度场和温度场。 其中，基于植物冠层长短波辐射透过的指数衰减规律，利用蒙特卡罗、杰勃哈特方法建立了非透明体、半透明体同时存在情况下的长短波辐射通用计算体系[1]、[2]。这样，如果知道植物冠层的叶面积指数（LAD）、形状、反射率、消散系数等参数，就可以准确模拟植物冠层对太阳短波辐射的反射、吸收、透过作用及其与周围环境的长波辐射换热，从而为研究植物冠层的辐射和热平衡计算、辐射热平衡、空气和下垫面热平衡、室外热环境辐射模拟和热舒适评价奠定了基础。 限于篇幅，本文只介绍空气模型、植物模型、下垫面模型及联合模拟方法，关于通用辐射体系的介绍请参看文献[2]。 空气模型 根据不可压缩粘性流体运动的N-S方程，考虑植物冠层对流动的影响，则有： 连续性方程： (i=1，2，3) (1) 动量方程： (2) 其中，Fd为冠层存在时起抵抗作用的添加项： (3) 考虑植物冠层存在影响的紊流动能输送方程为： (4) 其中Gk、Gb分别为紊流动能产生项、浮力产生项。此外，由于冠层作用的添加项为： (5) (6) 同样地，考虑植物冠层存在影响的紊流动能耗散率方程为： (7) 其中由于冠层作用的添加项为： (8) (9) 温度输送方程为： (10) 绝对湿度输送方程为： (11) 其中为水的汽化潜热。下标p代表植物冠层。在式(10)、(11)中，等号右边第2项分别为植物冠层与空气的对流换热量或湿交换量(、分别为对流换热系数和对流传质系数)。 上述方程中相关参数的计算和设定如下所示。 =1.8 =0.6. 植物模型 植物冠层中的能量方程为：