基于数值模拟的室外热环境实测测点温度表现度研究

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论文字数:72155 论文编号:sb2021022619453834726 日期:2021-03-14 来源:硕博论文网
本文具体工作和主要结论如下:1. 通过文献调研,对实测前期的准备工作和实测过程来进行梳理初步完善了室外热环境实测的整个流程。实测的前期准备工作包含实测区域调研,实测具体时间段的选择,实测日期的选择,仪器的选择和校对以及对现有测点的布置方式进行了总结。将现有测点的布置方式归纳总结分成了三类:基于周围具体环境条件进行某些因素对比的控制变量布置法、基于预先试测和流动观测结合数值模拟结果的综合测点布置法、基于集总参数法的中央测点布置法,并得出第一种基于某些因素对比的控制变量布置法是现在应用最为普遍的布置方法。

第一章 绪论

1.1 研究背景
在城市化的进程中,人们一直以营造良好的生活和工作环境为目标,早期的研究者们密切关注着与人类息息相关的室内环境质量及舒适性,但随着城市现代化进程的逐步加快和经济的高速发展,人们对生活品质开始提出了更高的要求,室外环境的质量也开始成为衡量人们生活水平的最重要标准之一。在室外环境的诸多特征中,热环境常常是决定人们是否会使用室外空间的重要因素,它直接影响着人体在室外活动时的身体健康和热舒适,同时也会通过外围护结构作用于室内环境从而间接影响建筑能耗,在整个城市环境中占据着重要地位。良好的室外热环境能促进人体身心健康的发展,也是城市建设进行整体可持续发展的必备基础条件。改善室外热环境,提高室外热环境质量和舒适度,将在促进人与人之间的交往、社会经济的整体发展等方面起到极其重大的作用。
室外热环境是作用在建筑外围护结构上的所有热、湿物理因素的总称[1],将建筑物本身、周边环境下垫面、室外空气、植被等作为研究对象,包含的物理参数有空气温度、空气湿度、太阳辐射、风速风向等,准确地获取这些参数对热环境相关领域的研究有着重大意义。然而室外环境复杂多样且影响因素较多,是一个可以随时根据外界气候条件而发生变化的综合动态环境,不能通过常规室内环境干预措施如改善采光照明、采暖以及通风、空气调节等来保证质量和人员舒适度,这就对室外热环境的研究方法提出了更高的要求。
在众多研究方法中,实测是热环境相关研究开展的基础和必备手段,对实测得到的数据进行分析可以进一步探讨热环境的影响因素,研究室外热环境和人之间的关系和对未来的城市建设进行良好的规划。针对室外热环境的实测与室内热环境实测又有着较大差别,室内环境一般在人为可控范围内,进行实测时的难度相对而言较低,室外实测则存在着各种不确定因素,动态的热环境物理参数往往变化幅度较大,且各参数之间又相互影响、相互作用,大幅度增加了现场操作中的难度。采用合理完善的实测方法是得到准确物理参数的前提,在整个实测过程中,测点的布置在较大程度上影响最终的物理参数结果。科学合理的测点布置能提高实测结果的准确性和可靠度,因此探求实测测点的表现度有着较大的实践意义。根据实际下垫面、绿化情况分析不同情况下的表现度有助于对实测过程进行优化,可以进一步完善整个实测流程,从而获得更准确的实测数据。室外热环境实测无法进行可重复性操作,如何尽可能地完善实测过程,明确测点温度表现度,研究不同情形下测点温度表现度的变化从而促使实测数据更准确和具有代表性,这是一个值得探求的实际问题。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 城市热环境研究
尺度通常将城市热环境的研究分为不同类型的尺度,各个尺度的热环境并不是相互独立存在的,彼此间也有着一定的联系。不同尺度的范围对应着室外环境中不同的空间要素组成形式,分别有其适用的相关理论原理和与之紧密联系的研究方法,因此在对室外热环境进行研究前有必要对研究尺度进行明确的划分。学者 Oke 提出的三种尺度划分方式得到研究者的广泛认同和接受:(1)中尺度,又称城市尺度,即研究整个城市区域及沿着该区域水平方向扩展的周边地区;(2)局部尺度,也称街区尺度,在街区空间分布上进行更为具体详尽的研究,包括不同类型建筑物的大小和彼此间的距离、周边环境具体的景观特征等,比较典型的尺度单位为几公里;(3)微尺度,研究某地区一栋建筑物或几栋建筑物周边的室外热环境,范围从数十米延伸至数百米,涉及单个建筑、树木、道路、庭院等[2]。城市热环境多尺度时空特征图如图 1-1 所示。
图 1-1 城市热环境多尺度时空特征图(a.中尺度 b.局部尺度 c.微尺度)
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第二章 室外热环境实测方法

2.1 相关领域说明
现有研究中对室外热环境实测过程的详细描述集中在篇幅较长的各大高校硕博论文中,期刊论文由于版面限制对该部分的描述并不算详尽,因此本章重点选择了2004-2018 年各大重点院校的 50 篇室外热环境实测内容具体的硕博论文和 45 篇引用频次较高的英文期刊文章进行研究分析,侧重点聚焦于实测前期准备工作和实测过程两方面的内容,同时对研究者所属的科研机构及团队并结合以往发表的科研成果进行了综合分析。
从结果中可以发现涉及热环境实测的研究领域呈现出多样化的分布,具体的研究领域涉及建筑学中的建筑基础科学,包含建筑物理学以及城市规划等,还有部分研究涉及到农业科学中的园林绿化以及气象学中的气候学等,这也说明进行室外热环境实测工作的学科范围广泛,是一个多门学科交叉的综合性问题,各个学科之间可以相互参考,有助于研究方法的进一步拓展。
图 2-1 涉及热环境实测的研究领域
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2.2 实测前期准备
2.2.1 实测区域调研
为了获得有价值的资料,进行实测的地区和位置应该具有一定的代表性,且有必要做充分的前期准备,如调研实测区域的实际特征,包括地理位置、周边环境、人流与密度等,对此类信息尽可能作一个概况说明。可以发现,现有的热环境实测大部分集中于和人们生活息息相关的住宅小区,除了居住小区外,还有普遍存在的校园、商业区,街道等。旅游景区,剧院,公交站台这类人流量密集的建筑也开始逐步纳入学者们的研究范围。这说明人们对室外热环境的探索已经开始不局限于某些特定类型的建筑,随着生活品质的提高,人们对不同类型建筑的室外环境也在逐步提高要求,这就导致了研究范围的进一步扩大,因此对于不同的建筑类型而言,研究者们有必要确定具有针对性的调研方法。
在前期准备的过程中,了解选择区域的全年气候特点对该地区室外热环境的深入研究有着重大的意义[25]。对气候特点的了解包含很多方面,首先是要了解研究地区的气候背景,包括寒冷或炎热情况、干湿状况和日照时间等,其次也要了解一些具体的气候资料,包括四季的主导风向,风力强度,年降水量的大小等。对于一些气象数据也有必要了解:热工分区、月平均温度、月极端温度、气温年较差、年平均气温日较差、年平均相对湿度、年降雨日数、年降雨量、年太阳辐射总量和年平均风速等[26]。
现有研究中大部分都包括了对实测区域的调研情况,但由于没有统一的方法指导,关于区域调研部分的内容大多广泛粗略。在实地调研过程中可结合园林规划中的室外景观调查方法,采用摄影、测量、观察等手段调查区域的以下三类情况[27]:
(1)基址状况,基址状况主要包括当地地形特征、土壤类型、植被覆盖情况等自然因素以及构筑物等人工条件,室外环境是在基址的基础上形成的,基址中的自然因素和人工因素对室外环境的影响是最基本的,因此研究某区域的室外热环境,首先应该明确该区域所处的具体区位,主要地形因素如是否利用通风和形成局地环流等[28];
(2)用地结构和布局,主要体现在建筑布局,不同下垫面类型和组合等方面,不同开敞空间布局的设置对热环境有着重要的影响;
(3)绿地与水体的分布,绿地是室外环境中最重要的冷量来源,也是给室外环境降温最有效的方法之一。绿地规模、绿地配置、绿地形态和布局等方面的差异都会对室外环境的降温强度和范围产生极大的影响。水体的蒸发则能调节周围环境中的温湿度,这两个都是室外热环境中极其重要的影响因素。
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第三章 实测测点温度表现度及相关实验........................37
3.1 实测测点温度表现度定义......................37
3.2 实测测点温度表现度影响因素.......................38
3.3 测点温度表现度实验.......................40
第四章 不同因素对测点温度表现度的影响模拟研究........................47
4.1 ENVI-met 软件简介..........................47
4.2 测点温度表现度计算方法...............................48
4.3 不同形式公共绿地测点温度表现度模拟分析...............................49
第五章 结论与展望..............................92
5.1 结论...................................92
5.2 展望.................93

第四章 不同因素对测点温度表现度的影响模拟研究

4.1 ENVI-met 软件简介
城市热环境模拟软件 ENVI-met 是由德国 Micheal Bruse 教授及其团队开发,在考虑城市热环境构筑物表面,植物和空气间相互作用的基础上应用。适用于调查和研究各类城市物理参数,如建筑物热工性能分析、探讨不同类型土壤或植物对环境产生的影响等。软件由三维主模型、一维边界模型、土壤模型以及嵌套网格所组成。
三维计算模型主要包含区域内建筑、绿化、水体和下垫面等主体参数,既包括计算空气流动和湍流等流体力学特征,也包括地表、屋顶、墙壁和植物之间的热力学过程。在计算过程中会考虑到不同类型的辐射影响,包括直接辐射、间接辐射、散射辐射,长波辐射等。时间步长最大为 10s,时间量级介于 24h 到 48h 之间。
一维边界模型是在竖直方向上将三维主模型的边界条件与 2500 米的大气边界条件建立联系,实现二者间边界条件的延续与转换,增加模拟结果的准确性,这种方法用较小的网格覆盖尽可能多的空间,满足了模型变量在垂直方向上对运算精度的要求。
ENVI-met 软件网格分辨率可以设定在 0.5m-10m 之间,网格数最大为 250×250×30。通常情况下,网格分辨率越小则计算越精细,网格的大小根据模拟区域的大小以及模拟要求的精细程度决定。建模区域紧临边界会让模拟结果产生较大偏差,为了减小边界对输出结果造成的影响,在主模拟区域周围使用嵌套网格,让模拟的边界远离模拟中心,使得初始输入条件在进入模拟区域之前得到充分发展,真实地还原实际的气候条件,并可以设置嵌套网格的下垫面属性和用地类型,如道路、水体、裸土等,提高模拟准确度。
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第五章 结论与展望

5.1 结论
本文通过对近年来室外热环境有关实测的内容进行分析研究,初步概括了室外热环境实测的整个流程,总结得到了实测的主要影响因素。并基于空气温度这一主要热环境参数定义了测点温度表现度,并以居住区为例,分析不同形式公共绿地和绿化道路测点温度表现度的变化规律,研究不同因素对测点温度表现度的影响,具体工作和主要结论如下:
1. 通过文献调研,对实测前期的准备工作和实测过程来进行梳理初步完善了室外热环境实测的整个流程。
实测的前期准备工作包含实测区域调研,实测具体时间段的选择,实测日期的选择,仪器的选择和校对以及对现有测点的布置方式进行了总结。将现有测点的布置方式归纳总结分成了三类:基于周围具体环境条件进行某些因素对比的控制变量布置法、基于预先试测和流动观测结合数值模拟结果的综合测点布置法、基于集总参数法的中央测点布置法,并得出第一种基于某些因素对比的控制变量布置法是现在应用最为普遍的布置方法。
实测过程包括实测内容和实测条件的改善以及实测仪器的防辐射,分析了普遍使用的自制防辐射装置、百叶箱和可拆卸防辐射百叶罩的优缺点,提出现有的防辐射装置都存在着不方便携带与安装的问题,采取的通风方式基本为自然通风无法完全消除太阳辐射的影响,对于装置的固定方式较为单一,无法满足不同高度的实测需求。并从安装方式和通风手段两个方面提出了改进建议,提出安装式应该更加多样化满足不同实测的需求,而通风手段方面则可安装强制通风设备如小型风扇来加强散热,同时也可以设置滤网来阻挡灰尘。
参考文献(略)

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