城市綜合體建筑人為排熱及熱濕氣候動態預測

2015-09-21 01:41:08李芳芳劉俊躍張建利

哈爾濱工業大學學報 2015年2期

穆康，劉京，2，李芳芳，盧振，劉俊躍，張建利

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱;2.城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，150090哈爾濱;3.深圳市建筑科學研究院有限公司，5180492廣東深圳)

與單一功能為主的住宅社區、商業區等不同，城市綜合體一般由三種或三種以上功能類型的建筑群組成，各部分之間相互依存而形成緊湊有機整體，其體量和容積率普遍比單一功能城市區域要高;從用能特點看，城市綜合體中多種形式的能源系統并存，其能源應用和排熱隨時間、空間的變化規律都與單一功能的城市區域不同，因而城市綜合體被認為是一種新的可持續的城市生長方式而得到越來越廣泛的應用［1-2］.城市綜合體的上述特點也導致了其區域大氣熱濕氣候的特征、形成規律與單一功能的城市區域情況完全不同［3］.Bueno等［4］對圖盧茲市內的居住區和商業區、Ohashi等［5］對東京辦公區進行了熱排放與氣溫值的計算;陳宏等［6］以東京具有代表性的商務街區作為研究對象分析各類人為排熱對區域熱環境的影響.以上研究均以單一類型建筑街區為主要對象，對多種建筑類型并存的復雜城市綜合體室外熱氣候的研究相對有限.

本文結合城市綜合體的功能特性和用能特點，基于已有城市區域熱氣候預測模型，開發出針對多類型建筑并存的城市綜合體熱氣候預測模型，然后將此計算模型應用于深圳市某實際項目來研究城市綜合體內建筑人為排熱和熱濕氣候隨時間變化規律.

1 城市綜合體建筑人為排熱及熱濕氣候動態預測數值模型

本研究基于已開發的城市區域熱氣候預測模型［7-9］，該模型僅針對單一功能城市區域，由局地氣候模塊、建筑熱濕負荷計算模塊、太陽輻射計算模塊以及熱舒適性模塊等部分組成，各模塊間緊密聯系、相互影響，從而獲得城市區域內熱濕氣候和能量交換的動態計算結果，此模型已通過實測研究驗證了其合理性［10］.在此模型基礎上，本研究在對現有城市綜合體構成進行調研的基礎上［2］，分別建立居住、辦公、商業金融、賓館、體育、文化娛樂、學校、圖書館、醫療等9類城市綜合體內常見建筑類型的相關數據庫，將原有的單一建筑類型城市區域熱氣候預測模型中的各計算模塊進行相應擴充，構建成新的城市綜合體熱氣候預測模型.該新模型可按照實際城市綜合體區域內各類型建筑的組合關系和比重，將不同類型建筑圍護結構熱濕物性、空調制冷系統種類與運行時間、室內空調設定溫濕度、換氣次數、室內逐時顯熱潛熱散熱量等數據同時輸入，實現了多類型并存時的建筑負荷、人為排熱量、相應的城市綜合體內熱濕氣候之間動態耦合模擬.模型基本框架見圖1.

圖1 城市綜合體區域熱氣候計算模型基本框架

某類型建筑內房間熱濕負荷計算:

式中:Cp為空氣比熱，kJ/(kg·K);ρ為空氣密度，kg/m3;V為容積，m3;θ為溫度，℃;t為時間，s;A為室內各壁面面積，m2;·m為新風量，kg/h;Hg為建筑內部人員、照明、電器設備等的產熱量，W;Ha為空調系統制冷量，W;X為含濕量，g/kg;Lg為建筑內部產濕量，g/h;La為空調系統除濕量，g/h;另外，下標變量m為建筑類型;i為該類型建筑中的某房間，j為房間內某壁面，上標變量r代表室內參數，o代表室外參數．

由某類型建筑空調制冷系統帶來的排熱量如式(3)所示，區域內所有建筑向大氣排放的全熱、顯熱及潛熱排熱量計算如式(4)～(6)所示，同時考慮系統不同，排熱高度的空間差異對排熱計算的影響:

式中:Q為空調排熱量，W;Htotal為空調全熱負荷，W;COP為制冷機組性能系數;ⅠP為制冷機組負荷相關系數［9］;η為某類型建筑面積占區域內總建筑面積百分比;ε為某類型制冷機組系統的顯熱比［9］;M為計算對象區域所包含建筑類型總數;L為計算對象區域中各類建筑采用的空調制冷系統類型總數，本模型中考慮了包括離心式冷水機組、空氣源熱泵機組等多種常見制冷機組系統的排熱特性．另外，下標變量l為制冷機組類型．

2 實際城市綜合體熱濕氣候動態評估

2.1 概要

以深圳市某實際規劃項目為模擬對象，該規劃項目用地中民用建筑總面積約占132.94萬m2，建筑容積率為1.89，是一個典型的城市綜合體，主要包括3種類型建筑:商業建筑、居住建筑和辦公建筑.

計算期間選取夏季典型月［11］7月—8月的4周時間，計算期間內平均氣溫接近28℃，最高氣溫為34℃;除個別日期外，整個計算期間內的含濕量值也較高，平均值達到20.53 g/kg，平均相對濕度達到75%;另外，計算期間內平均風速水平適宜，約為2.76 m/s;水平面全天太陽輻射強度為159 W/m2，最大值達到1 314 W/m2.綜上，該地區在計算期間內表現出高溫、高濕、太陽輻射強的特點.

通過對區域內的建筑物布局進行統計分析，將不規則的建筑布局簡化為整齊的方形建筑群，確定該區域內各種下墊面的覆蓋率分別為:29%(建筑)、41%(不透水人工路面)、14%(草地)和16%(樹木).各類型建筑圍護結構熱工參數、空調制冷系統設定參數等參考當地建筑節能設計標準［12-13］，主要計算條件見表1，各類型建筑的負荷日變化率［12-13］如圖2～4所示.另外，城市交通產生的汽車廢熱排放也必須考慮.根據文獻［14］中給出的繁忙路段機動車尾氣排放的廢熱量和日變動比率，并考慮到城市發展規模、同一城市內部具體區域交通性質的差異，本對象區域交通廢熱峰值按8 W/m2取值，其日變化率見圖5.

表1 城市綜合體區域內各類型建筑參數及空調參數設定

圖2 負荷日變化率(居住建筑)

圖3 負荷日變化率(商業建筑)

圖4 負荷日變化率(辦公建筑)

圖5 交通流量日變化率

2.2 計算結果及分析

基于建立的城市綜合體區域熱氣候計算模型，開發出了相應動態預測軟件，利用此計算模型及模擬軟件，并結合深圳實際規劃項目來研究城市綜合體區域內的熱氣候.圖6為軟件部分計算參數輸入界面示意圖.

圖6 計算參數輸入界面

2.2.1 城市綜合體內典型日各類建筑人為排熱計算

不同類型建筑的功能不同，其建筑圍護結構及室內人員活動規律也不同，導致不同類型建筑內部的負荷逐時變化規律、采用空調制冷系統的形式等都存在明顯差異，最終使得各類建筑人為排熱隨時間變化規律和數值大小上也各有不同，選取計算期間內室外平均溫度最高的第11日作為典型日，對此城市綜合體內居住、辦公、商業建筑人為排熱的逐時變化量進行模擬計算和分析，其結果與當日氣象數據見圖7.

對建筑排熱的時間分布規律進行分析，辦公、商業、居住建筑的排熱時間分別集中于各自空調系統啟閉時間段08:00—18:00、09:00—21:00、17:00—23:00內，因此，單一類型建筑排熱隨時間分布變化規律主要受該類型建筑功能特點影響，其建筑排熱時間相對集中;與單一類型建筑區域不同，由于城市綜合體區域內同時包含3種功能類型建筑，因此該區域內建筑排熱隨時間分布較為分散，該城市綜合體在全天大部分時間8:00—23:00里都存在較大量的建筑人為排熱，從而對區域內室外熱濕氣候產生了長時間持續性的影響.

圖7 典型日氣象參數變化及建筑人為排熱量逐時變化曲線

另外，從建筑排熱的峰值大小和出現時間來看，城市綜合體內建筑的顯熱、潛熱排熱峰值約為57 W/m2和65.5 W/m2，分別出現在17點和14點，這是因為按設定條件，居住建筑采用分體式空調機形式，建筑人為排熱全部以顯熱形式向外排放，顯熱排熱的規律主要體現居住建筑空調制冷系統的使用特點;而辦公建筑與商業建筑采用電動水冷式冷水機組形式，以顯熱和潛熱兩種建筑人為排熱形式向外排放，其中潛熱排熱占總排熱量70%～80%的較大比例，潛熱排熱的規律主要體現辦公和商業建筑空調系統的使用特點.由于各類型建筑所占比重及排熱時間規律不同，全熱排熱的峰值出現在17點，由居住、辦公及商業建筑的排熱共同構成，約為86.9 W/m2.可以發現由于不同類型建筑排熱錯峰的效果，實際上的排熱強度要低于125～190 W/m2等很多文獻中單一類型建筑區內空調排熱估算值［4，15］.

2.2.2 城市綜合體內大氣長期動態熱平衡分析

為了實現對城市綜合體區域這一相對開放的室外空間進行熱量平衡和轉換分析，本研究以近地邊界層頂端為上邊界建立一個假想的封閉空間，其內部熱量平衡關系見圖8.其中，由于研究對象封閉空間的外部氣象參數不易確定，左右側邊界處的溫度差、含濕量相差不大，并且側邊界處的面積相比上下側水平邊界的面積很小可以忽略，因此該研究不考慮流經左右側邊界處的熱量.

根據以上能量關系，采用文獻［9］提出的研究方法，可得整個計算期間內，此城市綜合體區域對應的大氣空間內全熱通量收支的日平均值變化情況，見圖9.設進入區域大氣空間的熱量(或流出冷量)為正，流出的熱量(或流入冷量)為負.

圖8 城市冠層內熱收支概念圖

圖9 單位區域面積大氣全熱收支日變化

城市綜合體冠層內全熱排熱主要包括建筑人為排熱、下墊面排熱及交通排熱等部分，在整個計算期間，建筑人為全熱排熱日平均值為77 W/m2，該部分全熱排熱總量占區域內總全熱排熱量的比例最大，約為62.1%;下墊面全熱換熱的日平均值為48 W/m2，該部分全熱排熱總量占區域內總全熱排熱量的比例約為34%;交通排熱的日平均值為5.43 W/m2，該部分排熱總量占區域內總全熱排熱量的比例為3.9%，另外，全熱得熱總量中除了大約44.7%的熱量排出至大氣邊界層之外，其他55.3%的全熱排熱量成為大氣空氣塊的蓄熱部分，最終造成該區域的持續高溫高濕狀態.

由以上數據分析及圖9所示，城市綜合體內建筑排熱受空調系統使用規律影響而隨時間變化，且其日均值及排熱總量所占比例最大，成為該區域內全熱得熱的最主要來源;居于其次的是該區域內下墊面換熱量，其日均值和排熱總量所占比例也保持較高水平，分析原因主要是由于該區域內不透水人工路面覆蓋率為41%，而草地和樹木覆蓋率僅為14%和16%，高覆蓋率的不透水人工表面一方面大大削弱了城市下墊面水分蒸發作用，另一方面不透水人工表面日射吸收率高于樹葉和草地，導致其在白天吸收大量的太陽輻射并通過對流換熱向大氣釋放更多熱量.綜上，整個計算期間建筑排熱和下墊面換熱均保持較大強度并各自具備時間分布特點，它們是城市綜合體熱氣候形成并長期波動的主要因素.

2.2.3 城市綜合體與單一城市功能區域的局地熱島強度對比分析

為進一步分析城市綜合體區域熱濕氣候的特點，利用已建立的計算模型，分別對包含多類型建筑的實際城市綜合體、以及僅包含單一建筑類型的城市功能區等多個算例在計算期間內的平均局地熱島強度進行對比計算，各算例中除了各類建筑熱濕負荷模塊的相關設置不同以外，區域內氣象數據、下墊面參數、建筑布局等其他參數的設定均相同.

其中平均局地熱島強度通過以下兩個工況進行對比計算，以反映對象區域的城市化進程對熱氣候的影響:1)實際工況對應于本文2.1節中所設定的深圳市某實際規劃項目的城市綜合體下墊面構成和城市人為排熱參數的實際算例，反映該區域熱氣候現狀;2)基準工況對應于對象區域之外的郊區狀況以作為實際工況的對比算例(郊區以居住建筑為主，其建筑容積率為0.7，各種下墊面的覆蓋率分別為12%(建筑)、10%(不透水人工路面)、41%(草地)和37%(樹木)).平均局地熱島強度=(同一計算期間實際工況下1.2 m高度平均氣溫)-(同一計算期間基準工況下1.2 m高度平均氣溫).

表2中給出了各算例在白天、夜間及全天不同時間段內的平均局地熱島強度計算值.總體來看，所有算例在白天時段的熱島強度值均小于夜間值，且全天平均局地熱島強度值處于較高水平.深圳市氣象局采用相同指標實測發布的夏季平均城市熱島強度值為1.17℃［16］，說明本文各算例的模擬結果較為合理，其中實際城市綜合體區域熱島強度值要偏高于深圳市平均水平.不同性質的城市區域體現出來的熱島強度規律不同:居住區白天的熱島強度值最低，比辦公、商業等公共建筑區域低0.25℃左右，而夜晚的熱島強度值則要高0.3℃左右.以辦公或商業建筑為代表的公共建筑區域表現出與居住建筑相反的特點.對比之下，實際城市綜合體受到各類型建筑人為排熱不同時間規律的共同影響，白天和夜間的熱島強度值都維持在較高水平，因而城市綜合體全天的熱島強度平均值在各算例中最大.同時，城市綜合體在整個計算期間的熱島強度峰值也比其他算例要高0.1～0.45℃.

表2 計算期間內不同時段各算例的平均局地熱島強度值 ℃

3 結論

1)由典型日數據可以看出，不同于單一類型建筑排熱時間相對集中，該南方典型城市綜合體在全天大部分時間段里都存在建筑人為排熱，全熱排熱峰值出現在17點約為86.9 W/m2，區域內建筑人為排熱的規律主要體現各類建筑空調制冷系統的使用特點.

2)整個計算期間，建筑人為排熱總量占區域內總全熱排熱量的比例最大，約為62.1%，其次是下墊面換熱量，所占比例為34%，說明建筑人為排熱和下墊面換熱是城市綜合體高溫氣候形成的主要因素.

3)與單一城市功能區的熱島強度值相比，城市綜合體在白天和夜間時段的熱島強度值均處于較高水平，使得城市綜合體的熱島強度無論是日均值還是整個計算期間峰值都比單一城市功能區相應的熱島強度值高約0.1～0.45℃.

［1］董賀軒，盧濟威.作為集約化城市組織形式的城市綜合體深度解析［J］.城市規劃學刊，2009(1):54-61.

［2］施瑛，潘瑩.高效低耗集約化的城市綜合體研究［J］.華中建筑，2010，28(6):36-39.

［3］ICHINOSE T，SHIMODOZONO K，HANAKI K.Impact of anthropogenic heat on urban climate in Tokyo［J］.Atmosphere Environment，1999，33(24/25):3897-3909.

［4］BUENO B，NORFORD L，PIGEON G，et al.Combining a detailed building energy model with a physically-based urban canopy model［J］.Boundary-Layer Meteorology，2011，140(3):471-489.

［5］OHASHI Y，GENCHI Y，KONDO H，et al.Influence of air-conditioning waste heat on air temperature in Tokyo during summer:numerical experiments using an urban canopy model coupled with a building energy model［J］.Journal of Applied Meteorology and Climatology，2007，46(1):66-81.

［6］CHEN Hong，OOKA R，HUANG Hong，et al.Study on mitigation measures for outdoor thermal environment on present urban blocks in Tokyo using coupled simulation［J］.Building and Environment，2009，44(11):2290-2299.

［7］劉京，姜安璽，王琨，等.城市局地-建筑耦合氣候評價模型的開發應用［J］.哈爾濱工業大學學報，2006，38(1):38-40，55.

［8］朱岳梅，姚楊，馬最良，等.室外環境熱舒適性模型的建立［J］.建筑科學，2007，23(6):1-3.

［9］朱岳梅，劉京，姚楊，等.建筑物排熱對城市區域熱氣候影響的長期動態模擬及分析［J］.暖通空調，2010，40(1):85-88.

［10］朱岳梅，劉京，荻島理，等.城市冠層模型的擴展與驗證［J］.建筑科學，2007，23(2):84-87，103.

［11］中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［12］SZJG29—2009公共建筑節能設計標準-深圳市實施細則［S］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［13］SJG 10—2003深圳市居住建筑節能設計規范［S］.深圳:深圳市建設局，2003.

［14］佟華，劉輝志，桑建國，等.城市人為熱對北京熱環境的影響［J］.氣候與環境研究，2004，9(3):409-421.

［15］田喆，朱能，劉俊杰.城市氣溫與其人為影響因素的關系［J］.天津大學學報:自然科學與工程技術版，2005，38(9):830-833.