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1、建筑物排热对城市区域热气候的影响研究（1）长期动态模模拟及分析析哈尔滨工业业大学 朱岳梅 刘京 姚姚杨 马最最良摘要探讨城市特特定区域内内热气候的的形成机理理，特别是是建筑设备备排热在热热气候形成成中所起的的作用，对对于从建筑筑角度减缓缓城市高温温化进程和和热岛效应应、有针对对性地提出出改善室外外热舒适环环境、降低低建筑能耗耗的方法具具有重要意意义。本文文以某南方方城市大型型CBD规划划改造项目目为研究对象象，利用已已建立的城城市区域热热气候预测测模型，首首先设定基基本解析条条件，通过过长期动态态模拟，分分析了城市市化后室外外热气候特特征及室外外热平衡规规律。关键词 建筑物排热 数值模模拟 城
2、市热热气候 城市区域域热气候预预测模型1 前言随着我国城城市化进程程的迅猛发发展，以热热岛效应和和城市高温温化为代表表的城市热热气候问题题日益受到到关注。其其中以建筑筑物排热为为主的大量量城市人为为热的释放放被认为是是城市热气气候问题的的主要成因因，近年来来国内外相相继开展了了一些工作作。国内如如龙惟定等1从军团病、臭臭氧损耗、全球球气候变暖等方面面论述了建筑筑空调对室外气气候的负面影响，并并且从能源源效率、污污染物排放放量等角度度具体比较较了常用空空调冷源的性性能；陈大宏等22利用CFDD研究了多多层建筑空调室外机散散热所产生的上升升热气流对上层设备功效效的影响；国外如IIchinnose等
3、等3、鸣海等4分别利用大气气边界层气象模式式和城市冠冠层模型，通通过调用环境数据库，研究人人工排热对对城市气候候的影响，并并认为人工排排热在冬季所所起的作用用更大；原原山等55、原田田等6通过在CFD计算模型中中导入空调排热来研究空空调排热量对室外微热环环境的影响响。上述研研究有的局局限于定性性分析，有有的虽然考考虑了建筑筑物排热的的因素，但但未对不同空调系统所可能产产生的不同同热气候效效果作详细的讨论。另外，由于于城市和建建筑的特点点与发展水平、能能源结构、气候候条件、土土地构成等等的不同，国国外的研究究结果很难直接套用用到国内的的实际情况。基于上述分分析，本文文利用建立的的城市区域域热气候
4、预预测模型对对南方某大型型CBD区域域内的热气气候及能量量平衡关系系进行了系系统模拟分分析，重点定量量讨论建筑筑物排热在在城市热气气候中所起起的作用。2 制冷系系统排热计计算模型概要本研究重点点探讨夏季空调制冷系统排热对城市热气候的影影响。事实实上，建筑筑的夏季空空调排热除了受到到建筑负荷的影响响外，还与不同的的冷源系统统的性能有有关。本文文中选择电动水冷式式冷水机组组（活塞式式、螺杆式式、离心式式）、空气气源热泵冷水机机组、吸收式式冷水机组组（以直燃燃型代表）为研究对象，基本上涵盖了目前国内外市场上常用的冷源设备状况7。由空调系统排向大气的热量Q (W)的计算式为： （11）式中Htoota
5、l为为建筑空调全热负荷 (W)；COP为空调系统性能系数数，在有关关国家标准中均有有规定。对于电动水冷式式冷水机组组，严格的说，COP值与冷冻水出水温温度、冷却却水进水温度、换换热器传热表面的的污垢系数等等因素有关关。为简化计算起见，模型中中在冷冻水温度7/12oC，冷却水水温度322/37ooC的工况条条件下均设设为定值，分别取为3.9（活活塞式）、4.4（螺杆式）、5.0（离心式）；对于直燃吸收式冷水机组，COP设为定值，取1.0，对应冷水出水温度7oC，冷却水进水温度32oC；对于空气源热泵机组来说，COP受空气温度的影响不能忽略，如下图所示8：图1 空气气温度与空空气源热泵泵机组COO
6、P之间的的关系IP为负荷荷相关系数数。为简化计算过程，本文中引入负荷相关系系数的经验验计算方法法9，该值与负荷率lr、空气气温度Tair及冷冷水平均温温度Tw（本研究究中设为11oC）相关，可可表述为下式： （2）以上讨论的的均是分散散在各建筑筑物内的空空调冷源系统情况。近近年来区域域供冷系统统（Disttrictt Cooolingg Sysstem, DCSS）在国内外外得到了很很大发展。但区区域供冷半半径越大，区区域管道就就越长，管道冷冷损失就越不不能忽略。在在本研究中中冷损失附加率率按0.88%/1000m考虑10。在区域供冷冷系统中常采用用的蓄冷措措施所带来的能量量变化不予考考虑。同
7、时，由于区区域供冷在在部分负荷时采用台数数控制，并并不降低单单台制冷机机的性能，故故设为始终在满负荷下运运行。实际计算时时，将排热量按照系系统的显热和潜热的排放比比分别代入到大大气温度和和含湿量计计算模型中中。根据文文献，空气气源热泵机组、水冷式式冷水机组组、直燃吸吸收式制冷冷机的显热热比分别为1000%、12.55%、11.33%111。而直直燃吸收式式制冷机由由于燃气过过程伴随有有水蒸气的的散发，按照1MMJ热量对应38.4g的散散湿来考虑虑。大气、城市市下垫面、太太阳辐射以以及人体舒舒适性等计计算均根据据在日本九九州大学的的一维城市市冠层模型型AUSSSSM基础础上不断改改进完善形形成的
8、城市市区域热气气候预测模模型进行计计算122，13。以上开开发的制冷冷系统排热热计算模型型导入该预预测模型中中进行耦合合计算。3 计算概概要3.1 计计算对象和和计算条件件本文选择南南方某城市市大型CBBD区域规规划项目为为研究对象象（图2）。该该区域用地地总面积约约1.044km2，区域内内除主要的的商务办公公区外，还还包括商业业、娱乐、居居住、休闲闲等小的分分散功能区区。为简化化计算，本本研究中对对建筑类型型进行了统统一化处理理，认为均均为商务办办公类公共共建筑。从从中心商务务区的基本本功能定位位看可认为为这样的假假定是合理理的。图2 研究究对象规划划方案实际规划中中建筑物的的形状、体体积
9、、间距距均不尽相相同，本研研究中通过过统计方法法，按照城城市区域热热气候预测测模型的要要求简化为为大小尺寸寸相同、规规则排列的的办公楼群群，同时保保持实际规规划方案中中的建筑密密度（244.87%）、容积积率（1.98）。所所有建筑均均为层建筑筑面积27700m22、层高3.3m、层层数为8层的立方方体，长宽宽比采用11: 1。另外，根根据规划图图纸推算，绿绿化率（指指公共绿地地、宅旁绿绿地、公共共服务设施施所属绿地地和道路绿绿地）设为为48.666%、道道路广场用用地设为226.477%。根据据新颁布的的公共建建筑节能设设计标准（GB 5018922005），该城市所处气候区的外墙、屋面、外
10、窗传热系数K分别取 1.0、0.7和3.5Wm-2K-1。窗墙比设为0.3514。另外，本文文中先利用用中尺度大大气边界层层气象模式式HOTMMAC进行行广域计算算，然后提提取相应数数据作为城城市区域热热气候预测测模型的边边界条件。限限于论文篇篇幅，关于于这两种模模型的不同同应用及其其结合等内内容将于别别文中详细细介绍。3.2 建建筑物排热的设设定从研究对象象的性质看看，CBDD区域的人人工排热主主要以建筑筑物排热和和汽车排放放为主，可可不考虑工工业废热部部分。故办公建筑筑上班和空空调设定期期间均设为8:000-17:00。根根据新颁布布的公共共建筑节能能设计标准准（GBB 501189222
11、005），对对于节能办办公建筑，综综合不同类类型房间的的要求，人人员密度取取为6m2人-1，室内内电器设备备功率取为为16Wmm-2，灯光光照明取110Wm-22。负荷日日变动率根根据文献确确定155。室内内温度和相相对湿度分分别设定为为26oC和60%。根据对我国国空调冷源源使用现状状的大量文文献调查，研研究对象区区域内各冷冷源的使用用率分别设设定为螺杆杆式冷水机机组：离心心式冷水机机组：直燃燃吸收式冷冷水机组：空气源热热泵机组=4: 4: 1: 1。其中各各种电动冷冷水机组、直直燃吸收式式冷水机组组的排热通通过设置在在屋顶的冷冷却塔、空空气源热泵泵机组的风风冷机也安安置在屋顶顶。排热量量根
12、据式(1)计算算。另外，新新风量按照照30m3h-1人-1的设计计计算。另另外，本文文还根据参参考文献16，对对该地区机机动车尾气气排放的废废热量和日日变动比率率进行了设设定。4 计算结结果图3给出了了夏季典型型月期间白白天（8时-17时）城城市冠层内内气象参数数和室外舒舒适性指标标SET*值的频度度百分比。数数据除一次次太阳辐射射量为地面面平均外，均均为城市冠冠层内部的的空间平均均值。由图图可知，计计算期间内内气温的最最大频度出出现在300-32ooC的范围（占占总时间的的约55%），气温温大体处于于正常范围围；与温度相相比，平均均风速的频频度分布相相对分散，风速适中，大致属于1ms-1至2
13、.4ms-1内的微风（占总时间的80%）。由于建筑拖曳力的作用，没有出现超过3ms-1，甚至5ms-1以上的强风天气；含湿量大致在20-22gkg-1的范围内（占总时间的67%），总体上夏季空气较为湿润；太阳辐射的作用较为强烈，分布明显集中在200和300Wm-2之间（占总时间的约55%）；SET*的频度分布曲线形状与气温相似，但最大频度出现在35-37oC之间（占总时间的62%），与气温出现最大频度的数值相比高出5oC左右。另外，气温的波动幅度也比SET*值略大，这也反映了夏季室外热舒适除温度外，实际上还受到含湿量大、风速较小、太阳辐射较为强烈等多因素影响，在这些综合因素作用下热感觉始终保持
14、在较高的程度，即99%的时间将感到“热,不适”，而感觉“非常热，极不舒适”有发生中暑危险的时间达到68%。图3 气象象参数和SSET*值值（城市冠冠层内部空空间平均）的的月变动频频度百分比比分布分析城市冠冠层内部热热量平衡和和转换对于于探讨城市市热气候的的形成机理理，评估建建筑物排热热在城市热热气候形成成中所起的的作用都具具有重要意意义。与室室内环境不不同，室外外是相对开开放的空间间，本研究究首先以近近地边界层层顶端为上上边界建立立一假想的的封闭空间间，其内部部热量平衡衡关系见图图4。需要指指出的是，通通过左右侧侧边界的大大气水平输输入输出热热量由于封封闭空间外外部情况不不易确定，内内外温度差
15、差和含湿量量差不大，且且侧边界面面积要远小小于水平面面面积。根根据估算，这部部分输入输输出热量在在计算中完完全可忽略略不计。由由以上能量量关系，整整理计算期期间的数据据，可得计计算期间内内白天（8时-17时）能能量的收支支变化情况况（图5）和日累累积值（表表1）。其中中设定流入入热量（或或流出冷量量）为正，流流出热量（或或流入冷量量）为负。图4 城市市冠层内热热平衡概念念图图5 单单位区域面面积日热量量平衡的动动态变化首先从显热热方面，流流入假想空空间的热量量包括空调调冷源的排排热、交通通排热和各各下垫面（包包括建筑外外表面、路路面、草地地和裸土）排热等几部分。由表1可得城市空间各显热得热方式
16、的贡献度排序，分别为：下垫面传热（占总显热得热量的约60%）空调冷源系统排热（占总显热得热量的约33%）交通排热（占总显热得热量的约7%）。可见夏季下垫面传热和冷源系统排热是城市高温化的主要成因。由前文给出的本规划用地面积可进一步估算出对于一个比较典型的南方地区CBD来说，在夏季高温的近一个月期间内，冷源显热排热量大致为18.3kWhm-2区域。另外，由于室内空调设定温度较低，使得建筑排风实质上起到对室外气候提供冷量的作用，但这部分占总的显热量的比例很小（约5%）。总体上建筑物排热在城市热气候形成中起着较大的作用。另一方面，上述得热量除一大部分排出至大气边界层之外（约占总显热得热量的62%），
17、剩下的热量成为大气空气块的显热蓄热部分（约占总得热量的33%）。这实质上就是城市高温的直接成因。其次从潜热热方面，流流入假想空空间的热量量包括空调调冷源的排排热和各下下垫面（包包括建筑外外表面、路路面、草地地和裸土）的的排热等几几部分。由由于电动冷冷水机组在在空调冷源源系统中所所占份额很很大，使得得城市空间间各潜热得得热方式的的贡献度中中以空调冷冷源系统排排热（占总总潜热得热热量的约774%）为为主。下垫垫面传热（占占总潜热得得热量的约约26%）相相对不高，这这主要是由由于城市大大量不透水水人工表面面的利用导导致本来的的下垫面水水分蒸腾作作用大大削削减的缘故故。由前文文给出的本本规划用地地面积
18、可进进一步估算算出对于一一个比较典典型的南方方地区CBBD来说，在在夏季高温温的近一个个月期间内内，冷源潜潜热排热量量的累积值值约为688.6kWWhm-22区域。另外外，由于室室内空调设设定湿度相相对较低，使使得建筑排排风实质上上起到对室室外湿气候候起到干燥燥的作用，且且这部分占占总的潜热热量的比例例较大（约约17%）。综综合冷源潜潜热排热量量看，建筑筑物排热在在城市湿气气候形成中中起着主要要作用。另另一方面，上上述潜热得得热量除一一大部分排排出至大气气边界层之之外（约占占总潜热得得热量的770%），剩剩下的热量量成为大气气空气块的的蓄湿部分分（约占总总得热量的的12%）。由由于南方室室外的
19、背景景相对湿度度较高，导导致蓄湿量量不大。综上，建筑筑设备（包包括建筑排排风和冷源源系统）和和下垫面散散热在总全全热得热量量中所占比比例分别为为52.44%和44.22%，这两两方面因素素直接导致致了城市高高温高湿气气候的形成成。表Error! Bookmark not defined. 计算期间间内单位区区域面积热热量累积值值能量累积值/(kWhmm-2)显热边界层顶部部热通量-34.775建筑排风排排热量-2.711冷源系统排排热量18.266交通排热量量4.24下垫面排热热量33.388大气空气块块蓄热量-18.442潜热边界层顶部部热通量-64.449建筑排风排排热量-16.551冷源
20、系统排排热量68.611下垫面排热热量23.666大气空气块块蓄热量-11.227结论根据实际的的城市大型型CBD规规划设计方案，设设定基本解解析条件，通通过长期（典典型月变动动）动态模模拟，分析析了城市化化后室外热热气候特征征及室外热热平衡规律律。主要结结论如下：1）由于高高温高湿的的室外热气候及太太阳辐射作用，使使得绝大多数时间间的室外热舒适感恶劣，且偏偏离实际气温5oCC左右。在在典型月期期间，99%的时间将感到到“热”不适，而而感觉“非常热，极不舒舒适”，有发生中暑危危险的时间达到68%；另外，热热舒适感还与建筑布布局及方位位密切相关关；2）通过对对城市冠层内热平衡的长期动态分析可可知
21、，夏季季下垫面传热和冷源源系统排热是城市高高温化的主主要成因，分分别占总显热得热量的60%和33%，而而空调冷源系统排热则占总潜热得热量的约74%，是是城市气候候逐渐向高温高高湿化发展的主要要成因。由上述可知知，如果不不能很好地地处理现有空调冷源系统排热问题，仅仅依靠增增加绿地率来改改善城市热热气候是很很困难的。因此此有必要更更好地研究究和推广水水源热泵、地源源热泵系统等空调制冷方式式，以及自自然通风等自然能能源利用技技术，这对于降低低大气热负负荷、改善善城市热气候具有有重要意义义。参考文献1 王王长庆，龙龙惟定，丁丁文婷各各种冷源的的一次能耗耗及对环境境影响的比比较节能能技术22000, 1
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