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1、利用改进的CTTC模型对住区热环境进行预测与评价摘要: 利利用改进的的CTTCC模型并结结合CFDD模拟方法法,可预测测和评价住住宅小区不不同区域内内的热环境境以及太阳阳辐射、绿绿化措施以以及建筑布布局的影响响,对改善善住区居住住环境起良良好的指导导作用。本本文介绍了了改进的CCTTC模模型及在此此基础上模模拟预测小小区不同区区域内逐时时气温的方方法,同时时给出了小小区不同区区域热环境境的评价指指标,结合合实例进行行了模拟计计算和评价价分析。 关键词: CTTTC模型 CFD 热环境 太阳辐射射 绿化措措施 居住住环境1、研究背背景随着居住质质量的提高高,人们在在追求生活活品质的同同时更多要要
2、考虑如何何使自己健健康长寿。住住区设计是是否以人为为本,住区区的硬环境境与居住者者的心理、生生理需求吻吻合与否,将将直接影响响到人们的的生活质量量,也正日日益成为房房地产开发发商和购房房者共同关关心的话题题。住宅社社区拥有了了高品质的的室内外人人居环境,适适宜的温湿湿度和较低低的辐射不不仅会给居居民室外生生活带来舒舒适与健康康,同时也也可通过传传热、辐射射、对流、自自然通风等等形式降低低住宅维护护结构的外外表温度及及室内气温温,在提高高了居民室室内外生活活质量的同同时,可有有效地降低低住宅的采采暖空调能能耗,降低低对环境的的污染,意意义之重大大勿容质疑疑。基于上上述问题,很很有必要对对住区环境
3、境进行分析析与评价,其其结果将对对住区的设设计规划提提供重要的的参考意见见。 住区建筑热热环境的评评价内容主主要是考察察人们在室室外生活时时切身感受受到的如室室外温度、湿湿度、太阳阳辐射、气气流组织和和绿化状况况等微气候候参数。其其中温度作作为人们感感受居住环环境好坏的的特征参数数,综合反反映了如住住区的太阳阳辐射及绿绿化状况等等其它因素素的作用,对对评价住区区周围热环环境至关重重要,也是是影响人们们在室内外外生活质量量的主要因因素之一。 根据所在地地区的典型型气象温度度数据并结结合住区建建筑布局、下下垫面材料料、绿化等等已知条件件,利用改改进的CTTTC模型型并结合用用CFD工工具模拟而而得
4、的住区区风场分布布数据,可可预测小区区不同位置置小范围内内的逐时气气温,进行行比较并给给出评价;所得结果果既可为居居民选择适适合个人习习惯的工作作生活环境境提供参考考意见,同同时也能为为改善小区区热环境指指明方向。 2、计算模模拟说明2.1 改改进的CTTTC模型型在建筑群集集地区,小小区不同位位置的热环环境受相邻邻位置的建建筑材料、结结构和布局局、小区下下垫面、绿绿化情况、水水景设施以以及交通和和家用等人人为排热因因素的影响响,可能会会使局地气气温出现热热岛或冷岛岛、滞后或或提前等现现象。CTTTC(CClustter TThermmal TTime Consstantt)集总参参数模型把把
5、特定地点点的温度视视为几个独独立过程温温度效应的的迭加,用用公式表示示如下11:(1)这里是局部部空气温度度变化的基基准(背景景)温度;是太阳辐辐射造成的的空气温升升,是长波波辐射造成成的空气温温降。 改进的CTTTC模型型认为22,可以以对城市建建筑群和气气象站分别别列出方程程如下:(2)(3)根据(2)(33)两式可可导出:(4)改进模型中中的建筑群群空气温度度( )就就可以用气气象温度加加上气象站站和建筑群群两地因太太阳辐射和和长波辐射射造成温差差的差值来来表示。气气象站处的的空气温度度是经过逐逐时精确测测量的,这这样就可以以避免因为为基准温度度选取不准准而导致的的误差。 从以色列的的S
6、waiid和Hooffmaan19886年对耶耶路撒冷三三个建筑群群的实验以以及澳大利利亚的Ellnahaas和Wiilliaamsonn19933年对阿德德莱德市阿阿德莱德大大学北平台台校区的两两个“峡谷”的实验来来看,利用用CTTCC模型预测测的空气温温度和测量量的空气温温度显示出出了很好的的吻合性。 为了能更准准确地计算算住区不同同位置的建建筑群空气气温度,笔笔者针对CCTTC模模型主要提提出了以下下改进33,并编编制成计算算机模拟程程序: 1) 将二二维模型扩扩展为三维维模型,使使空气温度度所对应的的计算区域域更为合理理; 2) 考虑虑了建筑壁壁面即“峡谷”两侧的太太阳辐射,使使之更符
7、合合实际情况况; 3) 完善善了三维的的建筑天空空视角系数数的计算方方法; 4) 根据据北京的调调研情况,修修正了住宅宅小区人为为热量(包包括家庭排排热及交通通排热)的的计算方法法; 5) 重新新考虑了住住宅小区内内绿化的作作用,并把把水景设施施的影响也也纳入到模模型之中。 计算时需要要输入相关关的小区特特征物理量量,如建筑筑布局参数数(如建筑筑间距、建建筑高宽比比、小区特特征高度等等参数)、小小区户数、不不同区域内内风速及绿绿化率、人人为热以及及水景设施施参数等。图1 某住住宅小区整整体鸟瞰及及温度环境境区域划分分图 2.2 模模拟计算思思路基于上述思思想预测和和评价住区区不同位置置的温度环
8、环境,可按按照以下步步骤进行: 1) 选择择住宅小区区所在地区区的典型气气象数据作作为气象站站(城市远远郊)的空空气温度; 2) 利用用英国帝国国理工学院院CHAMM研究所开开发的CFFD模拟软软件PHOOENICCS模拟小小区不同位位置风场分分布; 3) 利用用改进的CCTTC模模拟计算程程序,计算算小区内不不同位置的的温度。 值得指出的的是,根据据模拟结果果而给出的的小区内不不同位置的的温度环境境评价只是是一个相对对评价,但但它充分反反映了小区区内不同位位置在一天天内的气温温的相对分分布情况,依依然具有很很强的指导导意义。 3、计算实实例图1所示的的是为北京京某住宅小小区进行热热环境评价价
9、时的整体体鸟瞰图以以及温度环环境区域划划分图,表表1给出了了进行模拟拟计算时小小区内各区区域的主要要数据。主主要选择北北京过去几几十年间夏夏季某一代代表日(如如7月166日)的气气象温度进进行模拟和和分析比较较。表1 小区区不同位置置的热环境境计算工况况说明 小区朝向小区面积SS(m2)小区定型高高度H小区建筑平平均间距WW小区户数天空视角系系数SVFF小区主导风风速(m/s)水景布置权权重系数小区绿化率率交通排热权权重系数家庭排热权权重系数老区南北600018282000.65200.2500.5S1南北19200036327000.6710710.3210.5S2南北92003632700
10、0.64200.201W1南北945050453000.641.700.3200.5W2-1南北19950045706000.691.71.50.341.50.5W2-2南北735045253000.63200.201W2-3南北10500042502500.6520.50.320.51W3-1南北12750042508500.611.710.340.50.5W3-2南北12750042508500.61200.201E1南北540032202000.62200.2510.4E2南北10500038505500.631.500.320.51.1E3南北900042505000.651.500.
11、340.51E4南北10000038406000.611.500.320.51.2计算说明: 1、假设为为晴稳天气气,小区主主导风速为为2m/ss,并结合合PHOEENICSS模拟小区区不同位置置风场分布布结果; 2、交通排排热权重系系数根据划划分区域所所处交通位位置及小区区户数权衡衡确定; 3、家庭排排热权重系系数根据小小区户数确确定(以5500户为为1),并并参考饮食食店铺的数数量;图2 小区区典型区域域的温度结结果1(77月16日日) 4、水景布布置权重系系数根据有有无水景,以以及水景设设施在划分分区域里的的所占面积积比例确定定。 所模拟小区区内的温度度结果如图图2、图33所示。总总的说
12、,与与气象站气气温比较,小小区内的气气温出现了了一定程度度的热岛现现象;且就就一天的气气温变化而而言,热岛岛强度晚间间较强,白白天午间相相对较弱。同同时从下午午2、3点点以后,气气温将持续续地保持高高向走势,直直至晚上88、9点以以后才逐渐渐回落。从从图2、33中可以看看出,尽管管在夜间各各区域的气气温相差很很小,但在在白天各区区的气温还还是呈现出出较大的差差异。其中中的原因在在于小区中中某些区域域的建筑布布局合理,建建筑间距选选择合适(天天空视角系系数较高而而利于长波波辐射冷却却);且室室外的集中中绿地多,小小区绿化好好,并或多多或少地采采用了人工工水景布置置(使得其其与空气的的热湿交换换加
13、强,有有效地降低低了空气的的温度),人人为热源相相对较少,因因而在炎热热夏季,其其内的温度度环境相对对比较适宜宜。如W22-1、SS2、W22-2、WW3-2、EE3区等。而而S2、WW2-2、WW3-2、EE1区由于于比较接近近交通公路路,受交通通车辆等人人为热影响响严重,并并且由于其其区域内的的下垫面多多为沥青水水泥路面,绿绿化较少,无无水景设施施,因此其其温度较高高,热岛效效应强烈,在在早上、傍傍晚时温度度持续出现现突高的情情况。 根据模拟计计算结果并并主要比较较以下参数数,可给出出小区不同同区域内的的热环境的的相对评价价,如表22所示。表表中所示小小区内不同同区域热环环境存在的的差别,
14、不不仅仅是给给购房者选选择住房提提供了参考考意见,更更重要的是是为房地产产开发商、住住区建筑师师、园林设设计师以及及住区规划划人员指明明了提高住住区环境质质量的方向向。表2 小区区温度环境境评价参数数及结果 老区S1区S2区W1区W2-1区区W2-2区区W2-3区区日平均热岛岛强度()21.621.81.42.11.910:00019:00平均均热岛强度度()1.60.91.71.10.51.61.3日最高温度度()33.732.933.833.332.333.733.5温度在322以上的小小时数(hh)981195139小区热环境境评价星级级W3-1区区W3-2区区E1区E2区E3区E4区日
15、平均热岛岛强度()1.72.12.01.81.71.810:00019:00平均均热岛强度度()0.81.81.71.11.01.4日最高温度度()32.633.933.833.133.033.5温度在322以上的小小时数(hh)812118810小区热环境境评价星级级+注: 1、热热岛强度指指小区气温温和气象站站气温的差差别; 2、以以W2-11的热环境境为评价标标准(定为为4星级),星星级高代表表热环境好好; 3、332是根据实实际情况选选定的衡量量温度。另外,利用用改进的CCTTC模模型并结合合CFD工工具,按照照上述的模模拟方法同同时还可研研究通过增增加绿化率率、增添水水景设施、改改变
16、建筑材材料甚至建建筑布局来来改善小区区热环境的的效果,如如图4、55所示。图4 绿化化率的影响响(以S22区为例)图55 水景设设施的影响响(以E44区为例)注:假设EE4区里有有一人工湖湖泊,面积积比例与WW2-1区区的相同,以以此进行模模拟和比较较如图5所所示。4、总结及及展望住区环境的的综合评价价和分析是是一开拓性性的工作,具具有很高的的学术和工工程应用价价值,可为为我国的住住区环境追追求“生态”的真正内内涵进行创创造性的探探索。利用用改进的CCTTC模模型并结合合CFD工工具,可在在综合考虑虑了太阳辐辐射、绿化化措施以及及建筑住区区布局等影影响因素的的基础上模模拟出住区区热环境的的温度
17、场,考考察是否存存在有温度度过高的局局部区域,分分析改善住住区热环境境的方法及及效果,并并最终指导导如何提高高住区居住住质量。 由于住区热热环境所涵涵盖的参数数较多,除除了温度以以外,还有有湿度、太太阳辐射、风风场等。如如何更有效效地利用CCTTC集集总模型和和CFD工工具对住区区环境进行行集总和分分布的模拟拟预测,将将这些影响响小区热环环境参数整整合在一起起,并总结结出一套包包含诸如气气温、平均均辐射温度度、湿度等等在内的评评价指标和和分析方法法,将是下下一阶段的的主要工作作。 参考文献1Haanna Swaiid annd Miilo EE. Hooffmaan, PPrediictioon off urbban ttempeeratuure vvariaationns ussing the anallyticcal CCTTC modeel, EEnerggy annd Buuildiings, 14(19900), 3313-3324. 2M.M Ellnahaas, TT.J.WWilliiamsoon, AAn immprovvemennt off thee CTTTC moodel for preddictiing uurbann airr temmperaaturee, Ennergyy andd Buiildinngs, 25(11997), 411-49.