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1、建筑物排热对城市区域热气候的影响研究（2）影响因素分析哈尔滨工业大学 朱岳梅 刘京 姚杨 马最良摘要在前文的基础上，本文首先提出以热舒适增长度DC和建筑物排热率DH作为新的评价指标；然后利用均匀试验设计法分析了建筑环境与能耗相关因素（制冷系统种类、室内空调设计温度、围护结构、窗墙比、内部负荷等）以及城市规划相关因素（建筑密度、建筑平均形状和高度、土地利用状况、植被等）等与城市热气候的相关关系，重点定量讨论了建筑物排热在城市热气候中所起的作用。关键词 均匀试验法 建筑物排热 热舒适增长度 城市热气候1 均匀试验设计由于城市热气候的影响因素众多且可能存在交互作用，如果考虑各因素之间所有的可能组合进
2、行全面试验，势必带来巨大的工作量，即使是高性能的计算机也难以承受；更重要的是计算结果中混杂大量无效的数据信息，增加了统计分析的难度，反而难以探求各因素的规律性。故此，本研究利用试验设计的方法1，采用尽可能少的试验次数，同时获得最有效的试验效果，从而把握城市内部热气候形成的特点和规律。1.1 试验指标的确定建立合理的城市热气候影响评估体系对于正确评价城市化各种因素对城市热气候的形成所起的作用具有重要意义。国内外现有的研究成果，如我国开发的“城市规划大气环境影响评估系统”2、日本的CASBEE评价体系3等，由于指标很多，进行综合评估时必须考虑各分项指标的权重设计，这种人为操作因素必然为客观地评价城
3、市热气候带来影响。故本研究在确立评价指标时，考虑了以下原则：(1) 以人为本原则 室外热气候的优劣归根结底是由人进行评判的，反映在指标上就是室外人群的热舒适度；(2) 以建筑设备为本原则 在城市热气候形成机理的分析中，涉及到众多学科领域的各种因素。从本专业的研究内容考虑，重点突出建筑设备排热（包括空调冷源排热和通风排热等）对城市热气候的影响；(3) 可操作性原则 确定评价指标必须尽可能简单，并且易于量化计算，同时减少权重设计等有可能带来歧义的操作。在以上原则的基础上，本文提出了以下两个评价指标：(1) 热舒适增长度DC该指标实质上反映了城市化前后热舒适度SET*的变化率。其定义为： （1）式中
4、SET*urban为该对象区域在夏季代表月的计算期间内白天（8时-17时）SET*的时均值，反映了城市化后的实际热气候状况；SET*0为计算时，将建筑相关部分（包括建筑本体和排热）全部由绿地代替的状态下该对象区域在夏季代表月的计算期间内白天（8时-17时）SET*的时均值。作为比较的基准值，反映了城市化前的理想状态。(2) 建筑物排热率DH该指标实质上反映了建筑物排热在城市热气候形成中的影响度。其定义为： （2）式中SHb为在夏季代表月的计算期间内由建筑设备（冷源系统和排风）产生的累加全热排热量 (kWhm-2区域)；SHs为在夏季代表月的计算期间内计算区域总全热得热量的累加值 (kWhm-2
5、区域)。1.2 试验方案的确立本研究中抽取下列主要因素作为研究对象：（1）建筑环境与能耗相关因素（空调系统种类、围护结构、窗墙比、墙体反射率、内部负荷等）；（2）城市规划相关因素（建筑密度、建筑平均形状和高度、土地利用构成、绿化率、水景观等）。基于以上论述，考虑各因素的合理取值范围，表1给出用于试验设计的因子和水平取值。其中每个因素分别取6个水平值。另外，为详细讨论不同空调系统种类的影响，该因素不列入试验设计方案。表1 均匀试验设计因素和水平值因素水平值123456建筑层数n建筑密度b窗墙比Rw墙体反射率aw内部全热负荷峰值Hmax（Wm-2）绿化+水景观面积比g*35%0.300.10402
6、0%610%0.350.205025%915%0.400.306030%1220%0.450.407035%1530%0.500.508040%1840%0.550.609045%*绿化和水景观面积比设为1: 1。此处水景观是指分散分布于研究对象区域内的喷泉、小的天然和人工湖、池塘等。2 计算结果与分析 根据取定的因素与水平数，选用均匀设计表U18(186)。表头设计及试验安排如表2所示。空调系统主要考察以下几种：1）电动水冷式冷水机组，以螺杆式冷水机组（SR）为代表；2）吸收式冷水机组，以直燃吸收式冷水机组（AR）为代表；3）热泵式冷水机组，以空气源热泵机组（HP）为代表；4）区域供冷系统，
7、以电制冷为主体，设置离心式冷水机组。每种空调系统进行18次数值试验，所有计算共计72次。计算结果总结在表3。其中前文中按照规划方案计算的SET*0为30.88oC。表2 均匀试验设计方案试验号nbRwawHmaxg123456789101112131415161718245613411432653265613425653421164532615243425563431612431256113622434556433443251562561261346161241535256423各种系统考察结果如下：2.1 螺杆式冷水机组 如采用直观分析法，由表3可看出6号方案对应的DC值最大，而14号方案对
8、应的DH值最大，可作为各自相对最不利条件。但由于本研究中涉及到的因素较多，相互之间的作用关系复杂，单纯采用直观分析很难准确把握各因素对城市热气候以及建筑物排热的影响，故对上述试验结果进行多元函数回归分析。分析表1可知，建筑密度b和建筑层数n都是描述建筑群体在空间内充满度的指标，它们结合在一起实际上就是容积率j的概念。而窗墙比Rw、墙体反射率aw、内部全热负荷峰值Hmax又均通过容积率对目标值产生共同作用。另外，绿化+水景观面积比g与建筑密度b之间也存在取值的相互制约关系。综合以上分析，经过前期试算，最终得到回归方程如下： （3） （4）由回归方程可知，对DC值而言，首先容积率自身对室外热舒适的
9、影响是比较复杂的。容积率提高使得不透水人工表面面积增加、空调排热量增加、气流流动降低，导致室外热舒适度下降；但同时，容积率提高又相对增加了建筑遮蔽率，降低了太阳辐射的影响，造成室外热舒适度提高。其次，窗墙比和墙体反射率的系数为正，标明室外热舒适度随这两个因素的增加而更加不利；而室内负荷及绿地+水景观面积利用率的系数为负，说明室外热舒适度随这两个因素的增加而得到改善。表3 均匀试验计算结果试验号SRARHPDHCDCDHDCDHDCDHDCDH1234567891011121314151617184.4693.3734.4214.5893.3384.614.3953.9143.5394.5743
10、.7993.2373.4184.2854.444.4244.4013.9080.4970.2150.4670.5870.1280.5010.5420.3110.1140.5440.3910.1050.3650.6920.3420.3840.6210.3214.5863.394.4534.6233.3584.6894.4963.9873.5614.6243.8373.253.4254.4154.4854.4894.4293.9310.6560.350.630.7310.2250.6630.70.4670.2170.6930.5460.1910.5230.8060.5180.5560.7540.4
11、924.2393.3174.3764.6443.2744.5984.4563.7173.5094.5213.7193.2023.384.3904.3884.3184.3853.8780.5170.2310.490.6040.1390.5230.5610.3280.1240.5610.4060.1110.3860.540.3670.4070.6370.344.4713.3744.4234.593.3384.6134.3973.9163.544.573.83.2383.4174.2894.4414.4264.4023.9110.5040.220.4750.5940.1320.5080.550.31
12、70.1180.550.3980.1080.3720.6980.350.3920.6280.328 表4 螺杆式冷水机组DC和DH回归方程的回归统计和方差分析DCDH回归统计 复相关系数R0.9660.985决定系数R20.9330.969标准误差0.160.038方差分析自由度df66离差平方和SS3.8900.514均方MS0.6480.086F值25.77657.898F值对应的显著性水平7.2210-61.110-7DH值的回归方程形式与DC又有不同。室内负荷增加直接导致建筑物排热率增加；而绿地+水景观面积利用率增加，虽然室外气温下降，但同时意味着下垫面传热在城市热气候中所占比率下降，
13、间接造成建筑物排热率增加。为验证其可信性，对上述两回归方程进行了回归统计和方差分析，结果见表4。无论是从复相关系数还是显著性水平判断，都说明所建立的回归方程非常显著，与原始数据拟合得很好。在多元回归方程中，偏回归系数表示了各试验因素对试验指标值的具体效应，但一般情况下由于偏回归系数本身的大小受到因素单位和取值的影响，并不能直接反映其相对重要性，故需要进行标准化处理4，计算式如下： （5）式中Pj为试验因素j的标准化回归系数；bj 试验因素j的偏回归系数；Ljj为试验因素j的残差平方值，。其中xi、n分别为试验因素j的第i个取值、平均值和个数；Lyy为试验指标的残差平方值，。其中yi、n分别为试
14、验指标的第i个取值、平均值和个数。标准化处理后的结果整理见表5。由此可见各因素的主次顺序分别为：（1）热舒适增长度DC：容积率自身及其平方值所起作用最大、其次为窗墙比和绿地+水景观面积利用率、墙体反射率及室内负荷所起作用最小；（2）建筑物排热率DH：容积率自身及其平方值所起作用最大，其次为室内负荷、窗墙比和墙体反射率所起作用不大、绿地+水景观面积利用率则可忽略。需要指出的是，容积率的指标包含的内容不仅仅是建筑本体，而是涵盖了建筑冷源系统排热和通风系统排热等建筑物排热部分，所以其影响程度最大。利用上述方程可以大体上评估城市化及人工排热对城市热气候的影响程度。表5 螺杆式冷水机组标准化回归系数Pj
15、P1P2P3P4P5P6jj2jRwjawjqg/bDC1.901.680.240.100.040.24DH1.581.750.190.150.980.022.2 其他形式的冷源系统 图1为不同冷源系统计算所得DC值和DH值的分布关系。总体上，各冷源系统对室外热气候的影响规律大致相同。差异较大的直燃吸收式冷水机系统。由于吸收热的原因，造成排热量相对较大，从而使得DH值平均约比其他系统高35%。但对热舒适的直接影响不大，只高出1%左右。另外，作为参考，在前文计算条件下的计算结果也标在图中（DC=4.781oC，DH=0.454）。可以看出，由于下垫面构成的原因，前文方案对室外热舒适有较为不利的影
16、响，但建筑物排热所起作用相对较小。图1 均匀试验计算结果（热舒适增长度与建筑物排热率）结论本文利用均匀试验分析方法，对影响城市热气候形成的各因素进行了深入探讨。主要结论如下：1）提出以热舒适增长度DC和建筑物排热率DH作为新的评价指标，分别反映城市化对气候的影响，以及建筑物排热在城市热气候形成中所起的作用；2）对DC值而言，首先容积率自身对室外热舒适的影响比较复杂。容积率提高使得不透水人工表面面积增加、空调排热量增加、气流流动降低，导致室外热舒适度下降；但同时，容积率提高又相对增加了建筑遮蔽率，降低了太阳辐射的影响，造成室外热舒适度提高。其次，窗墙比和墙体反射率比较重要，室内负荷及绿地+水景观
17、面积利用率对室外热舒适度的影响较小；3）对DH值而言，室内负荷增加直接导致建筑物排热率增加；而绿地+水景观面积利用率增加，虽然室外气温下降，但同时意味着下垫面传热在城市热气候中所占比率下降，间接造成建筑物排热率增加；4）从各因素对城市热气候的影响度看，容积率自身及其平方值对热舒适增长度DC所起作用最大、其次为窗墙比和绿地+水景观面积利用率、墙体反射率及室内负荷所起作用最小；另一方面，容积率自身及其平方值对建筑物排热率DH所起作用最大，其次为室内负荷、窗墙比和墙体反射率所起作用不大、绿地+水景观面积利用率则可忽略。需要指出的是，容积率的指标包含的内容不仅仅是建筑本体，而是涵盖了建筑冷源系统排热和通风系统排热等建筑物排热部分，所以其影响程度最大。利用回归方程可以大体上评估城市化及建筑物排热对城市热气候的影响程度。5）几种空调冷源系统对室外热气候的影响规律基本相同，但影响程度差异显著。其中直燃吸收式冷水系统的建筑物排热率平均约比其他系统高35%。参考文献1 方开泰，马长兴正交与均匀试验设计北京：科学出版社，20012 北京城市规划建设与气象条件及大气污染关系研究课题组城市规划与大气环境北京：气象出版社，20043 日本建築物総合環境性能評価評価東京都：建築環境省機構（財），20054 李云雁，胡传荣试验设计与数据处理北京：化学工业出版社，2005