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    建筑因子對城市湖泊溫度效應(yīng)的模擬研究
    ——以湖南烈士公園湖泊為例

    2019-02-26 02:45:54陳存友胡希軍胡穎炫
    生態(tài)環(huán)境學(xué)報 2019年1期
    關(guān)鍵詞:算例風(fēng)向湖泊

    戴 茜,陳存友,胡希軍,胡穎炫

    中南林業(yè)科技大學(xué),湖南 長沙 410004

    近年來,城市房地產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,“江景房”、“湖景房”更是大受追捧,導(dǎo)致湖區(qū)規(guī)劃逐漸趨于失控狀態(tài)。湖泊四周被高大建筑群體所包圍,空間擠壓嚴(yán)重,形成了獨特的“湖泊盆地”空間特征(陳存友等,2014),這不僅擠壓了湖區(qū)的視覺空間,破壞了城市的水域景觀,還削弱了“湖陸環(huán)流”作用的路徑、范圍和強(qiáng)度(Samuelsson et al.,2001;金虹等,2016),阻斷了湖泊與周邊陸域的氣流交換,降低了湖泊在改善城市小氣候方面的作用和效能(Sun et al.,2012;Kong et al.,2014;宋曉程等,2011)。因此,如何充分利用城市現(xiàn)有的氣候條件和自然資源,建立人與自然的和諧共存機(jī)制,形成良好的人地關(guān)系,成為當(dāng)前城市亟待解決的問題。

    城市湖泊水體具有明顯的小氣候效應(yīng),目前對城市湖泊溫度效應(yīng)的影響機(jī)制研究主要集中在以下兩個方面,(1)湖泊自身特征方面,采用定點定量測量方式,對湖泊水體的空間布局、深度以及不同面積湖泊濕地對溫度、相對濕度值變化的影響進(jìn)行了研究(朱春陽,2015;Wu et al.,2014),還有一些學(xué)者對湖區(qū)的溫度日較差、湖泊對感熱通量的輸送效應(yīng)等進(jìn)行了探索(Laird et al.,2009;Adrian et al.,2009)。(2)湖泊溫度效應(yīng)影響因子方面,一些學(xué)者應(yīng)用CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬技術(shù)分析了水面植物的遮陽作用、水深、水體尺寸等對水體溫度的影響(張磊等,2007;莊智等,2014;王敏等,2017),探究不同類型的城市水體溫度變化(楊凱等,2004;魏梓興,2004;Hathway et al.,2012);還有一些學(xué)者從市域?qū)用驷槍ㄖ蜃樱ㄈ缃ㄖ芏?、布局)對湖泊溫度效?yīng)的影響進(jìn)行了探討(蘇俊如等,2018;錢杰,2014;張棋斐等,2018)。然而,目前建筑因子對湖泊溫度效應(yīng)的大多數(shù)研究是基于城市大、中尺度層次(如城市中心城區(qū)、高密度建成區(qū)),缺乏基于中小尺度層次建筑對湖泊溫度效應(yīng)的詳細(xì)變化規(guī)律研究。因此,本研究試圖通過 CFD模擬對樣本湖泊及周邊環(huán)境的溫度場進(jìn)行計算分析,并通過改變湖泊周邊建筑相關(guān)因子,分析其對城市湖泊及周邊區(qū)域溫度的影響機(jī)制,剖析建筑因子對城市湖泊及周邊區(qū)域的影響機(jī)制,對于規(guī)范湖區(qū)開發(fā)建設(shè),發(fā)揮湖泊溫度效應(yīng)的改善作用具有重要意義。

    1 研究區(qū)域概況

    湖南烈士公園位于湖南省長沙市,是目前市內(nèi)面積最大的綜合性公園。夏季主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng),冬季盛行西北風(fēng)??傆玫孛娣e 141.35 hm2,其中水體在整體空間布局上通過大堤將其一分為二,西南部較大水域為年嘉湖(47.85 hm2),東北部較小水域為躍進(jìn)湖(16.18 hm2)(廖建華等,2013)。以年嘉湖、躍進(jìn)湖及其周邊400 m范圍用地作為樣本研究區(qū)域,區(qū)域面積總計331.49 hm2,其中水體面積 72.1 hm2。根據(jù)實地研究考察并結(jié)合《住宅設(shè)計規(guī)范》及《民用建筑設(shè)計通則》(1-3層為低層住宅,4-6層為多層住宅,7-9層為中高層住宅,9層以上為高層住宅,總高度超過24 m的公共建筑和綜合建筑統(tǒng)稱為高層建筑)得出樣本區(qū)域內(nèi)建筑總量達(dá) 470余棟,含低層建筑有128棟,中高層建筑有281棟,高層建筑有61棟(如圖1)。

    2 研究方法

    2.1 樣點與樣線設(shè)計

    根據(jù)樣本區(qū)域的布局及通達(dá)性原則,在樣本湖泊周邊選擇了4條樣線,其中年嘉湖北側(cè)、西側(cè)、西南側(cè)各1條,躍進(jìn)湖東側(cè)1條。各樣線均呈直線,分別于距離湖泊0、200、400 m處布置樣點,共12個樣點(如圖1);在每個樣點中心往外延伸20 m范圍,劃定面積為400 m2的樣方區(qū)域。對照場地在距離烈士公園湖泊2000 m處的芙蓉廣場周邊,受湖泊溫度效應(yīng)的影響可以忽略不計(張偉等,2015)。除測量條件一致外,各樣點周邊環(huán)境均存在差異性,這是研究湖泊周邊建筑因子與湖泊溫度效應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)。通過對研究區(qū)域 15個樣方中的建筑密度、建筑布局方式、綠地率、綠地組成方式等環(huán)境因素進(jìn)行統(tǒng)計,并對其進(jìn)行打分(如表1),為樣點差異性分析提供依據(jù),以探索建筑因子對湖泊溫度效應(yīng)影響的規(guī)律性研究。

    圖1 研究區(qū)域及對照區(qū)域Fig.1 Study area and control area

    2.2 測定條件及方法

    分別于2017年7月14日、16日和18日(晴朗微風(fēng)或無風(fēng))的8:00-16:00,在各樣點選擇樹蔭下空間較為開闊的場地(避免儀器長時間受陽光直射)開展研究,各樣點在整點時同步進(jìn)行測量。溫度測量儀器選用德國TESTO 08H1溫濕度計,風(fēng)速測量儀器選用 GM890數(shù)字風(fēng)速儀,測量儀器均在距地面1.5 m處進(jìn)行連續(xù)觀測,整點讀取數(shù)據(jù)時儀器顯示的數(shù)據(jù)浮動不能太大(上下浮動0.1 ℃,記錄穩(wěn)定風(fēng)速),同步記錄溫度值及風(fēng)速值,并記錄實時風(fēng)向(風(fēng)速盡量低于2 m·s-1時,避免風(fēng)速過大對溫度產(chǎn)生太多影響)。

    表1 樣點區(qū)域周邊環(huán)境概況Table1 Sample area surrounding environmental general situation

    2.3 CFD研究方法

    2.3.1 模型建立

    本研究主要采用 CFD技術(shù)對所建立的樣本模型進(jìn)行計算機(jī)模擬仿真。研究區(qū)域內(nèi)城市湖泊周邊環(huán)境是一個復(fù)雜的綜合體,包括建筑用地、林地、水體等不同下墊面,由于本研究 CFD模擬對環(huán)境因子的研究只集中在建筑因子方面,同時考慮計算機(jī)和軟件的限制,因此在建模時對模型進(jìn)行了合理簡化,如忽略建筑細(xì)節(jié)的凹凸處,將其形狀簡化為規(guī)則的立方體,下墊面除建筑、水體外均統(tǒng)一采用硬質(zhì)地面。

    2.3.2 模型運算

    在 AUTO CAD 2018中建立三維模型并導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH中的DESIGN MODELER中進(jìn)行處理,得到流體計算域,并命名不同邊界面。針對研究區(qū)域場地大小,計算區(qū)域選擇 3350 m×3400 m×400 m,充分滿足了研究區(qū)域湖泊溫度效應(yīng)模擬的需求。采用ANSYS MESHING進(jìn)行網(wǎng)格劃分,選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)量為739萬,網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.3以上,可以充分滿足湖泊溫度效應(yīng)的模擬需求。

    2.3.3 計算設(shè)置

    建立數(shù)字模型后,針對樣本湖泊及周邊環(huán)境的實際情況,對研究對象設(shè)定合理的假設(shè):研究區(qū)域的氣流為不可壓縮氣流;研究區(qū)域的流場為穩(wěn)態(tài)流場;流體為牛頓流體且具有勃性、湍流和非等溫的特點。針對研究區(qū)域的流場特點,以ANSYS Fluent 17.0為計算平臺,選擇壓力基求解器,計算方程選用RNG k-ε模型。速度和連續(xù)性計算精度為10-3,水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度及湍流參數(shù)的計算精度均為10-6。地面和建筑物的熱傳導(dǎo)系數(shù)為1.5 W·m-2,采用Simple算法進(jìn)行求解。根據(jù)當(dāng)?shù)叵募練庀髤?shù)可知,夏季主導(dǎo)風(fēng)向為SE。本研究模擬邊界條件包括速度入口、壓力出口,其中入口速度采用指數(shù)分布模型,速度隨高度變化的關(guān)系如下:

    式中,u(x)為基準(zhǔn)高度x1處(取氣象高度1.5 m)處的風(fēng)速;α為依賴于地面粗糙度和大氣穩(wěn)定度的參數(shù),根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)建筑高度和建筑密度,本文取為0.25。

    來流入口湍動能k和湍動耗散率ε分別采用如下關(guān)系式求得:

    式中,x為高度;Cμ為常數(shù),取值為0.0845;k為卡門常數(shù),取值為0.4,其余參數(shù)含義同式(1)。夏季空氣溫度、水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、相對濕度等在各位置的具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

    表2 模擬參數(shù)設(shè)置表Table2 Setting table of analog parameter

    3 實測結(jié)果分析

    3.1 夏季7月份溫度日變化規(guī)律分析

    將研究區(qū)域與對照區(qū)域監(jiān)測所得的3 d數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值處理(如圖2),通過對比分析可知,研究區(qū)域與對照場地溫度日變化規(guī)律相似,溫度均由8:00開始逐漸升高,并在14:00-15:00達(dá)到最高溫,隨后溫度逐漸下降。研究區(qū)域的溫度變化幅度為31.67-36.14 ℃,平均溫度為34.75 ℃,對照區(qū)域溫度變化幅度為 32.87-38.82 ℃,平均溫度36.70 ℃,整體而言研究區(qū)域與對照區(qū)域?qū)Ρ瘸式禍貭顟B(tài)。兩個區(qū)域在12:00-15:00降溫效應(yīng)較為明顯,其中在14:00兩者差值達(dá)到最大值(2.73 ℃)。由此可知,湖泊對周邊大氣有降溫作用。

    圖2 7月湖泊降溫效應(yīng)日變化規(guī)律圖Fig.2 Daily variation chart of lake cooling effect in July

    3.2 夏季7月份湖泊降溫效應(yīng)影響范圍分析

    在定點實測中,在4條測量樣線上分別按距湖岸0、200、400 m設(shè)置3個樣點,以反映湖泊溫度效應(yīng)的影響范圍趨勢,明確湖泊溫度效應(yīng)的強(qiáng)弱與距湖岸距離相關(guān)。已知對照場地平均溫度為36.7 ℃,各樣線上的 3個樣點的平均溫度分別為34.46 ℃、34.66 ℃、35.14 ℃,通過作差可知(如圖3),7月份湖泊對距湖岸0 m處降溫效應(yīng)最強(qiáng),平均溫差為2.24 ℃;對周邊200 m處的降溫作用稍弱,溫差降低2.04 ℃;對周邊400 m處降溫效應(yīng)最差,溫度降低1.56 ℃。

    圖3 7月湖泊降溫效應(yīng)與距離的關(guān)系圖Fig.3 Chart of the relationship between lake cooling effect and distance in July

    圖4 實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)散點圖Fig.4 Scatter chart of measured data and simulated data

    4 CFD 模擬結(jié)果分析

    4.1 模擬結(jié)果驗證與分析

    通過 CFD得到的模擬實際算例與定點實測同時刻(以夏季7月14∶00為例)溫度進(jìn)行對比,驗證CFD模擬結(jié)果與實測結(jié)果的一致性,結(jié)果如圖4所示,通過散點圖驗證可得R2為0.580,計算得到均方誤差根為0.876 ℃,其中誤差較大的樣點5與樣點10(如圖5)結(jié)果相差較大,這是因為這兩點下墊面為硬質(zhì)鋪裝,熱容量小,同時活動人群較多,產(chǎn)生了人為熱,而 CFD模擬中忽略了下墊面及人為熱的影響,導(dǎo)致實測溫度偏高??傮w而言,CFD模擬結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了本文預(yù)期的要求,與定點實測結(jié)果較為吻合,具備合理性和科學(xué)性,可以展開湖泊溫度效應(yīng)的模擬分析。

    圖5 CFD模擬與實測溫度對比圖Fig.5 Comparison chart of CFD simulation and measured temperature

    圖6 實際算例中1.5 m高度處溫度云圖Fig.6 Temperature cloud at a height of 1.5 m in a practical example

    表3 實際算例時溫度云圖讀數(shù)表Table3 Reading table of temperature cloud in actual examples

    通過CFD對實際算例進(jìn)行模擬得到1.5 m高度處溫度云圖(圖6),結(jié)果表明,研究區(qū)域內(nèi)溫度幅度為30.6-36.8 ℃,且溫度分布呈現(xiàn)明顯的分區(qū),靠近湖泊且位于下風(fēng)向的區(qū)域溫度明顯低于上風(fēng)向區(qū)域(如表3),湖泊對周邊區(qū)域呈現(xiàn)降溫效應(yīng),具體建筑因子影響分析如下。

    建筑后退湖岸距離:湖泊對周邊區(qū)域產(chǎn)生的降溫效應(yīng)需通過距離傳遞,而研究區(qū)域內(nèi)建筑群體量較大,對風(fēng)傳遞冷空氣形成了阻礙。在距離湖岸50 m范圍內(nèi),多為點群式分布的低層建筑,但仍會阻礙湖泊周邊的水氣輸送,進(jìn)而影響湖泊對周邊的降溫效應(yīng)。在研究區(qū)域南側(cè)及東南側(cè)100 m內(nèi),建筑緊密排列,對湖泊水氣輸送起到了阻礙作用,而西側(cè)300 m范圍內(nèi)則幾乎無建筑,溫度明顯低于其他離湖岸較近的建筑區(qū)域。

    建筑高度:研究區(qū)域內(nèi)以中層及中高層建筑為主(如圖1),高層建筑主要分布在東側(cè)及西南側(cè),低層建筑主要分布在湖泊周邊區(qū)域。來流方向受建筑群的阻擋,建筑越高,受阻擋越嚴(yán)重,上風(fēng)向建筑物周圍風(fēng)速較低,積溫效應(yīng)加強(qiáng)。當(dāng)來流向下風(fēng)向流動時,南側(cè)的中層及中高層建筑群由于夏季建筑底層及地面溫度較高,氣流受熱浮力作用向上流動并在后續(xù)來流的推動作用下不斷將下層空氣卷入上空形成渦流,因此在建筑群周邊的空曠地上空氣流湍動性較強(qiáng),導(dǎo)致局部氣溫升高??傮w而言,高層建筑對湖泊降溫效應(yīng)的消極作用最大,中層及中高層建筑次之,低層建筑最小。

    建筑布局:研究區(qū)域內(nèi)建筑布局多樣,下風(fēng)向區(qū)域一部分建筑與湖岸垂直成行列式布局的建筑組團(tuán)(如圖7a)形成街道效應(yīng),有效改善了周邊風(fēng)環(huán)境,溫度在 32.1-34 ℃,為下風(fēng)向區(qū)域的低溫區(qū),由此可知行列式布局的建筑組團(tuán)增強(qiáng)了湖泊對周邊環(huán)境的降溫效應(yīng),是湖泊周邊區(qū)域建筑群較為理想的布局方式;一部分沿湖岸呈周邊式布局的建筑組團(tuán)(如圖7b)阻斷了風(fēng)對湖泊上方冷空氣的輸送,使得冷空氣堆積在建筑附近,周邊溫度會得到短暫降低,但降溫作用很快被下墊面反射的太陽輻射和周邊區(qū)域的積溫所抵消,溫度普遍在 34.1-35.8 ℃之間;還有一些布局雜亂無章、間距過小的點群式建筑組團(tuán)(如圖7c)對湖泊降溫效應(yīng)的消極作用較大,是下風(fēng)向所有建筑組團(tuán)中的高溫區(qū),溫度普遍在35.1-36.1 ℃,這是由于散亂無序的建筑分布導(dǎo)致建筑組團(tuán)內(nèi)風(fēng)環(huán)境惡劣,不僅減弱了風(fēng)帶來的湖泊上方的冷空氣的輸送,而且自身建筑群受太陽輻射影響產(chǎn)生的熱量也不能得到及時疏散,故整體熱環(huán)境惡劣。

    4.2 建筑后退距離對湖泊溫度效應(yīng)模擬分析

    建筑物后退湖岸的距離對湖泊溫度效應(yīng)的發(fā)揮存在影響,距湖岸距離近的建筑群會阻斷湖陸之間的水氣輸送,減弱湖泊對周邊環(huán)境的作用強(qiáng)度,從而減小湖泊對這一方向的作用范圍。針對建筑后退50 m、100 m的情況分別進(jìn)行進(jìn)一步模擬分析,其他參數(shù)的設(shè)置均與實際算例中保持一致,探究建筑后退距離對湖泊降溫效應(yīng)的影響。

    4.2.1 建筑后退湖岸50 m時的模擬分析

    在研究區(qū)域現(xiàn)實物理模型基礎(chǔ)上,去除了距湖岸周邊50 m范圍內(nèi)的37棟建筑,其中研究區(qū)域東側(cè)減少8棟、北側(cè)減少2棟、南側(cè)減少13棟、西北及西北側(cè)減少 14棟,被去除的建筑以黃色標(biāo)注(如圖8)。

    圖7 湖泊周邊3種不同的建筑布局方式Fig.7 Three different architectural layouts around the lake

    圖8 建筑后退湖岸距離平面圖Fig.8 Flat map of building receding lake shore distance

    圖9 建筑后退50 m時1.5 m高度處溫度云圖Fig.9 Temperature cloud map at a height of 1.5 m when the building recedes 50 m

    表4 建筑后退湖岸50 m時溫度云圖讀數(shù)表Table4 Reading table of the temperature cloud map when the building recedes 50 m on the lakeshore

    區(qū)域內(nèi)溫度幅度為 30.8-36.9 ℃(如圖 9),溫度幅度與實測溫度相比有所下降,區(qū)域內(nèi)平均溫度下降0.67 ℃。與實際算例進(jìn)行對比(如表4)分析,結(jié)果表明,上風(fēng)向區(qū)域在去除50 m范圍內(nèi)建筑后,該區(qū)域內(nèi)溫度下降明顯,特別是低溫區(qū)下降了1 ℃,400 m處的測點溫度下降了1.2 ℃。由此可知,當(dāng)上風(fēng)向區(qū)域建筑布局過于緊密時,僅小幅度改變臨湖一側(cè)建筑后退距離,即可增強(qiáng)湖泊對上風(fēng)向區(qū)的降溫效應(yīng),同時還增大了降溫效應(yīng)的水平影響范圍。下風(fēng)向距離湖泊50 m區(qū)域內(nèi)建筑呈點狀分布,雖然區(qū)域下降溫度幅度較小但對于整體區(qū)域溫度依然有所變化。湖泊周邊50 m范圍內(nèi)主要為點狀分布的低層公共服務(wù)建筑,這些建筑去除后,建筑周邊積溫效應(yīng)減弱,年嘉湖與躍進(jìn)湖中間的帶狀綠地溫度明顯下降,同時由于水體對高溫空氣的緩解作用僅僅停留在水體上方,水體的比熱容大于陸地,升溫較慢,因此水體上方溫度明顯低于周邊區(qū)域。

    4.2.2 建筑后退湖岸100 m時的模擬分析

    實測研究表明,夏季湖泊對周邊200 m范圍內(nèi)的溫度效應(yīng)較強(qiáng),考慮到現(xiàn)實中湖區(qū)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)因素影響,在研究區(qū)域現(xiàn)實物理模型的基礎(chǔ)上,去除了距湖岸周邊100 m范圍內(nèi)的85棟建筑,其中研究區(qū)域東側(cè)減少40棟,北側(cè)減少2棟,南側(cè)減少23棟,西側(cè)及西北側(cè)減少20棟(如圖8黃色及紅色建筑)。

    圖10 建筑后退100 m時1.5 m高度處溫度云圖Fig.10 Temperature cloud map at a height of 1.5 m when the building recedes 100 m

    圖11 建筑高度為原來的1/2的三維模型圖Fig.11 3D model map with half building height

    圖12 建筑高度變?yōu)樵瓉?/2時1.5 m高度處溫度云圖Fig.12 Temperature cloud map at a height of 1.5 m with half building height

    表5 建筑后退100 m時溫度云圖讀數(shù)表Table 5 Reading table of the temperature cloud map when the building recedes 100 m on the lakeshore

    圖10所示為建筑后退100 m時1.5 m高度處溫度云圖,去除距湖岸100 m范圍內(nèi)所有建筑后,溫度幅度為30.7-37.1 ℃,與實際算例相比,整體變化幅度較小,但局部溫度因建筑布局的改變發(fā)生了變化(如表5)。其中,上風(fēng)向區(qū)域由于東側(cè)區(qū)域臨湖一側(cè)去除了 40棟建筑,使得許多閉合的建筑群被打開,建筑群對來流的阻礙作用減弱,湖泊周邊區(qū)域變得空曠,溫度較實際算例明顯下降,且通過樣線3上的3個測點可知,距離湖泊越近,降溫效應(yīng)越強(qiáng)。下風(fēng)向區(qū)域由于其建筑去除數(shù)量較后退50 m時更多,且區(qū)域內(nèi)建筑布局形式多樣,錯落排布,區(qū)域內(nèi)建筑布局發(fā)生了改變,風(fēng)速得到提升,來流帶來的灼熱空氣在建筑間空曠地帶穿過直達(dá)湖泊上方,在被下風(fēng)向迎風(fēng)面的建筑阻礙后,來流向建筑底部流動,使得溫度更高的熱空氣在此積聚,部分灼熱空氣與湖泊所帶來的降溫相抵消,溫度略有上升,故其下風(fēng)向高溫區(qū)比實際算例的溫度略高。湖泊水體上方及周邊區(qū)域臨湖一側(cè)零星低層建筑被移除,使得上風(fēng)向區(qū)域許多建筑群的圍合布局被打破,但湖泊對周邊的降溫效應(yīng)較強(qiáng),未被來流帶來的灼熱空氣完全抵消,湖泊區(qū)域溫度下降。

    4.3 建筑高度對湖泊溫度效應(yīng)模擬分析

    建筑對來流具有阻礙作用可能造成區(qū)域溫度變化,針對建筑高度變?yōu)樵瓉淼?/2、2倍時的情況進(jìn)行模擬分析,其他參數(shù)設(shè)置與實際算例中保持一致,探究建筑高度對湖泊溫度效應(yīng)的影響機(jī)制。

    4.3.1 建筑高度為原來的1/2時的模擬分析

    在現(xiàn)實物理模型的基礎(chǔ)上,將所有建筑高度降低為原來的 1/2,模擬研究建筑高度和湖泊溫度效應(yīng)的關(guān)系,降高后的三維模型如圖 11所示。在研究區(qū)域建筑整體高度降低為原來的1/2后,溫度幅度為30.3-36.7 ℃(如圖12),與實際算例相比,整體溫度有所下降。降低建筑高度,湖泊降溫效應(yīng)顯著(表6)。其中,上風(fēng)向區(qū)域與實際算例相比,高溫區(qū)、低溫區(qū)以及湖泊周邊區(qū)域溫度都明顯下降,這是因為降低了上風(fēng)向區(qū)域的建筑高度后,建筑群對來流的阻擋作用減弱。下風(fēng)向區(qū)域降溫效應(yīng)同樣顯著,這是由于北側(cè)本身以低層建筑為主,在其基礎(chǔ)上再降低其高度,建筑的增溫效應(yīng)得到進(jìn)一步削弱,故湖泊的降溫效應(yīng)得到進(jìn)一步加強(qiáng)。較實際算例相比,湖泊區(qū)域高溫區(qū)下降約0.7 ℃,低溫區(qū)下降了0.2 ℃。

    表6 建筑高度變?yōu)樵瓉淼?/2時溫度云圖讀數(shù)表Table6 Reading table of the temperature cloud map with half building height

    表7 建筑高度變?yōu)樵瓉?倍時溫度云圖讀數(shù)表Table7 Reading table of the temperature cloud map with double building height

    4.3.2 建筑高度為原來的2倍時的模擬分析

    在現(xiàn)實物理模型的基礎(chǔ)上,將所有建筑高度增加1倍,模擬研究建筑高度和湖泊溫度效應(yīng)的關(guān)系,增高后的三維模型如圖 13所示。在研究區(qū)域建筑整體高度增加 1倍后,研究區(qū)域內(nèi)的溫度幅度為30.8-37.4 ℃(如圖 14),與實際算例相比,湖泊水體上方及岸邊溫度變化較小,但上風(fēng)向區(qū)域和下風(fēng)向區(qū)域溫度變化特別明顯(如表7)。其中,與實際算例相比,上風(fēng)向區(qū)域高溫區(qū)上升了0.8 ℃,低溫區(qū)上升了1.2 ℃,說明當(dāng)增大了上風(fēng)向區(qū)域的建筑高度后,建筑群對來流的阻擋作用整體加強(qiáng),使得建筑周邊積溫現(xiàn)象更加嚴(yán)重,對周邊熱環(huán)境的消極作用影響更大。下風(fēng)向區(qū)域湖泊增溫更為明顯,這是由于上風(fēng)向建筑群對來流的阻礙作用增強(qiáng),使得進(jìn)入下風(fēng)向建筑群的風(fēng)速明顯衰減,同時北側(cè)臨湖的低層建筑占據(jù)了湖岸一半長度,增高1倍后使得湖泊對北側(cè)的降溫效應(yīng)減弱程度更大。與實際算例相比,湖泊水體上方及周邊區(qū)域溫度略微上升,湖泊水體上方整塊均勻分布的溫度布局被打破為兩大分區(qū),臨近建筑的一側(cè)湖泊上方溫度明顯增高,說明臨湖的建筑高度對湖泊溫度效應(yīng)的影響非常明顯,由此可知湖泊降溫范圍和幅度與臨湖建筑高度呈負(fù)相關(guān)。

    圖13 建筑高度為原來的2倍的三維模型圖Fig.13 3D model map with double building height

    圖14 建筑高度變?yōu)樵瓉?倍時1.5 m高度處溫度云圖Fig.14 Temperature cloud map at a height of 1.5 m with double building height

    4.4 建筑布局與建筑間距對湖泊溫度效應(yīng)模擬分析

    由定點實測及對實際算例的 CFD模擬可知,建筑群的布局對湖泊溫度效應(yīng)的影響很大,其中行列式布局優(yōu)于周邊式,最次為較為雜亂的點狀式布局。根據(jù)研究紅線內(nèi)區(qū)域大小,在現(xiàn)實物理模型的基礎(chǔ)上,在盡可能不減少建筑數(shù)量的同時,加大各建筑之間的間距(將建筑間距設(shè)置為原來的2倍),加大間距后的三維模型如圖15所示。

    將研究區(qū)域內(nèi)建筑間距擴(kuò)大2倍后,整體溫度幅度為31.2-36.9 ℃(如圖16),與實際算例相比,整體溫度幅度有所提升,這是因為建筑間距的增大使得建筑影響的范圍擴(kuò)大,許多受湖泊降溫效應(yīng)影響、溫度相對較低的空曠地帶被建筑所影響,導(dǎo)致部分區(qū)域溫度有所上升。具體表現(xiàn)為,上風(fēng)向區(qū)域建筑數(shù)量最多,與實際算例相比溫度整體變化較小,其中上風(fēng)向水體周邊區(qū)域溫度下降0.6 ℃,這是由于上風(fēng)向區(qū)域建筑間距增大,風(fēng)環(huán)境得到改善。下風(fēng)向區(qū)域建筑密度較上風(fēng)向區(qū)域小,但在增大了建筑間距后受建筑負(fù)面影響區(qū)域增多,導(dǎo)致區(qū)域溫度有所上升,而由于間距增大后空氣的流動性增強(qiáng),區(qū)域高溫區(qū)較實際算例有所下降。湖泊區(qū)域則由于建筑間距的增大,使得建筑離湖岸的距離變小,湖泊東側(cè)受上風(fēng)向建筑的影響增大,使得高溫區(qū)上升了1.4 ℃(如表8),而湖泊水體上方的低溫區(qū)下降了0.8 ℃,帶狀區(qū)域的建筑原本是低層單棟建筑,因此改變建筑間距,對其影響較小。由此可知,在不減少湖泊周邊區(qū)域的建筑數(shù)量,不控制建筑高度的前提下,單一地增大建筑群中建筑之間的間距,雖然會增大建筑群對周邊區(qū)域的輻射影響范圍,使得建筑群對來流的阻礙作用相對增強(qiáng),原空曠區(qū)域的溫度也會受建筑的顯著影響而升溫,高溫區(qū)域面積相應(yīng)增加,但由于增大間距能增強(qiáng)空氣流動性,風(fēng)環(huán)境得到有效改善,湖泊對離岸距離較小的區(qū)域的降溫效應(yīng)依然存在。

    圖15 建筑間距為原來2倍的平面圖及三維模型圖Fig.15 Plan and 3D model map with double the original building spacing

    表8 建筑間距變?yōu)樵瓉?倍時溫度云圖讀數(shù)表Table8 Reading table of the temperature cloud map with double building spacing

    5 結(jié)論

    采用實地測量和模擬分析交互驗證的方法,較為全面地探析了建筑因子對城市湖泊降溫效應(yīng)的影響,綜合相關(guān)的模擬結(jié)果及分析,得出如下結(jié)論:(1)湖泊周邊建筑是影響夏季湖泊降溫效應(yīng)的因素之一,且主要呈消極作用,是由于建筑會降低來流風(fēng)速,且建筑表面對太陽輻射的吸收和反射較強(qiáng),會抵消湖泊溫度效應(yīng)帶來的降溫作用;(2)在不改變建筑密度、建筑布局的前提下,僅小幅度改變建筑后退距離,去除距離湖岸近的建筑或建筑群,雖不能增大湖泊降溫效應(yīng)的影響范圍,但在湖泊周邊近距離范圍內(nèi)仍存在降溫效應(yīng);(3)夏季湖泊溫度效應(yīng)的影響范圍與作用強(qiáng)度與周邊環(huán)境建筑的高度有明顯的關(guān)系,湖泊周邊建筑高度的增加(尤其是距離湖泊距離小的建筑),不僅會提高建筑周邊的溫度,也會提高湖泊上方的溫度,進(jìn)而影響湖泊的降溫效應(yīng);(4)建筑間距的增大,會導(dǎo)致受建筑影響的高溫區(qū)面積增大,說明改變建筑間距的同時,也需減少建筑數(shù)量才能對湖泊溫度效應(yīng)產(chǎn)生良性作用。

    6 存在的問題與展望

    本研究通過定點實測與 CFD模擬分析相結(jié)合的方法研究了建筑因子對城市湖泊溫度效應(yīng)的變化規(guī)律,通過改變建筑后退湖岸距離、建筑高度以及建筑布局探討了各因子對湖泊溫度效應(yīng)的影響。研究表明應(yīng)用 CFD技術(shù)研究中尺度下的城市湖泊水體小氣候是可行的。在研究過程中,仍然存在著許多能力范圍外的問題,需在今后的深入研究中進(jìn)一步完善,如(1)本研究在定點實測過程中僅選取了湖南烈士公園湖泊區(qū)域一個樣本區(qū)域,缺乏多個樣本區(qū)域的對照,在今后研究中需展開多樣本湖泊研究,得到更可靠的普適性規(guī)律。(2)由于計算能力有限且本研究區(qū)域建筑及周邊環(huán)境復(fù)雜,在CFD模擬中對計算模型進(jìn)行了大幅簡化,將模擬條件設(shè)置為陰天,簡化了太陽輻射條件的設(shè)置;在下墊面設(shè)置中,統(tǒng)一設(shè)置為地面,忽略了綠地及道路的影響。在以后的城市湖泊研究中,應(yīng)盡可能地完善相關(guān)參數(shù),使得CFD模擬逐漸由理想模型走向現(xiàn)實環(huán)境,使模擬結(jié)果更加符合實際,為城市湖區(qū)規(guī)劃提供更加準(zhǔn)確的參考。

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