基于計算流體力學(xué)數(shù)值模擬的綠地空間布局熱環(huán)境效應(yīng)研究

王桂芹，鄭伯紅，余翰武

基于計算流體力學(xué)數(shù)值模擬的綠地空間布局熱環(huán)境效應(yīng)研究

王桂芹1，鄭伯紅2，余翰武1

(1. 湖南科技大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2. 中南大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410075)

基于城市微氣候模擬軟件ENVI-met，構(gòu)建案例地區(qū)典型建筑組團(tuán)，提取量變因子“綠地面積、綠地空間格局、綠地與風(fēng)的耦合關(guān)系”，數(shù)值模擬分析基于規(guī)劃設(shè)計角度的綠地空間布局熱環(huán)境效應(yīng)。研究結(jié)果表明：綠地率控制20%~35%是現(xiàn)實(shí)可行的；綠地的均衡分散式布局的熱環(huán)境效應(yīng)優(yōu)于部分集中式；綠地與風(fēng)的耦合關(guān)系會帶來最大強(qiáng)度的熱環(huán)境效應(yīng)。

數(shù)值模擬；綠地空間布局；ENVI-met；城市熱環(huán)境

中國城市化盎然生機(jī)的同時，生態(tài)環(huán)境面臨巨大挑戰(zhàn)，城市溫暖化現(xiàn)象異常突出，熱島效應(yīng)嚴(yán)重。黨的十九大指出“著力解決突出環(huán)境問題，到2030生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)，美麗中國目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)”，綠地在改善城市生態(tài)環(huán)境方面有重要的作用。建筑組團(tuán)小氣候與人居環(huán)境最為密切，包括了溫度、風(fēng)速、太陽輻射以及人體舒適度等參數(shù)[1]。綠地規(guī)劃設(shè)計可以為改善不良的生態(tài)環(huán)境提供有益的途徑。因此，建筑組團(tuán)尺度下的綠地?zé)岘h(huán)境效應(yīng)研究將成為未來生態(tài)城市規(guī)劃設(shè)計的重點(diǎn)。針對建筑組團(tuán)綠地?zé)岘h(huán)境效應(yīng)的數(shù)值模擬，國內(nèi)外學(xué)者開展一系列的研究。Middel等[2]采用ENVI-met模型模擬城市形態(tài)以及景觀設(shè)計要素對午后小氣候的影響，Teresa 等[3]從微觀尺度采用ENVI-met模型模擬分析了屋頂綠化對城市熱環(huán)境的影響。Susana等[4]運(yùn)用ENVI -met模擬論證了屋頂綠化以及森林對城市熱環(huán)境的影響；Laura等[5?7]運(yùn)用ENVI-met軟件對城市綠地的熱環(huán)境進(jìn)行了大量的研究。陳卓倫[8]利用ENVI -met模擬了三維綠化植被的溫度場分布；秦文翠等[9]利用ENVI-met軟件模擬無屋頂綠化模式下，熱環(huán)境的差異；吳昌廣等[10]利用ENVI-met軟件對喬木、草坪和水景3種綠地的微氣候效應(yīng)進(jìn)行分析。雖然有關(guān)綠地氣候效應(yīng)的研究成果頗豐，但與城鄉(xiāng)規(guī)劃的結(jié)合方面稍顯匱乏，并以此為依據(jù)對城市空間布局進(jìn)行優(yōu)化的相關(guān)研究卻不夠深入和全面。本文主要對典型建筑組團(tuán)布局進(jìn)行提取以及構(gòu)建綠地情景模式，從規(guī)劃設(shè)計角度模擬分析綠地空間布局的熱環(huán)境效應(yīng)。模擬分析量變因子“綠地面積、綠地空間格局、綠地與風(fēng)的耦合關(guān)系”作用下的綠地空間布局的熱環(huán)境效應(yīng)，構(gòu)建基于規(guī)劃設(shè)計角度的綠地空間布局熱環(huán)境效應(yīng)研究，對實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃設(shè)計由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為技術(shù)手段量化具有重大 意義。

1 物理模型與數(shù)值方法

主要模擬基于城市綠地空間布局變化引起的城市流場變化。城市空氣流通與熱傳導(dǎo)效應(yīng)復(fù)雜多變，城市綠地?zé)岘h(huán)境涉及到的因素包括：1) 氣候環(huán)境參數(shù)：溫度、風(fēng)速、太陽輻射等；2) 建筑物參數(shù)：高度、密度、強(qiáng)度等；3) 植被參數(shù)：樹木、草地等；4) 材料參數(shù)：密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、長波發(fā)射率、可見光吸收率等。研究綜合考慮各要素，同時考慮空氣流動及各種要素?zé)醾鲗?dǎo)效應(yīng)，相應(yīng)的連續(xù)方程、動量方程(N-S方程)、紊流方程表述如下。

1) 質(zhì)量守恒方程(mass conservation equation)為：

(1)

2) 動量守恒方程(momentum conservation equation)為：

(2)

式中：為氣體壓強(qiáng)；為牛頓流體黏性應(yīng)力張量；為氣體動力黏性系數(shù)；為Komecker delta函數(shù)。

3) 能量守恒方程(energy conservation equation)為：

式中：為導(dǎo)熱系數(shù)；c為比熱容；為氣體溫度。

4) 紊流脈動動能方程(方程)為：

5) 紊流脈動動能耗散率方程(方程)為：

2 模型介紹與計算工況

2.1 研究區(qū)域

衡陽縣位于湘南地區(qū)，是湖南省乃至中原地區(qū)通往廣東沿海地區(qū)的要塞之地。衡陽縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候，1月平均氣溫比較低，只有4.6 ℃，7月平均氣溫較高，溫度為29.3 ℃，城區(qū)年平均氣溫為18.5~20.2 ℃。冬季盛行偏北風(fēng)，夏季盛行偏南風(fēng)，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，平均風(fēng)速為2.0 m/s，最大風(fēng)速25 m/s。

2.2 ENVI-met軟件綜述

該軟件由德國波鴻魯爾大學(xué) Michel Bruse在綜合考慮構(gòu)筑物、植物與空間之間相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行再開發(fā)。主要分為4個基礎(chǔ)模塊，包括建模模塊、編程模塊、計算板塊以及結(jié)果顯示板塊。主要用于模擬城市小尺度空間內(nèi)構(gòu)筑物表面—植被—空氣之間的相互作用[11]。結(jié)構(gòu)模型包括一維邊界模型、三維主體模型、土壤模型以及嵌套網(wǎng)格組成。一維邊界模型主要用來設(shè)置模擬邊界條件；三維主體核心模型用于模擬流體運(yùn)行的全過程(圖1)。

2.3 量變橫擬變量

衡陽縣典型的建筑空間為行列式建筑布局，建筑平均高度為21 m，建筑之間的間距為20 m。研究提取衡陽縣典型建筑組團(tuán)，模擬尺度為400 m×400 m，根據(jù)ENVI-met參數(shù)模擬設(shè)置的需要以及實(shí)際街區(qū)的建筑布局，對組團(tuán)的模型尺度進(jìn)行簡化。借鑒吳珍珍等[12]在深圳市城市風(fēng)環(huán)境分析中對模型簡化的方法，考慮建筑的群體性以及風(fēng)的方向性將建筑布局合并為大小不等的體塊，分別為12 m×30 m×18 m，12 m×60 m×15 m，12 m×45 m×24 m，30 m×45 m×21 m，60 m×60 m×24 m，建筑間距分別為12，18，20和30 m，建筑密度為36%。綠地空間布局主要考慮三大量變因子“綠地面積、綠地空間格局、綠地與風(fēng)的耦合關(guān)系”，綠化的草地(G)與喬木(T)的比例為2:1。具體量變模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖1 ENVI-met模型布局概述示意圖

表1 量變因子設(shè)置

2.4 計算工況與邊界條件

模擬區(qū)域的水平網(wǎng)格數(shù)為200×200(水平分辨率為2 m)，模擬區(qū)域的四周設(shè)置了5個嵌套網(wǎng)格，其下墊面類型為土壤，目的是使氣象邊界條件遠(yuǎn)離組團(tuán)邊界，讓來流風(fēng)能夠充分發(fā)展。研究片區(qū)建筑高度最大值為24 m，內(nèi)部混合分布21，18和15 m的建筑。

表2 ENVI-met參數(shù)設(shè)置

研究區(qū)域高溫的夏季是該區(qū)典型氣候的代表，研究目的為綠地對于城市熱環(huán)境的緩解作用，夏季是城市熱島現(xiàn)象最為嚴(yán)重的季節(jié)，模擬的氣候條件設(shè)置為夏季7月份。初始參數(shù)設(shè)置根據(jù)衡陽縣氣象站多年氣象資料統(tǒng)計，風(fēng)速設(shè)置為2 m/s，風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，初始溫度設(shè)置為304.65 K，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

3 計算結(jié)果

3.1 綠地面積差異對熱環(huán)境的影響

針對綠地率這一變量的模擬，以基準(zhǔn)布局為基礎(chǔ)，保持建筑排列方式、朝向、建筑密度不變，改變組團(tuán)內(nèi)綠地率，逐一進(jìn)行室外熱環(huán)境模擬，設(shè)置的綠地率參數(shù)分別為0%，5%，20%，35%和50%。

3.1.1 溫度模擬分析

研究選取正午12:00，以人行高度1.5 m參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，圖2顯示綠地率為5%與0%，溫度的變化差異不大，但是綠化率達(dá)到20%，綠地的降溫效應(yīng)開始顯現(xiàn)，并且降溫效應(yīng)與綠地率大小成正比。隨著綠地率的增大，高溫區(qū)的范圍逐漸在減小，低溫區(qū)增加，說明植被對于街區(qū)尺度的建筑具有明顯的降溫效應(yīng)。

3.1.2 溫度差值模擬分析

研究以綠地率為0%作為基準(zhǔn)案例，綠地率為5%，20%，35%和50%分別與基準(zhǔn)案例進(jìn)行差值相減。研究發(fā)現(xiàn)(圖3)綠地率為5%，降溫效果只有0.13 ℃，降溫效果不明顯，當(dāng)綠地率提高到20%~35%區(qū)間內(nèi)，平均降溫為0.29 ℃，最大降溫幅度為0.38 ℃，綠地率達(dá)到50%，平均的降溫幅度為0.51 ℃，最大降溫幅度為1.08 ℃。綠地率在20%~35%區(qū)間內(nèi)，整個片區(qū)的降溫效果比較均衡分布；當(dāng)綠地率為50%，片區(qū)降溫效果比較明顯，出現(xiàn)了很多的低溫區(qū)，但是溫度分布不均勻，主要是由于草地表面增加了風(fēng)與地面的摩擦，粗糙度增大，從某種程度上阻礙了氣流的運(yùn)行，使綠地產(chǎn)生的冷濕氣流不能迅速向建筑密集區(qū)擴(kuò)展，綠地帶走的熱量不能快速轉(zhuǎn)移，會出現(xiàn)熱量的堆積，導(dǎo)致整個片區(qū)的降溫效果分布不均衡。隨著綠地率的增加，綠地降低場地平均溫度的效果越顯著，但是隨著綠地率的增大，單位綠地有效降低溫度的效能呈遞減的趨勢。在快速城市化過程中，土地資源緊張，城市綠地空間受到大量的蠶食，達(dá)到50%的綠地率是不切合實(shí)際的。在綠地規(guī)模有限的前提下，如何讓有限的綠地空間發(fā)揮最大的氣候效應(yīng)，綠地率控制在20%~35%左右是比較現(xiàn)實(shí)可行的。

(a) Case-A-0綠地率為0%；(b) Case-A-5-GR綠地率為5%；(c) Case-A-20-GR綠地率為20%；(d) Case-A-35-GR綠地率為35%；(e) Case-A-50-GR綠地率為50%

3.2 綠地空間格局對熱環(huán)境的影響

在保證綠地面積參數(shù)一致的情況下，占模擬區(qū)域總面積的6.5%，綠地的空間格局方式分為軸線布置、中心集中布置、綠地分散布置在四周以及點(diǎn)式鑲嵌布置。需要說明的是，由于建筑容積率引起的熱環(huán)境變化忽略不計。上文的研究表明在綠地率為5%左右，綠地的整體降溫效應(yīng)不明顯，只會對周邊的區(qū)域產(chǎn)生熱環(huán)境效應(yīng)，所以本部分研究不進(jìn)行差值相減，主要是直觀研究不同空間布局模式下所呈現(xiàn)的熱環(huán)境效應(yīng)特征。

(a) Case-A-5-GR-B溫度場；(b) Case-A-20-GR-B溫度場；(a) Case-A-35-GR-B溫度場；(b) Case-A-50-GR-B溫度場

通過直觀模擬圖4顯示，散點(diǎn)鑲嵌式綠地布局模式具有最好的降溫效果，整個片區(qū)的平均溫度最低，帶狀和片區(qū)相差不大，溫度最高的是綠地位于邊緣區(qū)域。散點(diǎn)鑲嵌式以放射狀布置于整個區(qū)域內(nèi)，由于綠地斑塊面積不大，對周邊區(qū)域影響范圍有限，但是所有熱環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行串聯(lián)，所以整個片區(qū)達(dá)到了最大降溫效應(yīng)，軸線以及片區(qū)布局位于區(qū)域的中心集中布置，綠地斑塊面積比較大，降溫效應(yīng)沿主要的通風(fēng)廊道蔓延，所以整個片區(qū)的熱環(huán)境效應(yīng)良好，但是在南部地區(qū)會出現(xiàn)熱量的堆積，綠地分散位于邊緣，熱環(huán)境效應(yīng)最差，整個片區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了大面積的高溫區(qū)域，高溫區(qū)域比例相對于其他情景模式提高30%左右。所以在建筑組團(tuán)尺度上，在有限的綠地空間內(nèi)，綠地最好呈放射點(diǎn)狀鑲嵌式布局，在調(diào)整熱環(huán)境方面，綠地均質(zhì)布局熱環(huán)境效應(yīng)優(yōu)于局部集中布局。

3.3 綠地與風(fēng)的耦合關(guān)系對熱環(huán)境的影響

綠地與風(fēng)的耦合關(guān)系主要是綠地面積一致的前提下，綠地布局分為環(huán)抱連續(xù)式(外向阻擋風(fēng))以及帶形貫穿式(內(nèi)向引導(dǎo)風(fēng))2種形式，同時為了增加橫向?qū)Ρ刃?，此部分綠地面積參數(shù)設(shè)置與綠地空間布局形式模塊研究保持一致。

(a) Case-B-BEL-GT；(b) Case-B-CEN-GT；(c) Case-B-DEC-GT；(d) Case-B-DOT-GT

(a) Case-C-OU-GT；(b) Case-C-IN-GT

圖5顯示，綠地布局為連續(xù)環(huán)繞式，綠地的帶狀遮陰降溫效應(yīng)在來流東北風(fēng)的作用下，會向建筑空間內(nèi)部蔓延，整個區(qū)域東北向溫度比較低，出現(xiàn)了溫度的至低點(diǎn)，最低溫度為31.75 ℃，由于外圍高大的喬木起到了擋風(fēng)的效果，使整個區(qū)域內(nèi)部的熱量無法順利排散，區(qū)域內(nèi)部大量熱量聚集在西南角，溫度最高達(dá)到32.50 ℃，高于東北角0.75 ℃，區(qū)域溫度分布對比強(qiáng)烈，達(dá)到了最大強(qiáng)度的熱環(huán)境效應(yīng)；內(nèi)部貫穿式，綠地以帶狀形式布局在區(qū)域內(nèi)部，降溫效果分布均衡，但是區(qū)域的平均溫度比外部環(huán)繞式溫度高0.2 ℃，主要原因是高大的喬木布置在區(qū)域外圍對于太陽輻射形成遮擋，在區(qū)域外圍高大植栽的遮陰降溫效果明顯高于在區(qū)域內(nèi)部布置綠地的影響。

4 結(jié)論

1)在建筑組團(tuán)尺度上，增加綠地率和綠量，可以有效改善城市熱環(huán)境。綠地率為5%，熱環(huán)境效應(yīng)不明顯，達(dá)到50%時，可以達(dá)到最大的降溫幅度。但是在快速城市化背景下，綠地率控制在20%~35%可以實(shí)現(xiàn)土地的經(jīng)濟(jì)性以及宜居生存環(huán)境的之間的相對平衡關(guān)系。

2) 綠地合理的空間格局是影響熱環(huán)境的重要因素。放射點(diǎn)狀布置的降溫效果最好，中心片狀布局以及軸線布局次之，邊緣布置的降溫效果最差。所以，綠地盡量均衡布置。

3) 綠地與風(fēng)的耦合關(guān)系的作用機(jī)理比較復(fù)雜。綠地外圍連續(xù)環(huán)繞式布局，對風(fēng)起到阻擋作用，同時，綠地的高大喬木形成了明顯的遮陰效果，阻止外圍熱量進(jìn)入建筑空間內(nèi)，所以平均溫度比內(nèi)向引導(dǎo)式布局的溫度要低，達(dá)到了最大強(qiáng)度的熱環(huán)境效應(yīng)。內(nèi)向引導(dǎo)式布局由于綠地的導(dǎo)風(fēng)作用，城市風(fēng)環(huán)境相對于外圍連續(xù)環(huán)繞式氣流分布均衡，風(fēng)環(huán)境良好。

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Study on thermal environment effect of green space layout based on numerical simulation of computational fluid dynamics

WANG Guiqin1, ZHENG Bohong2, YU Hanwu1

(1. School of Architecture and Art Design, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. School of Architecture and Art, Central South University, Changsha 410083, China)

Based on the Urban Microclimate Simulation Software ENVI-met, constructing a typical building group in the case area, extracting quantitative factors: “green area, green space pattern, the coupling relationship between green space and wind”, numerical simulating and analyzing the green space layout of thermal environment effect were based on the planning and design. The results show that it is practical to control the green land rate between 20% and 35%; balanced and distributed green space layout is better than that of partial concentration in improving the thermal environment; the coupling relation between green space and wind will bring the maximum intensity of thermal environment effect.

numerical simulation; green space layout; ENVI-met; city thermal environment

TU984

A

1672 ? 7029(2019)06? 1519 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.06.023

2018?08?01

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2018JJ3171)；2019年度湖南省社會科學(xué)成果評審委員會課題(XSP19YBC018)

鄭伯紅(1966?)，男，廣東韶關(guān)人，教授，博士，從事城鄉(xiāng)規(guī)劃與城市發(fā)展；E?mail：463679347@qq.com

(編輯 陽麗霞)