基于图像分析的城市建筑群室外热环境研究

论文摘要

城市建筑室外热环境是建筑环境的重要组成部分,它与人们的日常生活密切相关。研究建筑室外热环境对于提高人们的居住环境质量和建筑能效有重要的意义。目前,国内对室外热环境的研究还主要从城市的整体热环境问题出发,研究具有宏观意义的室外热环境(例如,城市热岛问题等),并取得了很多重要的研究成果。但是对于以城市建筑群为研究对象,研究局部区域性室外热环境的工作还不多,很多内容还不成熟,特别是目前快速发展的居住小区的规划和建设过程中的热环境问题,缺乏系统的理论研究和指导。针对这些问题,本文以建筑群为研究对象,研究介于单体建筑和城市宏观层面之间的局部区域性室外热环境问题。由于建筑群室外热环境的研究对象不同于城市宏观层面的研究,它涉及了具体的建筑布局、建筑材料、树木绿化等问题,为了将这些因素的相互影响融入到整体的建筑群室外热环境研究中去,本文应用了数字图像技术的基本原理,将建筑群室外热环境的影响因素以数字形式储存在图像中,对建筑群室外热环境的分析,可以转换为对图像的分析,为室外热环境分析提供了一个新的分析方法和思路。本文研究的是早期规划阶段的建筑群室外热环境问题,因此,在分析建筑群中空气流动时,采用了区域网络流动模型,即用建筑、地面等围成不同的流动区域,并通过各个流动区域的开口将这些流动区域连接起来构成网络模型,从而实现了对建筑群中的空气流动的求解;同时对建筑群中的建筑和地面建立了辐射、导热数学模型。在数学模型中考虑了太阳直射、太阳散射、反射辐射、长波辐射、空气流动换热、建筑的外围护结构传热、地面传热等因素,分别以建筑、地面、空气为对象,建立热平衡方程进行耦合求解。同时,应用数字图像技术,分别建立了区域网络图像分析模型、辐射图像分析模型和导热图像分析模型,实现了数字图像与建筑群室外热环境数学模型的结合。在数学模型的求解过程中,首先,根据规划图建立建筑群数字模型,分别将建筑布局、高度、建筑材料、绿化分布等信息储存在图像数据文件中。其次,根据建筑的布局特点,构造区域网络流动模型,并实现图像处理过程与流动过程、辐射过程、导热过程求解的结合。流动区域信息、辐射信息、导热信息等都是通过对建筑群数字模型中储存的基本信息运算来实现,这些信息在流动模型、辐射模型、导热模型三者之间相互调用,流动模型将计算出来的空气温度等信息提供给图像,并作为新添加的信息储存起来,在计算地面温度时调用;计算得到的地

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 概论
• 1.1 中国城市化进程中的资源、环境问题
• 1.2 城市化对建筑室外热环境的影响
• 1.2.1 城市建筑室外热交换机理
• 1.2.2 城市化进程中室外热环境的改变
• 1.2.3 城市建筑室外热环境问题的突出表现——城市热岛效应
• 1.2.4 城市建筑室外热环境的影响
• 1.3 城市建筑室外热环境研究方法
• 1.4 建筑室外热环境研究进程和现状
• 1.4.1 研究进程
• 1.4.2 地面测试
• 1.4.3 计算机模拟研究
• 1.5 研究问题的提出
• 1.6 本文的研究工作
• 1.7 小结
• 2 数字图像及其与建筑规划图的结合
• 2.1 数字图像应用到建筑群室外热环境的可行性
• 2.2 数字图像基本介绍
• 2.2.1 数字图像应用范围
• 2.2.2 数字图像处理工具
• 2.2.3 MATLAB 中的图像数据
• 2.2.4 图像中数据的坐标位置和像素值表达
• 2.2.5 图像中像素大小与图像效果的表达
• 2.3 建筑规划图转换为数字图像的原理及方法
• 2.3.1 图像导出
• 2.3.2 区域选择
• 2.4 转换后的数字图像特点
• 2.5 小结
• 3 建筑群热环境辐射参数图像分析
• 3.1 太阳辐射模型
• 3.1.1 太阳热辐射特性
• 3.1.2 太阳辐射能量模型
• 3.2 太阳直射辐射图像分析
• 3.2.1 建筑阴影在图像中的生成
• 3.2.2 建筑立面在图像中的生成
• 3.2.3 太阳直射辐射能量分布图像
• 3.3 散射辐射图像分析
• 3.3.1 天空视角系数
• 3.3.2 天空视角系数图像分析
• 3.3.3 实例分析
• 3.3.4 天空划分对角系数的影响
• 3.3.5 天空散射辐射在图像中的分布
• 3.4 长波辐射分析
• 3.5 反射辐射分析
• 3.6 建筑群内日照小时图像分析
• 3.6.1 日照小时的理论基础
• 3.6.2 实例分析
• 3.7 建筑群下垫面导热图像分析
• 3.7.1 下垫面导热参数图像分布
• 3.8 下垫面流动图像分析
• 3.9 小结
• 4 建筑群热环境数学模型理论分析
• 4.1 建筑群内空气流动数学模型
• 4.1.1 建筑群内空气流动区域网络图的形成
• 4.1.2 建筑群流动区域质量守恒方程
• 4.1.3 建筑群流动环路矩阵
• 4.1.4 建筑群区域流动网络的环路压力方程
• 4.1.5 流动开口的压差和流量关系
• 4.2 流动区域空气温度求解
• 4.2.1 区域内空气的热平衡式
• 4.2.2 空气运动所带来的热量收支速率
• 4.2.3 周边壁面吸热产生的热速率
• 4.2.4 区域内气体的热蓄积速率
• 4.2.5 建筑群区域空气温度求解
• 4.3 建筑外墙结构和地面传热解析
• 4.3.1 基本计算公式
• 4.3.2 导热计算公式离散化方程式
• 4.4 建筑群内的辐射换热模型
• 4.5 小结
• 5 数学模型程序编制及其与图像的结合
• 5.1 程序界面
• 5.2 数学模型与图像分析的结合
• 5.2.1 实例分析对象的情况
• 5.2.2 导热过程的结合
• 5.2.3 流动过程的结合
• 5.2.4 数学模型与图像分析结合过程框图
• 5.3 小结
• 6 建筑群室外热模型实验分析及验证
• 6.1 模型计算结果分析
• 6.2 实验测试
• 6.2.1 实验仪器及数据采集
• 6.2.2 实验模型的建立
• 6.2.3 实验过程
• 6.3 模型计算结果与实验结果对比分析
• 6.4 小结
• 7 建筑群室外热环境初步应用举例
• 7.1 规则建筑群的形式
• 7.2 规则建筑群的基本情况
• 7.3 规则建筑群室外热参数分析
• 7.3.1 第一种建筑群：点式建筑
• 7.3.2 第二种建筑群：长条形式
• 7.3.3 第三种建筑群：短条形
• 7.3.4 第四种建筑群：长条形与短条形的组合
• 7.3.5 第五种建筑群：庭院形式
• 7.3.6 第六种建筑群：长条形式的组合
• 7.4 小结
• 8 全文总结与建议
• 8.1 全文总结
• 8.2 本文的创新点
• 8.3 存在的不足和今后工作的展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢