住宅小区室外热环境的实测与模拟

论文摘要

城市人口的快速增长导致了住房需求的急剧膨胀,住宅小区的建设得以快速发展。由于住宅区建筑物密度大,人口相对密集,高强度的人为活动消耗大量的能源造成了人为热的排放,下垫面性质改变引起的不同区域的温度差异,建筑布局不合理引起的风速死区,这些都会引起区域内微热环境的变化,导致热岛效应的产生。小区热岛效应不仅会影响居住者室外热舒适,还不同程度地影响到建筑能耗。因此,小区热环境的研究具有重要的意义并日益受到重视。本文以重庆市某小区作为研究对象,采用现场实测和数值模拟相结合的研究方法,全面了解和评价了该小区热环境特征,获得建筑区域内温度分布及气流形式并提出了改善措施。重点研究了以下内容:首先,在比较了前人对城市气候和建筑局部微气候的研究方法和研究模型之后,提出采用CFD用于建筑小区热环境的模拟,并建立了模拟计算所需的三维物理模型。其次,对沙坪坝雅豪丽景小区的热环境进行了全面测试,得到了小区夏季热环境特征,主要包括空气温湿度、下垫面表面温度、建筑表面温度、小区不同区域风速及风向的逐时变化规律,并着重讨论了空气温度的影响因素,以及不同下垫面热工特性的差异。第三,对人为排热量进行了初步调查和分析,包括交通排热量和居民生活排热量。交通排热量的调查以雅豪丽景小区外的道路作为研究对象,通过调查车流量、车型及车速,计算出小区外道路长度汽车排热量。居民生活排热量以重庆大学东村片区建筑群作为研究对象,主要统计其用电量和天然气用量,分类计算获得居民生活排热量的具体数值。第四,利用实测和调查所获得的数据作为边界条件,采用PHOENICS模拟了小区热环境,总结了小区内部空气温度场、风场和压力场的分布特征,并将模拟结果与实测结果进行对比分析以确定方案的可行性。最后,通过三种优化方案分别进行模拟,并将三个方案的模拟结果与小区现状模拟值进行比较,分析下垫面绿化、人为排热以及建筑布局等因素对小区热环境的影响大小,并提出了改善微热环境的几点建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 国内外小区热环境研究历史与现状
• 1.3.1 小区热环境研究方法
• 1.3.2 小区热环境的影响因素
• 1.3.3 居住区热环境对建筑能耗的影响
• 1.4 本文主要的研究内容和解决的问题
• 2 数值模拟理论及物理模型的建立
• 2.1 集总参数法相关模式
• 2.1.1 M.A.Atwater 的一维能量收支平衡
• 2.1.2 Myrup 的互联能量平衡模式
• 2.1.3 二、三维动力学模式
• 2.1.4 改进的CTTC 和STTC 模型
• 2.2 计算流体力学（CFD）数值解析方法（分布参数法）
• 2.2.1 流体流动的控制方程
• 2.2.2 湍流模型理论
• 2.2.3 PHOENICS 软件的介绍和一些说明
• 2.3 物理模型的建立
• 2.4 小结
• 3 小区热环境实测
• 3.1 测试概况
• 3.2 固定点数据分析
• 3.2.1 空气温度
• 3.2.2 空气湿度
• 3.3 流动测点数据分析
• 3.3.1 空气温、湿度变化情况
• 3.3.2 下垫面表面温度分析
• 3.3.3 各测点空气温度和下垫面表面温度比较分析
• 3.3.4 建筑不同表面温度分析
• 3.3.5 小区内不同测点的风速、风向变化
• 3.4 本章小结
• 4 小区人为排热量调查
• 4.1 小区外交通排热调查
• 4.2 小区内建筑发热量的确定
• 4.2.1 用电量引起的建筑发热量
• 4.2.2 天然气燃烧引起的建筑发热量
• 4.2.3 空调日建筑单位耗电量
• 4.3 本章小结
• 5 小区热环境的数值模拟
• 5.1 边界条件
• 5.1.1 入口边界条件
• 5.1.2 建筑壁面及下垫面的边界条件
• 5.1.3 出口边界条件
• 5.1.4 顶面、侧面边界条件及初始值
• 5.2 求解方法
• 5.3 数值模拟结果及与实测值比较分析
• 5.3.1 温度场分布
• 5.3.2 风场分布
• 5.3.3 压力场分布
• 5.4 本章小结
• 6 小区热环境优化方案
• 6.1 优化方案及研究计划
• 6.2 各方案数值模拟结果分析和比较
• 6.2.1 温度场分析
• 6.2.2 风场分析
• 6.2.3 压力场分析
• 6.3 小结
• 6.4 改善城市微热环境的建议
• 7 总结与展望
• 7.1 本文的主要研究内容和结论
• 7.2 对进一步研究工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录