基于集总参数法的居住小区热环境评价研究★

邵 丽 丽

(贵州民族大学建筑工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

随着我国快速发展，大规模的城市建设更新以及人口的急剧增长，使得城市气候出现“城市热岛”和空气污染难以扩散的现象，造成城市环境质量变差，空调负荷增加，人们的健康和热安全问题突出等问题。面对以上问题，目前行之有效的方法之一是借助计算机进行数值模拟对居住区的热环境进行预测，不断调整优化建筑设计和规划设计的方法，使得居住区的热环境满足相关的评价标准。与此同时，我国GB/T 50378绿色建筑评价标准、《绿色标准评价细则》等行业规范标准也提倡利用数值模拟优化建筑规划设计[1]。

1 城市热环境数值模拟法介绍

城市热环境数值模拟方法有集总参数法和分布参数法。集总参数法假定研究区内的某一时刻的空气温度是一样的，即研究区内整个空间是完全均一的质点，内部的空气温度与时间有关，但和空间位置无关[2,3]。集总参数法通过计算建筑周边要素的热平衡，可预测整个区域的不同时间的平均温度。以集中参数法为理论模型的模拟工具有计算速度快、操作简单等优点，同时模拟结果与实际测量数据吻合精度能够满足工程需要，非常适用于建筑设计初期使用。而分布参数法以计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)和热力学为基础，将研究区域划分成网格状，计算每个网格的导热、对流换热和辐射换热并耦合，可以得到研究区域中某一时刻不同位置处空气的温度、湿度和速度等结果[4]。集总参数法得到的某一时刻的温度结果是一个值，而分布参数法得到的温度结果数量与网格划分的数量相关，即分布参数法与空间相关。目前，基于分布参数法的常用模拟工具主要有Fluent,Phoenics等软件，其需要使用者具备相应的计算流体力学知识。软件模拟时需要根据经验简化模型，划分网格时对网格质量要求高，边界条件也需要一定的理论知识才能合理设置，加之计算模拟需要的时间长，后期处理数据量较大等，使得建筑师使用其难度较大，难以满足建筑设计初期的需求。

2 模拟软件简介

2.1 DUTE软件简介

本次居住区模拟选用建筑热环境分析软件DUTE(Design Urban Thermal Environment)，它是基于集总参数法开发的，专门针对居住区夏季热环境进行评价的软件。由华南理工大学建筑节能中心运用VC++计算机语言在常用的绘图工具CAD平台上进行二次开发的，能够直接使用原有规划设计图进行建模计算，不需要再额外建模，缩短了前期使用软件的时间。DUTE软件可实现天空角系数、建筑阴影率和平均化处理下垫面参数等热环境相关参数的计算，计算过程只需几分钟，就能得到热环境评价结果。因为它能够友好的对接建筑设计绘图软件CAD，计算时间短，上手快速，非常满足建筑规划师的需求，有较好的工程实践意义，使用广泛。

2.2 软件理论模型CTTC模型简介

DUTE1.0软件的理论核心是CTTC模型(Cluster Thermal Time Constant)即建筑群热时间常数，它是由以色列学者H.N.Swaid和M.E.Hoffnan等提出的基于热平衡的基础上采用建筑时间常数的方法来计算小尺度建筑区域内热环境的方法[5]。整个围护结构的热时间常数定义为：如果外部有一单位阶梯函数的温度扰动(如从0 ℃～1 ℃)通过所有的传热途径，则由此引起的内部温度反应升高至最终稳定值的0.632 1(等于1-e-1倍)所需的时间，表示的是整个房间热反应的一个热物理参数[5-7]。

对于已建成建筑群的CTTC值可以根据它的几何参数(地面、外墙面积)计算如下：

其中,(1-FA/S)为部分开放空间面积；WA/S为小区的外墙面积。这样就可以用CTTC来反映出显热蓄热，即太阳辐射对空气温度的作用。

CTTC模型适用于预测和评价城市形态、建筑布局、景观分布及人为散热等因素对城市冠层内热环境影响。根据《城市居住区热环境设计标准》，居住区空地、建筑以及乔木的热时间常数分别为8 h，6 h和12 h[8]。

2.3 DUTE软件可行性验证

2010年华南理工大学陈佳明和舒力帆将DUTE的模拟温度与实测温度进行对比：实验测试的温度平均值为31.54 ℃，最大值为35.6 ℃；而软件计算温度平均值为31.6 ℃，最大温度为35.82 ℃；二者平均值相对偏差为0.84%，最大值相对偏差为2.17%，结果吻合度高，可以满足工程计算要求[3，9]。

2012年华南理工大学陆莎比较了DUTE模拟结果、实测结果和FLUENT软件模拟结果，结果表明：三者空气温度趋势是一致的，误差在允许范围内，利用DUTE软件模拟得到的室外1.5 m高处空气温度是合理且有效的[10]。

2017年南京大学段艳文分别采用DUTE与Phoenics软件模拟了布置绿植的研究区，并采用湿球黑球温度(Wet Bulb Globe Temperature,WBGT)为对比指标，结果表明：二者WBGT指标的逐时变化曲线总体趋势接近。在不同的植物类型下，Phoenics的模拟值要大于DUTE，其计算的误差在1 ℃左右[11]。

总体而言，基于CTTC集总参数法的室外热环境分析工具DUTE的计算方法是科学合理的，其预测精度满足工程需要。

2.4 评价标准

DUTE根据国家行业标准JGJ 286—2013城市居住区热环境设计标准中的评价性设计方法，并采用模拟计算所得的湿球黑球温度和热岛强度作为评价指标对热环境质量进行评价。根据标准规定，上述指标应满足如下条件[8]：

1)夏季逐时WBGT≤33 ℃；

2)夏季贵阳地区北京时间9:00～19:00间的平均热岛强度不大于1.5 ℃。

3 贵阳某居住区热环境模拟

3.1 工程概况

居住区占地面积113 333 m2，容积率为1.96，绿地率为32%。小区北面由一排2层～3层的商业街构成，小区中部是18栋3层别墅，四周是26层和18层组成的高层围合而成(见图1)。

3.2 计算采用的气象数据

软件采用的气象数据为贵阳市夏季典型气象日7月21日0：00～24：00的逐时空气温度、相对湿度、太阳总辐射照度、太阳散射辐射照度和风速等参数。贵阳典型日平均温度23.9 ℃，最高温度出现在16：00左右。太阳辐射量不大，水平总辐射量为117.21 W/m2，最大值在14：00，水平散射辐射为141.52 W/m2，16：00最大。夏季主导风向为南向，日平均风速2.3 m/s。

3.3 计算模型

根据小区下垫面材料的性质，对软件进行设置。创建小区建筑并输入建筑高度，创建水泥地块、草地地块，透水砖地块、水体地块、乔木大小和位置以及构筑物遮阳地块，设定计算的区域等。最终的计算模型见图2。

3.4 模拟结果

该居住区逐时平均空气温度、WBGT和热岛强度的计算结果，如图3～图5所示。图3中tα.TMD为贵阳市典型气象日逐时平均空气干球温度，ta为居住区逐时平均空气温度，从图中可以看出，因为建筑物对太阳辐射的互相遮挡，使得通过空气流动带走的热量减少，住区在下午和夜晚的空气温度高于同时刻典型气象日的空气温度。由于建筑物对太阳辐射的互相遮挡，使得部分建筑在阴影中，没有受到太阳辐射的影响，因此9：00～13：00间，住区的空气温度小于典型气象日的空气温度。图4中可以看到，WBGT最高温度出现在16：00，最低温度出现在6：00，24 h内的逐时平均WBGT值均低于33 ℃。因此，满足标准中对WBGT的控制目标。对于热岛强度(见图5)，最大值出现在夜晚23：00，最小值出现在10:00，全天的平均热岛强度均值为1.32 ℃。根据标准，从9:00～19:00间平均热岛强度均值为0.595 ℃均小于1.5 ℃。

4 结语

与CFD模拟软件相比，DUTE1.0可以直接使用建筑规划的CAD图纸进行建模，只需加入建筑高度，添加建筑和地表的材质物理属性便可进行计算，且只需几分钟便能计算出24 h逐时的热环境参数，该软件操作简单高效，便于建筑规划设计师快速进行热环境评价，适用于设计初期。但因为CTTC模型不能考虑热在水平方向的传递，因此如何选取区域，选取多大区域将影响CTTC计算的准确性。

居住区是城市的重要组成单元，是人们生活的重要场所，需要城市规划和建筑设计加以关注，基于集总参数法的热环境评价减少了关注的难度，对工程实践具有指导意义。