街区尺度下的建筑微气候改善

李 旭，张 伟

（天津城建大学能源与安全工程学院，天津 300384）

人类居住的建筑内部、庭院及小区的气候，在学术上称为微气候.微气候和其他环境一样，影响着人们生活的诸多方面.良好的微气候不仅可以提高人们的生活品质，也有助于实现“节能减排，低碳生活”的目标.但是随着城市化的发展，建筑外恶劣的风、热环境却越来越常见，严重影响了居民和行人的舒适感，因此改善建筑微气候已经变得刻不容缓.

美国的Golany[1]阐述了微气候和气候区的关联，不同气候区的城市形态以不同的程度和方式影响着微气候；1986 年，Heisler[2]发现，建筑南向的高大树木可以减少南墙80%的辐射，而落叶后减低为40%；2013 年，Vailshery 等[3]做了街道树木对气候和空气污染的影响研究，比较了有树木道路和没有树木路段，得出了有树木的街道平均温度、湿度和污染都较低的结论.

国内对微气候的研究起步较晚，研究内容主要包括城市内部部分区域的微气候、内部气候、不同气候分区城市及近水区域的微气候等.2006 年，李书严[4]采用实测数据分析和数值模拟方法，研究了水体对微气候的作用，肯定了水体对微气候的调节作用；郑子豪[5]的研究将密度、建筑高度和布局与三维模型结合，对城市规划有指导意义；盛景四[6]采用CFD 数值仿真方法，研究了绿化和水体两种垫面类型对室外热环境的影响，得出夏季绿植中草坪、灌木、乔木的降温效果依次增强，设置在建筑上游风侧的水体夏季可以扩大其降温范围，冬季可小幅度提升建筑附近的空气温度.

综上可以看出，影响建筑微气候有诸多因素，因此在改善微气候时，可从多个方面着手.本文参考盛景四论文[7]中的动漫园模型，并在其研究的基础上，探讨了改善室外微气候的有效途径.以《绿色建筑评价标准》[8]（GB/T 50378—2014）作为微气候的评价标准，使用CFD 方法对动漫园的冬、夏季微气候进行数值模拟，定量分析现有规划布局下建筑微气候的特点及不利微气候的形成机制，提出微气候的优化策略，实现改善建筑微气候的目的.

1 数值模型

本文中新天津生态城（SSTEC）动漫园的总面积约为31.23 km2，选取动漫园中规划的区域作为改善微气候的研究对象. 规划区域（规划 1、2、3、4 和北苑公寓）的面积约为3.6 km2（见图1）. 夏季天津的主导风向多为偏南风，平均风速为1.7 m/s；冬季的主导风向多为偏北风，平均风速为2.9 m/s. 动漫园的计算区域尺寸为2 000 m×2 000 m×120 m 的长方体，使用SOLIDWORKS 建立三维模型.

图1 动漫园规划区分布图

1.1 热平衡模型

热平衡模型体系由固体表面热平衡模型、地表导热模型、建筑表面导热模型组成.固体表面模型包括下垫面和建筑表面，该模型的任意网格应满足热平衡关系，如下

式中：Si为网格i 吸收的太阳短波辐射项；Ri为长波辐射项；Hi为交界面网格对流换热项；Ci为固体表面网格i 导热项；Li为网格i 与周围环境的潜热换热项.

太阳短波辐射项Si由太阳辐射、天空散射辐射和周边环境反射的太阳辐射组成，表达式如下

式中：αi为网格i 的太阳短波辐射吸收率；EDi为网格i接收的太阳直接辐射；ESi为网格i 接收的太阳散射辐射；Bji为网格i 对周边网格j 反射的太阳辐射的吸收因子；αj为网格 j 的太阳短波辐射吸收率；EDj为网格 j 接收的太阳直接辐射；ESj为网格j 接收的太阳散射辐射.

长波辐射项Ri的计算式如下

式中：Bji为吉尔勃特吸收因子；Tj为网格 j 温度；Ti为网格i 温度.

对流换热项Hi的计算式如下

式中：αc为流体与交界面的对流传热系数；Tai为固体壁面附近的空气温度.

地表导热模型的基本方程

边界条件

式中：T 为距地表 z 处的温度；λ 为地表导热系数；ρ 为地表密度；c 为地表材料比热容；z 为距地面高度，方向为垂直下垫面向上，其中z=0 表示下垫面表面；Ta为室外空气干球温度；QNS为地表的太阳辐射净得热量；Q1a为地表与周围环境之间的长波净辐射量；Ts为地表深度2 m 以下设定的恒定温度（288 K）.

建筑表面导热模型的基本方程为

边界条件

式中：T 为距建筑表面x 处的温度；Tset为设定空调温度；Q′NS为建筑外表面的太阳辐射净得热量；Q′NL为建筑外表面对天空、植物冠层、地表以及建筑之间的净长波辐射；λ、ρ、c 分别为围护结构的导热系数、密度和比热容；d 为建筑物围护结构厚度；αci为内表面对流换热系数；αco为外表面对流换热系数.

1.2 空气流动模型

基本控制方程如下

连续性方程

动量方程

能量方程

式中：cp为定压比热容；T 为温度；k 为流体的传热系数；ST为黏性耗散项.

考虑到动漫园区计算域足够大，没有大分离回流等问题，因此选用标准k-ε 湍流模型.

1.3 植物模型

树木如果完全按照实际建模，模型不仅复杂而且计算量巨大，所以本次模拟采用简化树木模型方法建模.Green[9]风洞实验的结果表明，在各种简化的树冠形状中，长方体与实际情况最符合.简化模型不仅能加快复杂模型的建模速度，还能缩短计算迭代时间.因此，把树木的几何形状简化为长方体，树木的参数设置见表1.

表1 树木参数设置

1.4 边界条件设置

Fluent 入口边界条件设置为速度入口边界条件，是通过Fluent 内置的UDF 编程给定，采用指数幂法则[10]

下垫面边界条件设置为固定温度，同时将下垫面设置为无滑移壁面边界条件.计算域顶面和两侧面边界条件设置为对称边界条件. 该模型的计算域足够大，空气流态属于出口完全发展段，因此出口边界条件设置为自由出流边界条件.

流体区域设置为黏性、不可压缩、低速湍流的空气，所以本模型选择基于压力的求解器，同时结合SIMPLE算法适用范围广的优点，模拟计算时选用SIMPLE 算法.

2 模拟结果及讨论

《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2014）[8]中规定，建筑物周围人行区风速应低于5 m/s，以此做为建筑外风环境的评价标准.评价微气候时，是选取距地面1.5 m 高度的人行高度剖面为研究面，研究分析该平面上的温度、风速分布.当风速低于5 m/s 时，即认定为风环境良好，而对于建筑外的热环境没有具体的评价标准，出于人体舒适性的考虑，应尽可能地减少夏季高温情况的出现.

2.1 室外热/风环境模拟分析

图2 为动漫园区的温度和风速云图，从图2a 可以看出，夏季动漫园中的4 个规划区和北园公寓均出现高温情况，其中最高温度（28.6 ℃）出现在规划3 中庭内部，最低温度（26.2 ℃）则分布在水体区域. 总体来看，高温区域多集中在建筑的背面和建筑的内墙角处.从图2b 可以看出，夏季风速最高为2.9 m/s，满足人体舒适性，符合绿色建筑评价标准的规定.图2c 中，冬季动漫园区内的风速较高，且多集中在街道处、主导风向上建筑群的入口、建筑拐角以及间距较小的建筑山墙之间，其中最大风速超过了5 m/s.

图2 动漫园规划区夏、冬季温度和风速云图

图3 为规划1 的温度和风速云图，从图3a 可知，夏季规划1 的高温区分布在主导风向上建筑的入口及建筑背部，根据建筑的布置，不难分析出是由建筑围合度较高所致，虽然在来流方向上有一定的开口（A），但是气流还是被西北向的建筑阻挡，热量无法及时散发出去，于是局部出现了27.48 ℃的高温.冬季风速如图 3b 所示，规划 1 共出现了 A 区域（4.7 m/s）、B区域（5.1 m/s）和 C 区域（5.9 m/s）3 个高风速区. A 区域和C 区域是因为风经过狭窄的山墙，使得局部风速增大，形成了所谓的“漏斗风效应”，B 区域是由于角流风作用.“L”型和“F”型建筑由于自身结构，会产生回流和局部低压，不利于热量和污染物的排放.其东南侧也没有遮挡，势必会有冷风的侵入，加重冬季恶劣的风环境.

图3 规划1 温度和风速云图

图4 是规划2 和规划4 的温度和风速云图，规划2 属于典型的散点式建筑布局，其内部气流通畅，夏季不会造成热量的集聚，从图4a 中就可以得到验证，整体温度较低于其他区域.规划4 被规划2 半包围，中间有两栋呈“E”字型的半围合式建筑，自身会对来流有阻挡，从图4a 可以看出，在该两栋建筑的内墙角处出现了27.44 ℃的高温.在图4b 中，冬季的规划2 和规划4 出现了A、B、C 三个高风区，A 区域对于冬季主导风向上的来流是完全敞开的，会在其内部产生一个高速风带，最高风速达到了4.8 m/s.B 区域中两侧的建筑围成了一个渐缩的开口三角形，然而这样的建筑布置会在B 区域出现“漏斗风效应”，该区域最高的风速达到了4.6 m/s. C 区域中前后的建筑垂直于来流风，在一定程度上阻碍了高速气流，但由于两栋建筑错开排布，依旧会形成局部高风速区.

图4 规划2、规划4 温度和风速云图

图5 是规划3 的温度和风速云图，从图5 中可以看出，规划3 内部是分布较散的围合式建筑，正是因为这种特殊的组合形式，造成了建筑内部温度较高，而建筑外部温度较低的情况.夏季热量容易集聚在围合式建筑中庭内部，且由于建筑本身高度限制和来流风速小，中庭的上下压差很小，“烟囱效应”不明显，所以建筑内部温度较高，而分散式的建筑布置保证了建筑之间良好的通风效果，热量不会集聚于此，所以建筑外部温度只有26.77 ℃.分散式建筑布置有利于通风，在冬季平均风速高于夏季平均风速的基础上，在冬季会出现风速较高的情况，如图5b 所示，在七栋建筑中间的空旷地带，风速达到4.2 m/s.规划3 的北侧没有遮挡物，因此出现了超过5 m/s 的高速气流区.

图5 规划3 温度和风速云图

图6 北苑公寓温度和风速云图

图6 是北苑公寓的温度和风速云图，观察图6a，北苑公寓的C 建筑垂直于来流风向，背风面出现了局部26.7 ℃的高温，A 和C 建筑之间形成了一个局部低温区域，这是因为气流从主导方向上的AC 入口处进入，经过C 建筑时，大部分流向AB 建筑之间，经过A和B 两建筑减缩通道后，气流会再次加速，从入口AC处到出口AB 处的流道上都是高风速区，加上地面是草坪，于是就形成了一个局部低温区域.从图6b 中可以看出，冬季公寓东南角A、B 两栋建筑之间的区域出现了局部高速气流，A 区域的气流主要从左侧而来，A、B 建筑的开口较小，有利于冬季防风，但A、B 建筑间距较小，会形成局部高速气流，应加大A、C 两建筑的间距.北苑公寓的其他区域风速均没有超过5 m/s，可见公寓的冬季防风效果良好.

2.2 优化方案下的室外热/风环境分析

由上一节中的模拟分析可知，影响建筑微气候的因素主要有三个：下垫面类型（绿化和水体）、建筑布置和建筑结构.无论在建筑设计规划的初期，还是在规划建筑完成的后期，上述的三个方面在设计或改善良好的建筑微气候中具有举足轻重的作用.首先，下垫面类型中的绿化具有遮阳、蒸发蒸腾、气流拖拽及导流的作用，夏季在主导风向上种植树木并在树下种植草坪，可最大化地发挥其作用；冬季抵御寒风，改善风环境的主要方法就是在主导风向上种植灌木.大面积的水体可以加速水体蒸发带走热量.建筑布置要考虑建筑群的围合度和错落度，同时根据各季节的主导风向（特别是冬夏季），进行合理的围合度和错落的设置.建筑布置对通风、散热、排污起着至关重要的作用.改变建筑结构，即避免出现异形结构或围合度较高的建筑，可以在一定程度上增加空气的流动性. 基于此，本文针对上述规划区微气候所存在的问题，提出了改善建筑风热环境的优化设计方案，并依此对建筑微气候的改善效果进行评估分析.

根据上述的设计策略，制定出了改善建筑微气候优化方案（见图7）.①在规划1 中，调整建筑A 的布局，把A 建筑分为独立的2 栋A1、A2 建筑，增大其间的间距，形成夏季主导风的通风廊道并将B 建筑的开口上移，优化“L”型结构，改为长方形结构.同时在东南侧种植高大树木.②在规划2 中，在北侧再增加一栋建筑，在北侧、西侧以及其他空地种植高大树木.③增大北苑公寓中C、D 建筑之间的间距，即改变建筑间的角度和距离来增强内部气流流动.西南方的草地有空余，将路边的树木绿化延伸到该区域，增加树木种植面积.④在规划3 中间的空旷地带设置水体.具体优化细节见图7b，图中红色部分是道路，绿色的是树木，蓝色的是水体.

图8 是优化方案后的夏季温度云图，从图中可以看出优化方案明显改善了动漫园的热环境，其整体温度有了大幅度下降，其中规划1 的降温最为明显，首排建筑背后的高温区减小，平均温度为26.7 ℃.规划3中因为增加了水体，周边温度降低了0.3 ℃.其他区域的高温区也得到了不同程度的改善.

图7 原规划及优化方案设计图

图8 优化方案夏季温度云图

优化方案的冬季效果如图9 所示，冬季动漫园区内的整体风速减弱. 在各街道处，高风速区减少了60%以上，在小区四周（主要是西北侧）种植高大树木有效阻挡了冷风侵入.对于规划1，空旷区域的高速气流区消失，异形建筑区域改进后，空气流通能力加强，出现局部强风；对于规划2，种植的植被减弱了气流的汇集，其内部高速风区域风速降至1.87 m/s，角流风现象消失，风速均在5 m/s 以下；对于规划3，局部高速气流消失，空旷地带的风速由之前的4.2 m/s 降低到3.7 m/s；对于北苑公寓，原C、D 建筑之间的高速气流区减小，风速降到了3.7 m/s；对于规划4，其中“E”型建筑的局部漩涡消失，局部高速气流区风速降低至1.87 m/s，角流风现象消失.另外需要注意，冬季的风速很高，局部微小的不合理的调整可能就会让风速超过5 m/s，因此在对冬季风环境改善时提出了更高的要求.

图9 优化方案冬季风速云图

3 结 论

本文采用CFD 仿真方法对动漫园规划区的微气候进行了模拟分析，针对建筑布置、建筑结构以及下垫面等因素，设计的优化方案都相应地对建筑布置及建筑结构做出了调整，并增加了绿化和水体来改善建筑微气候，改善的效果可以从优化后的模拟结果图得到验证.经过优化方案的调整，冬季规划区的风环境得到了显著的改善，风速均调整到了5 m/s 以下，而且夏季规划区的高温情况明显改善. 至此，根据上述对微气候改善策略的研究，得出普遍适用性结论如下：

（1）在建筑布置方面，不同的建筑围合度会对其间气流的流通产生相应程度的影响.在夏季，较高的建筑围合度容易造成热量，同时也不利于污染物的排放.所以在设计初期，理应遵循较低建筑围合度的原则.

（2）在建筑结构方面，异形建筑由于自身的特点会存在很多拐角，而气流掠过建筑时，会在建筑的拐角出现漩涡，也不利于散热和排污.因此，减少使用异形建筑结构，可降低其对微气候的不良影响.

（3）在下垫面类型方面，结合建筑的布置，在其周围合理地安排绿化和水体既可以减少冬季冷风的侵入量，又可以减少夏季高温区的出现.所以，在建筑规划初期或者后期优化时，合理安排绿化和水体也是一种提高微气候质量的有效方法.