城市住宅小区下垫面覆盖对热环境的影响*

史 兵（广东工业大学华立学院城建学院，广东 广州 511325）

随着城市化进程的飞速发展，人为干扰形成了城市内不同结构类型的下垫面，影响了城市的风向、风速，外加交通排热和建筑排热等因素的影响，以及太阳辐射作用，城市热环境问题越来越严峻。

下垫面既是城市的主体，也是城市生活的重要载体。不同的下垫面对不同气候和环境的敏感度和适应性有所差异。城市下垫面主要包括：城市铺地、植被、水体、建筑物铺面材料等。在人为作用下，城市下垫面与郊区下垫面相比，具有很小的热容率与很大的热导率，这种差异导致城市整体升温更快。因此，通过比较不同类型、不同情况下下垫面性能的优劣，从定性和定量分析的角度，研究城市下垫面与城市热环境的影响关系，营造舒适宜居的生态城市。

目前，国内外针对下垫面的研究已经取得一定的进展。D.TMihailovic等人[1-2]用等效、类比和数值模拟等方法详细讨论了建筑布局、植被、土地利用等对城市热环境的影响，为城市热环境的评估和改善奠定基础。Tadahisa Katayama[3]对绿化小区的热环境进行了实测。WeijunGao[4]测量评估树木对人行道热环境的影响，模拟分析绿地对城市热环境的影响。Haruhisa Shudo[5]测量分析了土地利用和环境温度之间的关系。Monsi和Saeki得出冠层中辐射指数衰减的概念[6]。文献[7-9]通过对观测点不同范围内建筑率和绿地率建立线性回归关系，发现温度与绿地率存在负相关关系，温度与建筑率存在正相关关系，早上8:00和下午14:00线性相关关系不大，晚上20:00较显著，绿地范围太小时也不显著。此外，杨伟和顾明[10]利用FLUENT中k-ε湍流模型对单体高层建筑的三维流动风场进行了数值模拟，模拟结果与风洞试验结果做了比较，证实模拟方法的精确性。

本文将采用模型模拟的方法，合理选择城市室外热环境评价指标，分析不同的下垫面形式对城市小区热环境的影响。首先，建立辐射模型，预测植被、水体等对太阳辐射的反射、吸收作用及换热过程，利用k-ε方程建立三维冠层流动模拟体系，对城市下垫面建筑性能与城市热环境的关系进行综合性研究。

1 模拟过程

1.1 计算理论

1.1.1 流场数值模拟计算方法

近地大气流动处于湍流流动状态，本文研究城市住宅小区建筑布局、植被、水体、铺面等规划因子对局地大气流动的影响，选用标准k-ε模型进行计算[11]。

其中，湍动耗散率ε为：

湍动黏度μt为k与ε的函数：

式中Cμ-待定经验常数（取0.09）

1.1.2 控制方程离散化方法

在运用CFD技术对计算域离散时，运用有限体积法（Finite Volume Method，FVM）进行离散，其中，压力梯度项、扩散项选用中心差分格式，对流项选用二阶迎风格式。

1.2 工况设计

本例小区共分有两大不同的建筑设计，建筑长宽比分为2.0（建筑L=42m,B=21m）与3.0（L=63m,B=21m）两种，建筑高度H分别为33m（外围建筑11层）与45m（内部建筑15层）。

本案例设置6种工况进行模拟计算，工况平面布置如图1所示。其气象条件参数的设置参考7月21日早上08:00、中午13:00和晚上18:00气象站实测数据，具体参数设置见表1。

图1 平面布局和采样点布置图

表1 模拟工况

2 结果分析

2.1 温度场分析

提取1.5m高度处各采样点不同时间温度场数值模拟结果，将其统计值绘制成散点图进行对比分析，如图2所示。得知，在以植被为主导作用的工况1、3、5中，采样点1、2、3、4温度均稍有降低，5、6、7温度略有升高，在此位置受植被蒸腾作用影响较小，且缺乏上部空气流通；在以水体为主导作用的工况2、4、6中，中午13:00时刻太阳辐射最强，蒸发作用最强，傍晚18:00水面有一定的保温性，散热较慢，各采样点在不同时刻的温度规律为：早晨最低，中午最高，傍晚中等。整体上在水体占主导作用时温度较植被占主导时均有所降低，约0.6℃。

图2 不同时刻1.5m高度各采样点温度散点图

提取1.5m高度处各采样点不同时间湿度场数值模拟结果，将其统计值绘制成散点图进行对比分析，如图3所示。可知，在以植被为主导作用的工况1、3、5中，各时间点，采样点5、6、7湿度没有明显变化，1、2、3、4点湿度逐渐升高；在以水体为主导作用的工况2、4、6中，各时刻在距离水体越近区域湿度越大；总体上，早上8:00时刻，相对湿度最大，中午13:00时刻在太阳辐射作用下水分蒸发较多，植被蒸腾作用最强烈，湿度最低，各时刻位于下风向的采样点3、4、7处，在风向影响下较上风向湿度偏大。在水体占主导作用下湿度约高出7%。

图3 不同时刻1.5m高度各采样点相对湿度

3 结语

植被通过蒸腾作用改变局域的温度、湿度状况，进而影响住宅小区微气候，而植被叶片在不同时刻不同环境下气孔的开启状态有所差异，蒸腾作用就有所不同。由于不同时刻辐射作用的差异，叶片与空气温度有所不同，其蒸腾速率就有变化。同样，由于不同时刻太阳辐射的不同，地面蒸发速率也相差较大，其对小区温度、湿度都有一定程度的影响。