多模式组合的居住区绿地对热环境影响的模拟研究.pdf
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1、第 卷第期 年月西安建筑科技大学学报(自然科学版)J X i a nU n i v o fA r c h&T e c h(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)V o l N o F e b 收稿日期:修回日期:基金项目:国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 基 金 项 目();陕 西 省 自 然 科 学 基 金 项 目(J M );陕 西 省 教 育 厅 专 项 基 金 项 目(J K );西安建筑科技大学自然科学专项基金项目(Z R )第一作者:冯晓刚(),男,博士,副教授,硕士生导师,主要研究方向为城市热环境、智慧城市及历史文化名城和传统村落
2、全要素数字化保护E m a i:f e n d a o_r e n c o mD O I:j 多模式组合的居住区绿地对热环境影响的模拟研究冯晓刚,杨永佺,李萌,周在辉,李凤霞,王元(西安建筑科技大学 建筑学院,陕西 西安 ;山东科技大学 规划设计研究院,山东 济南 )摘要:居住区作为城镇居民三生活动最主要的空间单元,其热环境质量直接决定了小区内居民的舒适感和幸福度本文在归纳总结城镇居住区绿地组合模式的基础上,基于非静力流体力学技术和热力学原理,耦合有限差分及交替方向隐式算法对小区范围内不同模式结构组合的绿地生态系统进行热效应模拟研究,通过对比分析不同模式组合的绿地系统热环境效应特征,探寻多模式
3、组合下的居住区绿地与局地热环境间的交互关系结果表明:在相同的模拟条件下,“中心宅间”绿地组合模式的热环境效应最好,“组团宅间”模式次之,“宅间”模式热环境效应最差;模拟区域内三种绿地组合模式的最高最低温度差分别为 、和 ,且温度自西南向东北方呈现圈层式分布特征;多绿植类型的组合模式对局地热环境的改善效果依次为:草灌乔草乔草灌草,灌木对绿地热环境舒适度的改善效果不显著该研究能够为居住区绿地规划设计与实践提供科学参考关键词:居住区;绿地;热环境;模拟;多模式中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()S t u d yo nt h e i m p a c t o fm u l t i m o d
4、 ec o m b i n e dr e s i d e n t i a l g r e e ns p a c eo nt h e r m a l e n v i r o n m e n tF ENGX i a o g a n g,Y ANGY o n g q u a n,L IM e n g,ZHO UZ a i h u i,L IF e n g x i a,WANGY u a n(C o l l a g eo fA r c h i t e c t u r e,X i a nU n i v o fA r c h&T e c h,X i a n ,C h i n a;S h a n d o n
5、 gM e t a l l u r g i c a lD e s i g nI n s t i t u t e,J i n a n ,C h i n a)A b s t r a c t:A st h e m o s ti m p o r t a n ts p a t i a lu n i to fu r b a nr e s i d e n ta c t i v i t i e s,t h et h e r m a le n v i r o n m e n tq u a l i t yo fr e s i d e n t i a l a r e ad e t e r m i n e s t h
6、 e t h e r m a l c o m f o r t a n dh a p p i n e s so f r e s i d e n t s O nt h eb a s i so f s u mm a r i z i n gt h eg r e e ns p a c ec o m b i n a t i o nm o d e l si nu r b a nr e s i d e n t i a la r e a s,t h i sp a p e ra d o p t sn o ns t a t i cf l u i dd y n a m i c st e c h n o l o g y
7、a n dt h e r m o d y n a m i cp r i n c i p l e s,c o u p l e dw i t hf i n i t ed i f f e r e n c ea n da l t e r n a t i n gd i r e c t i o ni m p l i c i ta l g o r i t h m s,t oc o n d u c tt h e r m a l e f f e c ts i m u l a t i o nr e s e a r c ho ng r e e ns p a c ee c o s y s t e m sw i t h
8、d i f f e r e n tp a t t e r ns t r u c t u r ec o m b i n a t i o n sw i t h i nt h ec o mm u n i t ys c o p e B yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h et h e r m a le n v i r o n m e n te f f e c tc h a r a c t e r i s t i c so fg r e e ns p a c es y s t e mw i t hd i f f e r e n tc o m b i n
9、 a t i o nm o d e s,t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ng r e e ns p a c ea n dl o c a lt h e r m a le n v i r o n m e n t i nr e s i d e n t i a l a r e a su n d e rm u l t i m o d ec o m b i n a t i o ni se x p l o r e d T h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h es a m es i m u l a t i o nc
10、o n d i t i o n s,t h e“c e n t e r r e s i d e n c e”g r e e ns p a c em o d eh a st h eb e s tt h e r m a le n v i r o n m e n te f f e c t,t h e“c l u s t e rr e s i d e n c e”m o d e t a k e s t h es e c o n dp l a c e,a n dt h e“r e s i d e n c e”m o d eh a s t h ew o r s t t h e r m a l e n v
11、i r o n m e n te f f e c t T h em a x i m u ma n dm i n i m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e so f t h r e eg r e e ns p a c ec o m b i n a t i o nm o d e s i nt h es i m u l a t i o na r e aa r e ,a n d ,r e s p e c t i v e l y,a n dt h et e m p e r a t u r ep r e s e n t sac i r c u l a
12、rd i s t r i b u t i o nf r o m s o u t h w e s tt on o r t h e a s t T h e i m p r o v e m e n t e f f e c to f t h ec o m b i n a t i o nm o d eo fd i f f e r e n tg r e e np l a n t t y p e so nt h e l o c a lg e o t h e r m a le n v i r o n m e n t i sa s f o l l o w,g r a s ss h r u bt r e eg r
13、 a s st r e eg r a s ss h r u bg r a s s T h i si m p r o v e m e n te f f e c to fs h r u b so nt h et h e r m a le n v i r o n m e n tc o m f o r to fg r e e ns p a c ei sn o ts i g n i f i c a n t T h es t u d yc a np r o v i d es c i e n t i f i cr e f e r e n c e f o r t h ep l a n n i n g,d e
14、s i g na n dp r a c t i c eo fg r e e ns p a c e i nr e s i d e n t i a l a r e a s K e yw o r d s:r e s i d e n t i a l a r e a s;g r e e n l a n d;t h e r m a l e n v i r o n m e n t;s i m u l a t i o n;m u l t im o d e西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷居住区绿地作为城市绿地系统的重要组成,具有缓解城市热岛效应、改善城市生态环境等多重功效不仅为小区生物多样性提供基础环境
15、,更是改善小区热生态环境,有效提升居住区人居热舒适度和幸福感的生态屏障因此,如何高效配置与空间布局小区内绿化系统,已经成为当前城市生态系统服务的热点问题,对区域乃至城市构建和谐人居热环境至关重要绿地系统与生态环境的关系研究始于上世纪中后期,主要以实地测量、软件模拟与模型构建等方法为主 研究者主要利用计算机模拟技术(C F D)对室外不同尺度气候环境展开模拟分析,研究尺度包括城市、街区和建筑三种伴随计算机模拟技术的不断发展,C T T C模型(C l u s t e rT h e r m a lT i m eC o n s t a n t)应运而生,该模型能够从建筑自身的温度能效来排除外部干扰,
16、从而模拟和计算环境的空气温度结合流体力学和热力学原理,E NV I m e t城市微气候模拟软件诞生,它已经广泛应用于城市表面植被空间交互的三维动态微气候模拟 研 究 世 纪 年 代,B r u s e等运 用E NV I m e t软件模拟了城市表层在受到植物与大气的相互作用后的环境特征,分析了小型场地的空气温度环境特征W o n g等结合实测数据,通过软件模拟不同条件下不同的绿化对微气候环境的作用结果,发现绿化率的改变对场地温度变化可达C y n t h i a等以实测数据为辅助条件设定E NV I m e t模型模拟条件,发现每增加的绿地,空气温度可降低M F S h a h i d a
17、 n等 发现在热带湿热气候条件下,平均温度可降低 和 ;夏季,高密度的中心地区每增加 的树木,可降低的空气温度S o d o u d i等 模拟了不同朝向的带状绿地与风向耦合关系对降温的影响,发现当二者平行时可有效改善通风并促使降温幅度增大Z h a o等 模拟了居民区树木的种植间距对微气候的影响,发现等间距种植的乔木配置遮荫效果最佳,可避免树冠重叠而阻塞风道帅林茹等 探索了不同植被种植方式对微环境热舒适度的改善效果发现植被对热舒适度的影响在一天内呈现先上升后下降的钟型曲线,、改善效果最明显;乔木对热舒适度的改善效果强于草坪与灌木丛形成的简单绿地;乔木密集排布,乔灌草种植方式对热舒适度的改善效
18、果强于其它种植方式同时,植物配置模式研究发现“乔木灌木草地”的绿化模式降温效果最佳因此,E N V I m e t无论在中观尺度还是微观尺度的气候模拟研究中均运用广泛 然而,针对小区尺度的不同绿地模式对局地热环境的定量影响研究不足,现代小区绿地组织模式、植被配置等对局地热环境影响的幅度、特征及趋势有待于进一步求证因此,本文以E NV I m e t模拟模型为基础,展开绿地组织模式和植物搭配对居住区夏季微气候的定量影响研究首先对西安市现有居住区的绿地组合模式进行测量分析、归纳总结,根据分类结果结合不同植物搭配设置模拟情景,建立模拟模型,设定初始条件及模拟参数,以验证所有模拟条件下的夏季居住区绿地
19、微气候热环境特征,并深入剖析植物类型配置对居住区热环境的影响差异以期为西安市居住区绿地系统的热生态规划与设计提供科学参考 研究数据与方法 研究区概况西安市(N N,E E)地处陕西省中南部,关中盆地中部,南依秦岭,北接渭河,东临白鹿原,西与咸阳 接壤(图),辖 区县,总面积 k m,常住人口 万人研究区属暖温带半湿润季风气候区,平均海拔 m,月最低平均气温 ,月最高平均气温 ,年平均气温 ,年平均降水量 mm,年平均湿度 西安已经成为全国新十大火炉城市之一,年最高气温达 因此,西安市人居热环境形势日趋严峻,定量剖析热环境及其缓解要素间的关系,能够为西安市人居热环境改善提供科学决策与参考依据图研
20、究样区及采样区位示意图F i g S t u d ya r e aa n ds a m p l i n g l o c a t i o n 数据来源本次实验数据主要包括 年月西安市高分辨率Q u i c k b i r d影像数据(数据来源g o o g l e地图)、外业现场测量及调查数据三种分别在碑林第期冯晓刚,等:多模式组合的居住区绿地对热环境影响的模拟研究区、新城区、莲湖区、雁塔区、未央区和灞桥区选择典型住宅 个,共计测量 个绿地斑块,现场测量数据主要包括斑块周长、面积、空间位置、分布及其与周边相邻建筑物之间的相对位置关系,采样点位地表温度和大气温度数据;外业调查数据主要包括绿地斑块类
21、型、植被类型、搭配模式、分布模式及绿量等 模拟模型 模拟原理大气变化受到诸多因素的影响,其中风 量、温度、湿度和湍流四个参数是大气模型模拟的核心因子 以流体力学和热力学为指导理论,使用有限差分法在交错网格系统上求解模拟模型中的微分方程,并使用交替方向隐式(A D I)方法和上游对流方案,对三维对流扩散方程进行解耦()平均气流模型先将质量守恒的风场U(t t)i的预后方程分为辅助流场(ua u x)和压力场(p):ut titua u xit()然后从方程中删除压力变量,从而得出一组用于辅助流场的三个预测方程式ua u xtuiua u xxiKmua u xxif(vvg)Suua u xtu
22、iva u xxiKmva u xxif(uug)Svwa u xtuiwa u xxiKmwa u xxig(z)r e f(z)Sw()上述方程中的流场包含正确的涡度,但不是质量守恒的,这意味着它不能满足过滤条件方程此时可以通过求解泊松方程来获得匹配的压力场为p tua u xi()最后,使用迭代同时松弛(S O R)方法,可以从以下公式计算出正确且近似质量守恒的流场为ut tiuia u x tpxi()式中:f(s e c)是科里奥利参数,p是局部压力扰动,是空气密度,是z水平的势能温度;Km是湍流交换系数;参考温度r e f代表了较大规模的气象条件,并被计算为高度为z的所有网格单元的
23、平均温度;参数Su,Sv和Sw表示由于植被要素上产生的拖曳力而导致的风速损失()温湿度模型空气温度和比湿度q的分布由内部源/汇的组合对流扩散方程给出:tuixiKhxicpRn,l wzQh()qtuiqxiKqqxiQq()式中:Qh和Qq用于将植物的热和蒸汽交换与大气模型关联;Rn,lw/z是考虑到辐射通量的冷却和加热作用的长波辐射的垂直发散度 模拟情景通过对高分辨率影像解译结果进行实地验证等方式,结合实际调查与测量数据,在归纳、总结与模型简化的基础上,将西安市居住区绿地类型归纳为“中心宅间”,“组团宅间”和“宅间”三种模式(图)图西安市居住区绿地组合模式F i g T h em o d
24、e l o f g r e e ns p a c ep a t t e r no f r e s i d e n t s i nX i a n结合西安市绿地斑块采样结果,在综合分析基础上,将 绿 地 植 物 配 置 情 形 设 置 为 草 坪(c m),草坪和灌木(或m高小乔木),草坪、灌木(或m高小乔木)和乔木(m)相结合三种形式;每种绿植配置模式中,又分别根据“中心宅间”、“组团宅间”和“宅间”划分共计得到种绿植模拟西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷情景 模拟参数设置模拟参数设置选择 年月 日当天气象参数为原始输入数据模拟时长为 ,共计 h参考当日气象数据,模型的初始温度设置为,风向
25、采用夏季当日主导风向西南风 (顺时针),起始风速为 m/s,相对湿度设置为,粗糙长度采用系统默认值 ,模拟的温度范围设置为 为了更好地控制模拟结果,同时需要将温度、湿度的极值及出现时间设置进去,模型区域外的下垫面设置为土壤,以弱化模拟误差同时,将与当日实测温度数据进行分析比较,从而验证模型精度,基于模拟结果展开不同绿植组合模式的热环境效应分析 模拟结果验证为了验证研究结论的可靠性,采取现场测量的方式,分三个小组分别以“中心宅间”、“组团宅间”和“宅间”三种模式选择华陆经九路小区、八府庄小区和雁鸣小区为样区(图),以 h为时间间隔 进 行 大 气 温 度 数 据 的 采 集,采 集 时 间 经对
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