建筑物排热城市区域热气候影响研究〔1〕
长期动态模拟分析
哈尔滨工业学 朱岳梅 刘京 姚杨 马良
摘
探讨城市特定区域热气候形成机理特建筑设备排热热气候形成中起作建筑角度减缓城市高温化进程热岛效应针性提出改善室外热舒适环境降低建筑耗方法具重意义文某南方城市型CBD规划改造工程研究象利已建立城市区域热气候预测模型首先设定根解析条件通长期动态模拟分析城市化室外热气候特征室外热衡规律
关键词 建筑物排热 数值模拟 城市热气候 城市区域热气候预测模型
1 前言
着国城市化进程迅猛开展热岛效应城市高温化代表城市热气候问题日益受关注中建筑物排热量城市热释放认城市热气候问题成年国外相继开展工作国龙惟定等[1]参军团病臭氧损耗全球气候变暖等方面述建筑空调室外气候负面影响源效率污染物排放量等角度具体拟常空调冷源性陈宏等[2]利CFD研究层建筑空调室外机散热产生升热气流层设备成效影响国外Ichinose等[3]鸣海等[4]分利气边界层气象模式城市冠层模型通调环境数库研究工排热城市气候影响认工排热冬季起作更原山等[5]原田等[6]通CFD计算模型中导入空调排热研究空调排热量室外微热环境影响述研究局限定性分析然考虑建筑物排热素未空调系统产生热气候效果作详细讨外城市建筑特点开展水源结构气候条件土构成等国外研究结果难直接套国实际情况
基述分析文利建立城市区域热气候预测模型南方某型CBD区域热气候量衡关系进行系统模拟分析重点定量讨建筑物排热城市热气候中起作
2 制冷系统排热计算模型概
研究重点探讨夏季空调制冷系统排热城市热气候影响事实建筑夏季空调排热受建筑负荷影响外冷源系统性关文中选择电动水冷式冷水机组〔活塞式螺杆式离心式〕空气源热泵冷水机组吸收式冷水机组〔直燃型代表〕研究象根涵盖目前国外市场常冷源设备状况[7]空调系统排气热量Q (W)计算式：
〔1〕
式中Htotal建筑空调全热负荷 (W)COP空调系统性系数关国家标准中均规定电动水冷式冷水机组严格说COP值冷冻水出水温度冷水进水温度换热器传热外表污垢系数等素关简化计算起见模型中冷冻水温度712oC冷水温度3237oC工况条件均设定值分取39〔活塞式〕44〔螺杆式〕50〔离心式〕直燃吸收式冷水机组COP设定值取10应冷水出水温度7oC冷水进水温度32oC空气源热泵机组说COP受空气温度影响忽略列图示[8]：
图1 空气温度空气源热泵机组COP间关系
IP负荷相关系数简化计算程文中引入负荷相关系数验计算方法[9]该值负荷率lr空气温度Tair冷水均温度Tw〔研究中设11oC〕相关表述式：
〔2〕
讨均分散建筑物空调冷源系统情况年区域供冷系统〔District Cooling System DCS〕国外开展区域供冷半径越区域道越长道冷损失越忽略研究中冷损失附加率08100m考虑[10]区域供冷系统中常采蓄冷措施带量变化予考虑时区域供冷局部负荷时采台数控制降低单台制冷机性设始终满负荷运行
实际计算时排热量系统显热潜热排放分代入气温度含湿量计算模型中根文献空气源热泵机组水冷式冷水机组直燃吸收式制冷机显热分100125113[11]直燃吸收式制冷机燃气程伴水蒸气散发1MJ热量应384g散湿考虑
气城市垫面太阳辐射体舒适性等计算均根日九州学维城市冠层模型AUSSSM根底断改良完善形成城市区域热气候预测模型进行计算[1213]开发制冷系统排热计算模型导入该预测模型中进行耦合计算
3 计算概
31 计算象计算条件
文选择南方某城市型CBD区域规划工程研究象〔图2〕该区域总面积约104km2区域商务办公区外包括商业娱乐居住休闲等分散功区简化计算研究中建筑类型进行统化处理认均商务办公类公建筑中心商务区根功定位认样假定合理
图2 研究象规划方案
实际规划中建筑物形状体积间距均相研究中通统计方法城市区域热气候预测模型求简化尺寸相规排列办公楼群时保持实际规划方案中建筑密度〔2487〕容积率〔198〕建筑均层建筑面积2700m2层高33m层数8层立方体长宽采1 1外根规划图纸推算绿化率〔指公绿宅旁绿公效劳设施属绿道路绿〕设4866道路广场设2647根新公布公建筑节设计标准〔GB 5018922005〕该城市处气候区外墙屋面外窗传热系数K分取 100735Wm2K1窗墙设035[14]
外文中先利中尺度气边界层气象模式HOTMAC进行广域计算然提取相应数作城市区域热气候预测模型边界条件限文篇幅关两种模型应结合等容文中详细介绍
32 建筑物排热设定
研究象性质CBD区域工排热建筑物排热汽车排放考虑工业废热局部办公建筑班空调设定期间均设8001700根新公布公建筑节设计标准〔GB 5018922005〕节办公建筑综合类型房间求员密度取6m21室电器设备功率取16Wm2灯光明取10Wm2负荷日变动率根文献确定[15]室温度相湿度分设定26oC60
根国空调冷源现状量文献调查研究象区域冷源率分设定螺杆式冷水机组：离心式冷水机组：直燃吸收式冷水机组：空气源热泵机组4 4 1 1中种电动冷水机组直燃吸收式冷水机组排热通设置屋顶冷塔空气源热泵机组风冷机安置屋顶排热量根式(1)计算外新风量30m3h11设计计算外文根参考文献[16]该区机动车尾气排放废热量日变动率进行设定
4 计算结果
图3出夏季典型月期间白天〔8时17时〕城市冠层气象参数室外舒适性指标SET*值频度百分数次太阳辐射量面均外均城市冠层部空间均值图知计算期间气温频度出现3032oC范围〔占总时间约55〕气温体处正常范围温度相均风速频度分布相分散风速适中致属1ms124ms1微风〔占总时间80〕建筑拖曳力作没出现超3ms1甚5ms1强风天气含湿量致2022gkg1范围〔占总时间67〕总体夏季空气较湿润太阳辐射作较强烈分布明显集中200300Wm2间〔占总时间约55〕SET*频度分布曲线形状气温相似频度出现3537oC间〔占总时间62〕气温出现频度数值相高出5oC左右外气温波动幅度SET*值略反映夏季室外热舒适温度外实际受含湿量风速较太阳辐射较强烈等素影响综合素作热感觉始终保持较高程度99时间感热适〞感觉非常热极舒适〞发生中暑危险时间达68
图3 气象参数SET*值〔城市冠层部空间均〕月变动频度百分分布
分析城市冠层部热量衡转换探讨城市热气候形成机理评估建筑物排热城市热气候形成中起作具重意义室环境室外相开放空间研究首先边界层顶端边界建立假想封闭空间部热量衡关系见图4需指出通左右侧边界气水输入输出热量封闭空间外部情况易确定外温度差含湿量差侧边界面积远水面面积根估算局部输入输出热量计算中完全忽略计量关系整理计算期间数计算期间白天〔8时17时〕量收支变化情况〔图5〕日累积值〔表1〕中设定流入热量〔流出冷量〕正流出热量〔流入冷量〕负
图4 城市冠层热衡概念图
图5 单位区域面积日热量衡动态变化
首先显热方面流入假想空间热量包括空调冷源排热交通排热垫面〔包括建筑外外表路面草裸土〕排热等局部表1城市空间显热热方式奉献度排序分：垫面传热〔占总显热热量约60〕>空调冷源系统排热〔占总显热热量约33〕>交通排热〔占总显热热量约7〕见夏季垫面传热冷源系统排热城市高温化成前文出规划面积进步估算出拟典型南方区CBD说夏季高温月期间冷源显热排热量致183kWhm2区域外室空调设定温度较低建筑排风实质起室外气候提供冷量作局部占总显热量例〔约5〕总体建筑物排热城市热气候形成中起着较作方面述热量局部排出气边界层外〔约占总显热热量62〕剩热量成气空气块显热蓄热局部〔约占总热量33〕实质城市高温直接成
次潜热方面流入假想空间热量包括空调冷源排热垫面〔包括建筑外外表路面草裸土〕排热等局部电动冷水机组空调冷源系统中占份额城市空间潜热热方式奉献度中空调冷源系统排热〔占总潜热热量约74〕垫面传热〔占总潜热热量约26〕相高城市量透水工外表利导致垫面水分蒸腾作削减缘前文出规划面积进步估算出拟典型南方区CBD说夏季高温月期间冷源潜热排热量累积值约686kWhm2区域外室空调设定湿度相较低建筑排风实质起室外湿气候起枯燥作局部占总潜热量例较〔约17〕综合冷源潜热排热量建筑物排热城市湿气候形成中起着作方面述潜热热量局部排出气边界层外〔约占总潜热热量70〕剩热量成气空气块蓄湿局部〔约占总热量12〕南方室外背景相湿度较高导致蓄湿量
综建筑设备〔包括建筑排风冷源系统〕垫面散热总全热热量中占例分524442两方面素直接导致城市高温高湿气候形成
表1 计算期间单位区域面积热量累积值
量
累积值(kWhm2)
显热
边界层顶部热通量
3475
建筑排风排热量
271
冷源系统排热量
1826
交通排热量
424
垫面排热量
3338
气空气块蓄热量
1842
潜热
边界层顶部热通量
6449
建筑排风排热量
1651
冷源系统排热量
6861
垫面排热量
2366
气空气块蓄热量
1127
结
根实际城市型CBD规划设计方案设定根解析条件通长期〔典型月变动〕动态模拟分析城市化室外热气候特征室外热衡规律结：
1〕高温高湿室外热气候太阳辐射作绝数时间室外热舒适感恶劣偏离实际气温5oC左右典型月期间99时间感热〞适感觉非常热极舒适〞发生中暑危险时间达68外热舒适感建筑布局方位密切相关
2〕通城市冠层热衡长期动态分析知夏季垫面传热冷源系统排热城市高温化成分占总显热热量6033空调冷源系统排热占总潜热热量约74城市气候逐渐高温高湿化开展成
述知果处理现空调冷源系统排热问题仅仅增加绿率改善城市热气候困难必更研究推广水源热泵源热泵系统等空调制冷方式然通风等然源利技术降低气热负荷改善城市热气候具重意义
参考文献
[1] 王长庆龙惟定丁文婷．种冷源次耗环境影响拟．节技术．2000 18(4) 810
[2] 陈宏钱玉袁国杰等．层住宅建筑空调室外机散热层设备影响．暖通空调．2003 33(3) 105108
[3] Ichinose T Shimodozono K Hanaki K Impact of anthropogenic heat on urban climate in Tokyo Atmosphere Environment 1999 33 38973909
[4] 鳴海典谷文藤明ら．市における口廃熱が市熱環境にぼす影響．日建築学会環境系論文集．2004 562 97104
[5] 原山吉田伸治岡龍三ら．非定常放射・伝導解析による数値解析と精度検証．日建築学会計画系論文集．2002 556 99106
[6] 原田雄介村周三岡龍三．空調排熱計算を連成させた局気候モデルによる市気候解析．日建築学会環境系論文集．2005 597 6571
[7] 姜尔宁．全球冷水机组型空调设备开展现状〔〕〔译〕．制冷技术．2004 2 4349
[8] 田吉水野稔亀谷茂樹ら．市未利エネルギーの活性評価手法に関する研究〔第2報〕未利熱源水供給ネットワークの省エネルギーポテンシャル．空気調・衛生工学会論文集．1997 67 111
[9] 高橋淳藤雅史横尾昇剛ら．水熱源システムの熱源機器効率解析．空気調・衛生工学会論文集．1999 75(10)2130
[10] 朱纪军刘谨．区域供冷系统供冷半径探讨．制冷．2004 23(1) 6972
[11] 亀谷茂樹水野稔田吉ら．空調設備の年代推移と市熱環境負荷の変化の推移．空気調・衛生工学会論文集．1997 67 1321
[12] 朱岳梅刘京荻岛理谷润．城市冠层模型扩展验证．建筑科学．2007 23(2) 8487
[13] 朱岳梅刘京姚杨马良．室外环境热舒适性模型建立．建筑科学．2007 23(6) 13
[14] 武建勋．空调建筑统计耗模型分析．暖通空调．1996 26(6) 1316
[15] 赵志安杨纯华．现代化办公楼空调冷负荷特性设备选择．暖通空调．200232(6) 5961
[16] 佟华刘辉志桑建国等．城市热北京热环境影响．气候环境研究．2004 9(3) 409421
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长期动态模拟分析
哈尔滨工业学 朱岳梅 刘京 姚杨 马良
摘
探讨城市特定区域热气候形成机理特建筑设备排热热气候形成中起作建筑角度减缓城市高温化进程热岛效应针性提出改善室外热舒适环境降低建筑耗方法具重意义文某南方城市型CBD规划改造工程研究象利已建立城市区域热气候预测模型首先设定根解析条件通长期动态模拟分析城市化室外热气候特征室外热衡规律
关键词 建筑物排热 数值模拟 城市热气候 城市区域热气候预测模型
1 前言
着国城市化进程迅猛开展热岛效应城市高温化代表城市热气候问题日益受关注中建筑物排热量城市热释放认城市热气候问题成年国外相继开展工作国龙惟定等[1]参军团病臭氧损耗全球气候变暖等方面述建筑空调室外气候负面影响源效率污染物排放量等角度具体拟常空调冷源性陈宏等[2]利CFD研究层建筑空调室外机散热产生升热气流层设备成效影响国外Ichinose等[3]鸣海等[4]分利气边界层气象模式城市冠层模型通调环境数库研究工排热城市气候影响认工排热冬季起作更原山等[5]原田等[6]通CFD计算模型中导入空调排热研究空调排热量室外微热环境影响述研究局限定性分析然考虑建筑物排热素未空调系统产生热气候效果作详细讨外城市建筑特点开展水源结构气候条件土构成等国外研究结果难直接套国实际情况
基述分析文利建立城市区域热气候预测模型南方某型CBD区域热气候量衡关系进行系统模拟分析重点定量讨建筑物排热城市热气候中起作
2 制冷系统排热计算模型概
研究重点探讨夏季空调制冷系统排热城市热气候影响事实建筑夏季空调排热受建筑负荷影响外冷源系统性关文中选择电动水冷式冷水机组〔活塞式螺杆式离心式〕空气源热泵冷水机组吸收式冷水机组〔直燃型代表〕研究象根涵盖目前国外市场常冷源设备状况[7]空调系统排气热量Q (W)计算式：
〔1〕
式中Htotal建筑空调全热负荷 (W)COP空调系统性系数关国家标准中均规定电动水冷式冷水机组严格说COP值冷冻水出水温度冷水进水温度换热器传热外表污垢系数等素关简化计算起见模型中冷冻水温度712oC冷水温度3237oC工况条件均设定值分取39〔活塞式〕44〔螺杆式〕50〔离心式〕直燃吸收式冷水机组COP设定值取10应冷水出水温度7oC冷水进水温度32oC空气源热泵机组说COP受空气温度影响忽略列图示[8]：
图1 空气温度空气源热泵机组COP间关系
IP负荷相关系数简化计算程文中引入负荷相关系数验计算方法[9]该值负荷率lr空气温度Tair冷水均温度Tw〔研究中设11oC〕相关表述式：
〔2〕
讨均分散建筑物空调冷源系统情况年区域供冷系统〔District Cooling System DCS〕国外开展区域供冷半径越区域道越长道冷损失越忽略研究中冷损失附加率08100m考虑[10]区域供冷系统中常采蓄冷措施带量变化予考虑时区域供冷局部负荷时采台数控制降低单台制冷机性设始终满负荷运行
实际计算时排热量系统显热潜热排放分代入气温度含湿量计算模型中根文献空气源热泵机组水冷式冷水机组直燃吸收式制冷机显热分100125113[11]直燃吸收式制冷机燃气程伴水蒸气散发1MJ热量应384g散湿考虑
气城市垫面太阳辐射体舒适性等计算均根日九州学维城市冠层模型AUSSSM根底断改良完善形成城市区域热气候预测模型进行计算[1213]开发制冷系统排热计算模型导入该预测模型中进行耦合计算
3 计算概
31 计算象计算条件
文选择南方某城市型CBD区域规划工程研究象〔图2〕该区域总面积约104km2区域商务办公区外包括商业娱乐居住休闲等分散功区简化计算研究中建筑类型进行统化处理认均商务办公类公建筑中心商务区根功定位认样假定合理
图2 研究象规划方案
实际规划中建筑物形状体积间距均相研究中通统计方法城市区域热气候预测模型求简化尺寸相规排列办公楼群时保持实际规划方案中建筑密度〔2487〕容积率〔198〕建筑均层建筑面积2700m2层高33m层数8层立方体长宽采1 1外根规划图纸推算绿化率〔指公绿宅旁绿公效劳设施属绿道路绿〕设4866道路广场设2647根新公布公建筑节设计标准〔GB 5018922005〕该城市处气候区外墙屋面外窗传热系数K分取 100735Wm2K1窗墙设035[14]
外文中先利中尺度气边界层气象模式HOTMAC进行广域计算然提取相应数作城市区域热气候预测模型边界条件限文篇幅关两种模型应结合等容文中详细介绍
32 建筑物排热设定
研究象性质CBD区域工排热建筑物排热汽车排放考虑工业废热局部办公建筑班空调设定期间均设8001700根新公布公建筑节设计标准〔GB 5018922005〕节办公建筑综合类型房间求员密度取6m21室电器设备功率取16Wm2灯光明取10Wm2负荷日变动率根文献确定[15]室温度相湿度分设定26oC60
根国空调冷源现状量文献调查研究象区域冷源率分设定螺杆式冷水机组：离心式冷水机组：直燃吸收式冷水机组：空气源热泵机组4 4 1 1中种电动冷水机组直燃吸收式冷水机组排热通设置屋顶冷塔空气源热泵机组风冷机安置屋顶排热量根式(1)计算外新风量30m3h11设计计算外文根参考文献[16]该区机动车尾气排放废热量日变动率进行设定
4 计算结果
图3出夏季典型月期间白天〔8时17时〕城市冠层气象参数室外舒适性指标SET*值频度百分数次太阳辐射量面均外均城市冠层部空间均值图知计算期间气温频度出现3032oC范围〔占总时间约55〕气温体处正常范围温度相均风速频度分布相分散风速适中致属1ms124ms1微风〔占总时间80〕建筑拖曳力作没出现超3ms1甚5ms1强风天气含湿量致2022gkg1范围〔占总时间67〕总体夏季空气较湿润太阳辐射作较强烈分布明显集中200300Wm2间〔占总时间约55〕SET*频度分布曲线形状气温相似频度出现3537oC间〔占总时间62〕气温出现频度数值相高出5oC左右外气温波动幅度SET*值略反映夏季室外热舒适温度外实际受含湿量风速较太阳辐射较强烈等素影响综合素作热感觉始终保持较高程度99时间感热适〞感觉非常热极舒适〞发生中暑危险时间达68
图3 气象参数SET*值〔城市冠层部空间均〕月变动频度百分分布
分析城市冠层部热量衡转换探讨城市热气候形成机理评估建筑物排热城市热气候形成中起作具重意义室环境室外相开放空间研究首先边界层顶端边界建立假想封闭空间部热量衡关系见图4需指出通左右侧边界气水输入输出热量封闭空间外部情况易确定外温度差含湿量差侧边界面积远水面面积根估算局部输入输出热量计算中完全忽略计量关系整理计算期间数计算期间白天〔8时17时〕量收支变化情况〔图5〕日累积值〔表1〕中设定流入热量〔流出冷量〕正流出热量〔流入冷量〕负
图4 城市冠层热衡概念图
图5 单位区域面积日热量衡动态变化
首先显热方面流入假想空间热量包括空调冷源排热交通排热垫面〔包括建筑外外表路面草裸土〕排热等局部表1城市空间显热热方式奉献度排序分：垫面传热〔占总显热热量约60〕>空调冷源系统排热〔占总显热热量约33〕>交通排热〔占总显热热量约7〕见夏季垫面传热冷源系统排热城市高温化成前文出规划面积进步估算出拟典型南方区CBD说夏季高温月期间冷源显热排热量致183kWhm2区域外室空调设定温度较低建筑排风实质起室外气候提供冷量作局部占总显热量例〔约5〕总体建筑物排热城市热气候形成中起着较作方面述热量局部排出气边界层外〔约占总显热热量62〕剩热量成气空气块显热蓄热局部〔约占总热量33〕实质城市高温直接成
次潜热方面流入假想空间热量包括空调冷源排热垫面〔包括建筑外外表路面草裸土〕排热等局部电动冷水机组空调冷源系统中占份额城市空间潜热热方式奉献度中空调冷源系统排热〔占总潜热热量约74〕垫面传热〔占总潜热热量约26〕相高城市量透水工外表利导致垫面水分蒸腾作削减缘前文出规划面积进步估算出拟典型南方区CBD说夏季高温月期间冷源潜热排热量累积值约686kWhm2区域外室空调设定湿度相较低建筑排风实质起室外湿气候起枯燥作局部占总潜热量例较〔约17〕综合冷源潜热排热量建筑物排热城市湿气候形成中起着作方面述潜热热量局部排出气边界层外〔约占总潜热热量70〕剩热量成气空气块蓄湿局部〔约占总热量12〕南方室外背景相湿度较高导致蓄湿量
综建筑设备〔包括建筑排风冷源系统〕垫面散热总全热热量中占例分524442两方面素直接导致城市高温高湿气候形成
表1 计算期间单位区域面积热量累积值
量
累积值(kWhm2)
显热
边界层顶部热通量
3475
建筑排风排热量
271
冷源系统排热量
1826
交通排热量
424
垫面排热量
3338
气空气块蓄热量
1842
潜热
边界层顶部热通量
6449
建筑排风排热量
1651
冷源系统排热量
6861
垫面排热量
2366
气空气块蓄热量
1127
结
根实际城市型CBD规划设计方案设定根解析条件通长期〔典型月变动〕动态模拟分析城市化室外热气候特征室外热衡规律结：
1〕高温高湿室外热气候太阳辐射作绝数时间室外热舒适感恶劣偏离实际气温5oC左右典型月期间99时间感热〞适感觉非常热极舒适〞发生中暑危险时间达68外热舒适感建筑布局方位密切相关
2〕通城市冠层热衡长期动态分析知夏季垫面传热冷源系统排热城市高温化成分占总显热热量6033空调冷源系统排热占总潜热热量约74城市气候逐渐高温高湿化开展成
述知果处理现空调冷源系统排热问题仅仅增加绿率改善城市热气候困难必更研究推广水源热泵源热泵系统等空调制冷方式然通风等然源利技术降低气热负荷改善城市热气候具重意义
参考文献
[1] 王长庆龙惟定丁文婷．种冷源次耗环境影响拟．节技术．2000 18(4) 810
[2] 陈宏钱玉袁国杰等．层住宅建筑空调室外机散热层设备影响．暖通空调．2003 33(3) 105108
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[12] 朱岳梅刘京荻岛理谷润．城市冠层模型扩展验证．建筑科学．2007 23(2) 8487
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[16] 佟华刘辉志桑建国等．城市热北京热环境影响．气候环境研究．2004 9(3) 409421
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