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湿热地区因其固有的气候特征而在城市微气候研究领域备受关注。我国湿热地区拥有珠江三角洲及长江三角洲两大经济发达地区,城市化进程迅猛,使得城市微气候恶化及其引发的能耗问题和其它社会问题越来越严峻,因此迫切需要针对这一地区,展开城市微气候的相关科学研究,找到改善城市微气候质量的有效途径。
城市建筑组团规划设计形式是影响室外微气候环境的重要因素。本论文旨在系统研究湿热地区规划设计因子对组团微气候的影响,重点进行了以下几项工作:
1.对我国湿热地区两个典型建筑组团的夏季室外微气候同时进行了昼夜连续实测。根据空气温度、风速、湿度、湿球黑球温度(WBGT)和下垫面表面温度的测试结果,得到湿热地区典型组团夏季室外微气候的主要特征。现场实测结果还为建立组团微气候通用数值模拟体系及组团室外平均风速比数学预测模型提供了必要的验证依据。
2.建立了组团微气候通用数值模拟体系。选用不同湍流模型对建筑在有污染物及无污染物扩散情况下的室外流场进行CFD模拟,通过模拟结果与风洞实验结果的对比,发现Suga三次式非线性k-ε湍流模型具有很高的预测精度,因此被确定为本文所建立的组团微气候通用数值模拟体系的CFD湍流模型;基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)商用软件STAR-CD,参考区域与建筑组团的室外微气候耦合求解,固体表面(地面及建筑表面)的热平衡计算与空气流动的CFD解析耦合求解,自行开发了用于组团模拟的地表面及建筑表面热平衡计算模块、太阳位置计算模块、有效天空温度计算模块、建筑人工排热计算模块、平均辐射温度(Mean Radiant Temperature,MRT)计算模块及新标准有效温度(new Standard Effective Temperature,SET*)计算模块,并实现它们与STAR-CD的链接。本文所建立的组团微气候通用数值模拟体系的准确性已被其它模拟体系的模拟结果及现场实测结果验证。
3.采用组团微气候通用数值模拟体系对我国湿热地区实际组团的夏季室外热环境进行模拟分析,系统、定量地分析了组团布局、建筑密度、容积率、首层架空率及绿地率对组团夏季室外热环境的影响规律,找到了引起组团夏季室外行人高度处热环境参数(风速、温度、相对湿度及SET*)发生重大变化的设计拐点。此外,通过分析规划设计因子与组团夏季室外行人高度处热环境参数平均值的相关性,找到了影响组团室外热环境参数的主导因素。研究发现,建筑密度、建筑群平均高度、首层架空率及绿地率四个规划设计因子中,组团室外行人高度处的平均风速主要受首层架空率、建筑群平均高度及建筑密度的影响,而平均温度主要受绿地率的影响。
4.建立我国湿热地区的典型组团模型,采用CFD数值模拟的方法系统、定量地分析了组团布局、建筑密度、容积率、首层架空率及架空形式、建筑迎风面积比对组团室外风环境的影响规律。基于模拟结果,采用多元线性回归方法和支持向量机(Support Vector Machine,SVM)方法分别建立了组团室外行人高度处单风向下平均风速比的简化计算公式和智能预测模型,并采用现场实测结果对其精度进行了验证。此外,针对我国典型城市,基于典型气象条件和风环境适应性,初步提出了组团关键设计因子--建筑密度、首层架空率的设计参考值,为这些城市及相近城市的组团设计提供参考依据。
本论文运用现场实测、机理分析和数值模拟的方法,探索湿热地区组团规划设计对室外微气候的影响规律,提炼出简明的数学模型,将对现有的城市微气候研究手段及成果做出有益补充与发展,为填补现有规划设计标准中与室外微气候环境设计相关的研究空白、改善湿热地区城市微气候作贡献。