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基于移动观测的多时空尺度街区热环境特征的关联性研究

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建筑科学 2022年第10期38卷 72-83,91页

作者：刘琳潘鑫沛刘京金雷刘丽孺高云飞广东工业大学土木与交通工程学院广州510006 哈尔滨工业大学建筑学院哈尔滨150090 哈尔滨工业大学寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室哈尔滨150090

考虑气候适应性的城市街区空间形态规划设计越发成为应对全球气候变化的关键阶段。本文以湿热地区广州大学城与珠江新城为例,结合移动观测和GIS空间分析技术对不同季节、时刻街区热环境的多尺度空间分异特征进行可视化分析,并应用局地... 详细信息

考虑气候适应性的城市街区空间形态规划设计越发成为应对全球气候变化的关键阶段。本文以湿热地区广州大学城与珠江新城为例,结合移动观测和GIS空间分析技术对不同季节、时刻街区热环境的多尺度空间分异特征进行可视化分析,并应用局地气候分区分类体系探析城市地表要素与热环境之间的内在关联性。结果显示,移动测试期间大学城与珠江新城街区内的气温测点及气温场在冬夏两季均呈现出显著的温差变化,具有时变特性和高度的空间异质性。此外,地表形态特性参数与气温在夏季显现出更为密切的关联度,其中天空角系数和透水表面比率与气温呈显著正相关;而街道峡谷高宽比、平均建筑高度、建筑密度和不透水表面比率则反之。研究结果突出了街区空间结构及下垫面材料对调节多时空尺度街区热环境的重要作用。

关键词：局地气候分区街区热环境移动观测时空特征规划设计

基于局地气候分区的湿热地区街区热环境特性及优化研究

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基于局地气候分区的湿热地区街区热环境特性及优化研究

作者：潘鑫沛广东工业大学

学位级别：硕士

近年来,湿热地区城市长期高温高湿的热环境状态阻碍了人居生活质量的提升,应对全球变暖与城市化发展已成为缓解局地热环境效应的核心需求。理清城市街区热环境的驱动因素以实现空间形态气候合理性设计,则是营造气候宜居城市环境的关键... 详细信息

近年来,湿热地区城市长期高温高湿的热环境状态阻碍了人居生活质量的提升,应对全球变暖与城市化发展已成为缓解局地热环境效应的核心需求。理清城市街区热环境的驱动因素以实现空间形态气候合理性设计,则是营造气候宜居城市环境的关键阶段。局地气候分区作为衔接城市空间形态和热环境特性的理论体系,为当前城市热环境研究领域提供了量化的地表景观分类标准。现阶段,局地气候分区理论应用于街区尺度热环境的研究案例相对缺乏,且亟需一套能够对街区热环境时空分布特性进行精细而可视化表达的综合分析方法。基于此,本研究以湿热地区广州大学城和珠江新城为例,结合移动观测与数值模拟手段对多时空尺度下不同局地气候分区的热环境特征差异及其关联因子进行了讨论与分析。首先,提出了一种面向街区尺度的局地气候分区分类方法,为街区热环境特性的量化因子分析提供数据基础。局地气候分区分类结果直观地呈现了大学城与珠江新城之间的空间形态差异。其中,大学城以开敞中层建筑、稠密树木与低矮植被三种类型分区为主,具有空间开敞度高、透水性下垫面覆盖率广的空间格局特点;而珠江新城内遍布具有狭长街谷的高层高密度建筑群体,主导类型为紧凑高层建筑区和开敞高层建筑区。以上两个案例区域共囊括了8种建成环境型和6种自然环境型分区,为区分热环境异质性提供了丰富的街区样本。其次,利用移动观测和空间插值方法分别对夏季、过渡季与冬季日间移动测点及街区近地表层温湿度的时空分布规律进行分析。从时变特性来看,夏季典型时刻案例区域热环境相较其它季节呈现高度空间异质性。空间分布结果显示,不同局地气候分区气温具有以下规律性特征:建成景观中,紧凑型建筑区＜开敞型建筑区,高层建筑区＜低层建筑区;自然景观中,稠密、稀疏树木区＜低矮植被、硬化地面、裸地沙土、水域区。同时,通过空间自相关分析反映了各街区间的横向热相互作用,间接表明除自身空间形态外,街区区位也是形成同类局地气候分区热环境差异的因素之一。此外,基于热环境实测数据对夏季大学城街区的温湿度进行动态时序模拟研究,以探索局地气候分区下垫面参数化方案在动态局地尺度能量平衡模型中的应用潜能。模拟结果显示,高层建筑区在建成景观中具有较低的气温值,而硬化地面区的气温相对较高;透水性较强的开敞型建成区以及水域区则计算出了较高的含湿量值,总体上各类LCZ的热环境差异呈现与实测结果的一致性。经实测验证发现,该模型存在1℃以内的总平均气温误差和2g/kg以内的总平均含湿量误差,且与下垫面特性参数设置有关,由此建立了二者之间的多元非线性回归模型以提高温湿度模拟结果的准确度。最后,从局地气候分区热敏感指标体系中选取了天空角系数、街道峡谷高宽比、平均建筑高度、建筑密度、不透水表面比率与透水表面比率,分别与以局地热岛强度为表征的热环境参数进行相关性分析。结果表明,天空角系数、透水性表面比率与局地热岛强度呈正相关关系;其余指标则呈负相关关系,其中平均建筑高度与街道峡谷高宽比和局地热岛强度之间具有强关联性,且以上相关性在夏季尤为显著。从所识别的热环境问题区域来看,白天开敞中低层建筑区、低矮植被区以及硬化地面区具有较大的热风险潜在性,可通过适当调整建筑阴影面积及空间开敞度来改善街区热环境。综上,本文顺应局地气候分区理论的地域化发展,通过实测与模拟相结合的方式系统展示了针对街区热环境多时空特性的综合分析流程,并从城市结构与地表覆盖两个维度给出了相应的空间优化策略。该研究旨在从城市空间形态规划与设计的视角,为改善建筑室内物理环境、实现建筑节能减排提供一定的借鉴意义和技术支持。

关键词：湿热地区局地气候分区空间形态街区热环境时空特性移动观测

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广州地区街区尺度热环境与热舒适度评价

广州地区街区尺度热环境与热舒适度评价

作者：饶峻荃哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着我国城市化建设的快速推进,伴随而来的各种热环境问题日益显著。近年来热环境问题逐渐被人们所认识和关注,其中最为人们所熟知的就是城市热岛(Urban Heat Island)问题。城市是由一个个城市街区组成的,作为重要组成单元,街区尺度室... 详细信息

随着我国城市化建设的快速推进,伴随而来的各种热环境问题日益显著。近年来热环境问题逐渐被人们所认识和关注,其中最为人们所熟知的就是城市热岛(Urban Heat Island)问题。城市是由一个个城市街区组成的,作为重要组成单元,街区尺度室外热环境和舒适性评价问题是关系居住质量和身心健康的重要民生问题,同时也是复杂的多学科交叉问题。目前对于街区热环境的研究存在不足:一是国内外学者大都是从单一学科角度出发,对于各个学科的综合交叉研究非常少;二是对街区热环境的数值模拟研究采用计算模型复杂、计算周期长,难以在实际工程中进行应用;三是对街区热环境没有系统的评价方法。本文立足于建筑环境专业,结合城市气候、规划设计等专业的相关研究,针对广州地区的气候条件和街区、建筑特点,研究街区尺度的热环境和热舒适问题,旨在通过数值模拟结合现场实测的方式,总结广州地区控制性详细规划(简称控规)因素对街区热环境的影响机制,提出一套实用的街区热环境与热舒适度评价的指标体系,建立热环境与热舒适度评价的简易模型,在热环境方面对街区的规划设计提供指导。针对广州地区街区尺度热环境与热舒适,本文重点研究了以下几个方面内容:(1)总结广州地区室外热环境影响因素,包括从建筑形式、布局、朝向到下垫面种类、热物性以及遮阳构筑物等方面的因素。建立以评价性指标与热环境参数相结合作为目标层,以微气候条件、规划空间布局、建筑材料和下垫面属性以及人为排热为指标层的热环境与热舒适度综合评价指标体系。(2)在课题组已有的城市区域热气候预测模型(UDC)的基础上,对原模型进行改进和功能扩展。对广州某小区进行连续一周的热环境测试,并用改进的模型对该小区进行模拟研究,通过模拟结果和实测数据的对比分析验证改进后的模型。(3)以单参数分析的思想设计数值试验,得到不同参数组合下街区热环境变化规律。主要结论为:建筑密度和容积率对热环境的影响是非线性、非单调的,当建筑密度和容积率变化时,环境温度及舒适性指标的响应曲线表现为类似二次曲线的凹函数形式;硬地路面以及建筑外表面材料铺装材料,虽然反射率增大对热环境有利,但是过大的反射率会增大平均辐射温度,甚至引起光污染;建筑架空、绿地与绿化、透水路面、水体等下垫面以及遮阳构筑物对改善热环境有利。(4)在数值试验的基础上,考虑热环境影响因素间相互作用关系,对各个参数进行组合,重新整合成用于回归分析的因子。拟合得到控制性详细规划指标的热环境与热舒适度评价模型。将该模型程序化,开发针对广州地区的城市控规用热环境预测评估软件。基于建立的热环境评价简化模型和软件采用全局敏感性分析法进行参数不确定性和敏感性分析,得到主要结论有:(1)热环境评价性指标对建筑密度和楼层数最为敏感;(2)建筑架空对于WBGT为第三敏感因素,而对于SET*和热岛强度,第三敏感因素则是绿地率;(3)整体敏感性指标考虑各因素间相互作用,对于敏感性分析更加全面和准确。

关键词：街区热环境实地观测数值试验简化评价模型敏感性分析

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街区尺度室外热环境三维数值模拟研究

街区尺度室外热环境三维数值模拟研究

作者：金建伟浙江大学

学位级别：硕士

随着我国城市化进程的快速推进,城市热岛效应日益明显。城市街区作为城市的重要组成单元,如何通过改善其热环境,提高居住的舒适性、实现街区节能,成为街区开发者、设计者和居住者普遍关心的问题,对它的研究已经成为城市热岛研究的重要... 详细信息

随着我国城市化进程的快速推进,城市热岛效应日益明显。城市街区作为城市的重要组成单元,如何通过改善其热环境,提高居住的舒适性、实现街区节能,成为街区开发者、设计者和居住者普遍关心的问题,对它的研究已经成为城市热岛研究的重要组成内容。城市街区热环境问题是城市气候、空间布局、下垫面等自然和人为因素综合作用的结果,涉及多学科的研究领域。随着以RS,GIS为代表的空间信息技术的发展,综合交叉研究成为可能。本文试图在前人基础上,针对街区空间布局形态和下垫面特点,利用多源数据,建立一个由数据—模型—模块—系统—缓减功能集成的街区热环境模拟可视化智能信息系统,指导街区的规划设计。本文以上述思想为基础,重点研究了以下几个方面：首先总结了街区热环境的研究背景和意义。然后通过对国内外相关研究进展的评述,发现目前国内外学者对街区室外热环境数值模拟研究多限于单一学科的研究,缺乏进行多学科交叉研究,数值模拟过程复杂。利用GIS技术,可以将模拟过程的各个功能模块实现为构件,组成功能完整的软件系统,实现相关学科和技术手段的综合,弥补上述不足,这正是本文的出发点和创新点。其次通过对夏季杭州城西港湾家园高层小区的室外热环境实测,总结了街区室外热环境三维空间分布特征。在此基础上,分析了街区白天热环境变化的主要影响因素及其内在机理,并获得了热环境模拟的边界条件和验证数据。第三,归纳了街区热环境模拟的模型和数据体系。首先总结了街区尺度表面温度和和气温耦合数值模型体系;其次构建了GIS软件的数据体系,主要涉及各类数据的合理组织,为此需要获得研究区域的气象地理数据、空间建模数据、地物物理属性数据等基础资料,主要是利用网络搜索、到资料管理部门申请、实地调查等方式完成数据收集。第四,基于IDL平台构建街区热环境数值模拟GIS系统。主要介绍了系统设计思路和各个功能模块的组成。其中主要利用了高光谱遥感、地理信息系统(GIS)和计算机流体力学(CFD)等技术。通过IDL语言开发街区三维快速建模功能和实现空间信息的查询和管理;通过高光谱遥感技术识别街区建筑材质,并为街区热环境模拟提供材质热物理属性参数;通过CFD技术实现街区三维热环境模拟,将模拟结果可视化,并做简单的街区节能预测;最终整合各个功能模块,构建GIS系统。第五,以夏季炎热的杭州城西港湾家园高层小区为例进行三维数值模拟。主要利用遥感影像、规划设计图纸、建筑材料物理属性和实测气温数据等多维数据,通过街区空间快速建模和网格化,热环境边界类型和条件设置,求解设置等步骤,实现热环境模拟。同时对比实测数据,分析了温度场和风场的模拟结果。第六,根据模拟和实测分析,提出了夏季街区尺度室外热环境缓减的规划设计对策。为城市规划,建筑设计以及景观设计等手段提供科学依据,从而缓减城市街区的热岛效应,改善城市微气候。

关键词：街区热环境实地观测数值模拟高光谱遥感 GIS CFD 缓减对策

滨江街区江风渗透与热环境关联性研究——以汉口滨江住区为例

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滨江街区江风渗透与热环境关联性研究——以汉口滨江住区为例

作者：王秀颖华中科技大学

学位级别：硕士

进入21世纪后,由于城市的高容高密开发,城市人口不断集中,城市中大量规划不合理的建筑,不断增强了城市的热岛效应。武汉是典型冬冷夏热的亚热带季风性城市,武汉的夏季素有“火炉”之称。由于城市规模及密度的急速膨胀,夏季日间的热岛效... 详细信息

进入21世纪后,由于城市的高容高密开发,城市人口不断集中,城市中大量规划不合理的建筑,不断增强了城市的热岛效应。武汉是典型冬冷夏热的亚热带季风性城市,武汉的夏季素有“火炉”之称。由于城市规模及密度的急速膨胀,夏季日间的热岛效应也成为了武汉在城市进程中亟待解决的问题。武汉处于汉水与长江交汇处,这样的大型城市水体对滨水空间热环境、热舒适有着很强的改善作用。本文以汉口滨江街区为研究对象,通过建筑类型学的研究设计方法,遵循从具体到抽象再到具体的研究设计过程,采用聚类计算与正态分布的原理,对汉口滨江街区进行数字化抽象,提取典型空间形态指标数据后,获得符合汉口滨江特征的理想街区与典型街区。通过Grasshopper中Honeybee与Ladybug插件,调用Energyplus与Openfoam等模拟平台,将其与ANSYS Fluent软件进行联动,实现了热辐射与CFD流体计算模拟的耦合,模拟街区中空气温度(TA)、风速(WS)、相对湿度(RH)、平均辐射温度(MRT)、通用热气候指数(UTCI)的分布状态。通过江风渗透率(WPR)可以量化评价滨江街区江风渗透的能力,通过热环境指标模拟结果可以研究街区开发强度、空间高度、形态组合的差异对基于江风渗透的热环境影响;计算各热环境指标在相邻街区的变化幅度,可以探讨滨江街区在空间形态及距江面距离发生变化的情况下,江风渗透的衰减与热环境的变化之间关联作用。研究发现,滨江区域基于江风渗透的热环境情况最好的是建筑高度25m左右的多层街区、小高层街区,基于江风渗透的热环境情况最差的是建筑高度高于50m的高层街区。在街区空间变化上,平均建筑高度为25m的高度比为1:2:3的滨江街区空间,基于江风渗透的热环境最好。在街区形态组合上,基于江风渗透的滨江街区热环境情况最好的是与江面垂直的街区内部建筑(建筑朝向西南方向),其次是与江面平行的街区内部建筑(建筑朝向东南方向),最差的是与江面呈45°夹角的街区内部建筑(建筑朝向正南方向)。研究还发现,江风渗透影响最直接的热环境指标是空气温度,相邻街区WPR衰减幅度的增大会引起空气温度、UTCI升温幅度的增大,街区江风渗透情况的改善则可以提升街区的降温幅度,且距江面距离越近,这种影响关联越强。滨江690m范围内WPR对热环境的改善作用最强,滨江690m到860m之间作用在减弱,860m范围以后作用更加微弱。

关键词：街区热环境建筑类型学江风渗透热辐射耦合CFD模拟计算

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大连市舒适街区营造策略研究

大连市舒适街区营造策略研究

作者：赵秦枫大连理工大学

学位级别：硕士

随着城市化进程的推进,我国城市人口不断上升,城市已经成为人类赖以生存的主要场所。但在建筑密度、高人口聚集的城市无序发展开发模式下,城市气候环境受到了极大的影响,城市热岛、城市浑浊岛、无风城市等城市问题频发,这与人们对城市... 详细信息

随着城市化进程的推进,我国城市人口不断上升,城市已经成为人类赖以生存的主要场所。但在建筑密度、高人口聚集的城市无序发展开发模式下,城市气候环境受到了极大的影响,城市热岛、城市浑浊岛、无风城市等城市问题频发,这与人们对城市空间舒适性和健康性的要求不符。尤其是生态环境脆弱的寒地滨海城市,现有的城市街区无论是热环境、空气品质等生活环境都已不能满足人们对居住品质的要求。因此,寒地滨海城市舒适街区营造策略的研究迫在眉睫。本文选取寒地滨海城市大连市为研究对象,采用文献研究、现场实测、数据归一化、模拟仿真模型、相关性分析等研究方法,以城市街区为研究尺度,对大连市微气候环境展开研究。首先对大连市进行街区划分,并统计各街区空间形态数据,探讨大连市街区空间形态分布。之后,选取与城市环境相关的重要节点进行街区微气候实测,将实测数据归一化处理后,把握大连市冬夏两季微气候情况,分析街区微气候各要素与街区空间形态的关系,研究发现空气污染物则受污染源分布的影响较大,街区热环境是影响街区室外空间舒适度的主要因素,而街区空间形态对其影响明显。根据街区形态挑选4个典型街区开展舒适街区营造策略研究,采用ENVI-met软件对典型街区的热环境舒适性展开模拟研究,获得温度、湿度、太阳辐射、风速风向等微气候要素在街区中的分布情况,将生理等效温度（PET）作为热舒适指标,通过Biomet计算PET,以分析街区热舒适。研究发现典型街区夏冬两季热环境均不舒适,太阳直射辐射与风速是影响生理等效温度（PET）分布的重要因素,而街区建筑形态对该两要素影响较大。故将街区建筑形态提炼简化为建筑分布、建筑间距、建筑朝向,开展舒适街区营造策略研究,并根据典型街区存在的问题提出相应营造改善策略,研究表明本文所提出的策略能有效的提升街区热舒适,有利于营造舒适的街区生活环境。研究通过探讨大连市主城区街区间形态分布和进行街区尺度的微气候模拟,对大连市微气候研究与城市规划起到了一定的参考意义,通过微气候模拟分析探究影响热舒适的重要因素对大连市小尺度范围微气候研究具有理论价值,将微气候模拟软件应用到街区规划设计中,对提高大连市人居环境质量、营造和谐舒适的建筑室外环境具有实际意义。

关键词：微气候街区热环境营造策略大连市

江风对夏热地区滨江典型居住区热环境的影响研究——以汉口滨江为例

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江风对夏热地区滨江典型居住区热环境的影响研究——以汉口滨江为...

作者：马玉洁华中科技大学

学位级别：硕士

近年来,我国城市化进程随着经济的飞速发展而不断加快。各大城市呈现出越发密集的趋势。尤其是在长江中下游地区,城市主要经济重心沿江河两侧主要通道发展而来,沿江区域的城市面貌正在发生着翻天覆地的变化,街区形态也越发密集且复杂。... 详细信息

近年来,我国城市化进程随着经济的飞速发展而不断加快。各大城市呈现出越发密集的趋势。尤其是在长江中下游地区,城市主要经济重心沿江河两侧主要通道发展而来,沿江区域的城市面貌正在发生着翻天覆地的变化,街区形态也越发密集且复杂。既往研究表明街区热环境与街区形态有明显关联,而在滨江地区,由于江风的作用,街区热环境的分布特征与内陆街区也会有所区别。长江两岸的城市空间可以利用江风的规律和特点缓解城市热岛,改善街区热环境。本文通过汉口滨江区域实际街区的形态入手,选定滨江若干居住区作为研究样本。从形态类型学的角度出发,提取了样本居住区的各类形态数据。结合统计学中的聚类算法与正态分布理论,对各类数据进行聚类分析,挑选出最具代表性的形态数据。并根据典型形态数据提取出七种典型的滨江居住区模型。结合GRASSHOPPER平台中LADYBUG插件的表面温度计算功能与热舒适计算功能,通过ANSYS FLUENT模拟街区中的热环境与含湿量分布。使用江风渗透率WPR(Wind Penetration Rate)这一指量化指标来评价江风渗透能力。利用空气温度(Ta),滨江降温幅度(ΔTa),以及通用热舒适指标(UTCI)作为热环境评价指标。对比分析不同典型形态居住区的WPR变化规律与热环境指标的空间分布规律。探讨江风渗透对不同模式街区的热环境的影响规律,研究WPR与各热环境指标的相关性。研究发现,WPR与滨江居住区的空气温度和降温幅度关联性较强,较好的江风渗透效果可以有效改善滨江区域的空气温度,达到大幅度的降温效果。但WPR与UTCI相关性较差,在夏季汉口滨江区域范围内,UTCI与风速大小以及平均辐射温度的相关性更强。最后,根据各类滨江典型居住区形态的江风渗透表现以及热环境表现归纳出以典型居住区模块为基础的滨江城市设计策略。通过不同居住区形态的组合策略和居住区形态内部微调策略可以有效改善滨江区域热环境,达到营造舒适人居环境的目的。

关键词：典型形态形态类型学江风渗透 CFD数值模拟街区热环境