258建筑物排热对城市区域热气候的影响研究（1）：长期动态模570.docx

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1、建筑物排热对城市区域热气候的影响研究（1）长期动态模拟及分析哈尔滨工业大学 朱岳梅 刘京 姚杨 马最良摘要探讨城市特特定区域域内热气气候的形形成机理理，特别别是建筑筑设备排排热在热热气候形形成中所所起的作作用，对对于从建建筑角度度减缓城城市高温温化进程程和热岛岛效应、有有针对性性地提出出改善室室外热舒舒适环境境、降低低建筑能能耗的方方法具有有重要意意义。本本文以某某南方城城市大型型CBDD规划改改造项目目为研究对对象，利利用已建建立的城城市区域域热气候候预测模模型，首首先设定定基本解解析条件件，通过过长期动动态模拟拟，分析析了城市市化后室室外热气气候特征征及室外外热平衡衡规律。关键词 建筑物排

2、热 数值模模拟 城市热热气候 城市市区域热热气候预预测模型型1 前言随着我国城城市化进进程的迅迅猛发展展，以热热岛效应应和城市市高温化化为代表表的城市市热气候候问题日日益受到到关注。其中以建筑物排热为主的大量城市人为热的释放被认为是城市热气候问题的主要成因，近年来国内外相继开展了一些工作。国内如龙惟定等1从军团病、臭氧损耗、全球气候变暖等方面论述了建筑空调对室外气候的负面影响，并且从能源效率、污染物排放量等角度具体比较了常用空调冷源的性能；陈大宏等2利用CFD研究了多层建筑空调室外机散热所产生的上升热气流对上层设备功效的影响；国外如Ichinose等3、鸣海等4分别利用大气边界层气象模式和城市

3、冠层模型，通过调用环境数据库，研究人工排热对城市气候的影响，并认为人工排热在冬季所起的作用更大；原山等5、原田等6通过在CFD计算模型中导入空调排热来研究空调排热量对室外微热环境的影响。上述研究有的局限于定性分析，有的虽然考虑了建筑物排热的因素，但未对不同空调系统所可能产生的不同热气候效果作详细的讨论。另外，由于城市和建筑的特点与发展水平、能源结构、气候条件、土地构成等的不同，国外的研究结果很难直接套用到国内的实际情况。基于上述分分析，本本文利用用建立的的城市区区域热气气候预测测模型对对南方某某大型CBBD区域域内的热热气候及及能量平平衡关系系进行了了系统模模拟分析析，重点定定量讨论论建筑物物

4、排热在在城市热热气候中中所起的的作用。2 制冷系系统排热热计算模模型概要要本研究重点点探讨夏季空空调制冷系系统排热对城市市热气候的的影响。事事实上，建建筑的夏夏季空调调排热除了受受到建筑筑负荷的影影响外，还与不同的冷源系统的性能有关。本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（以直燃型代表）为研究对象，基本上涵盖了目前国内外市场上常用的冷源设备状况7。由空调系统排向大气的热量Q (W)的计算式为： （1）式中Htootall为建筑空空调全热负荷 (WW)；COPP为空调系统性能系系数，在在有关国国家标准中均均有规定。对于电动水冷冷式冷水水机组，严

5、格的说，COPP值与冷冻水出水水温度、冷冷却水进进水温度度、换热热器传热表面面的污垢系数数等因素素有关。为简化计算起见，模型型中在冷冷冻水温度度7/112oC，冷却却水温度度32/37ooC的工况况条件下下均设为为定值，分别取为3.99（活塞塞式）、4.4（螺杆式）、5.0（离心式）；对于直燃吸收式冷水机组，COP设为定值，取1.0，对应冷水出水温度7oC，冷却水进水温度32oC；对于空气源热泵机组来说，COP受空气温度的影响不能忽略，如下图所示8：图1 空气气温度与与空气源源热泵机机组COOP之间间的关系系IP为负荷荷相关系系数。为为简化计算过程，本本文中引入入负荷相关关系数的的经验计计算方

6、法法9，该值与负荷率lrr、空气气温度TTairr及冷水水平均温温度Tw（本研研究中设设为111oC）相关关，可表表述为下式： （2）以上讨论的的均是分分散在各各建筑物物内的空空调冷源系系统情况。近近年来区区域供冷冷系统（Disstriict Cooolinng SSysttem, DCCS）在国内内外得到到了很大大发展。但但区域供供冷半径径越大，区区域管道道就越长长，管道道冷损失就越越不能忽忽略。在在本研究究中冷损损失附加加率按00.8%/1000m考考虑100。在区域供供冷系统统中常采采用的蓄蓄冷措施施所带来的能能量变化不予予考虑。同时，由于于区域供供冷在部部分负荷时采用台台数控制制，并不

7、不降低单单台制冷冷机的性性能，故故设为始终在满负荷下下运行。实际计算时时，将排排热量按照照系统的显热和潜潜热的排放放比分别别代入到到大气温温度和含含湿量计计算模型型中。根根据文献献，空气气源热泵泵机组、水冷冷式冷水水机组、直燃燃吸收式式制冷机机的显热热比分别为为1000%、12.5%、11.3%11。而直直燃吸收收式制冷冷机由于于燃气过过程伴随随有水蒸蒸气的散散发，按照照1MJJ热量对应388.4gg的散湿湿来考虑虑。大气、城市市下垫面面、太阳阳辐射以以及人体体舒适性性等计算算均根据据在日本本九州大大学的一一维城市市冠层模模型AUUSSSSM基础础上不断断改进完完善形成成的城市市区域热热气候预

8、预测模型型进行计计算112，113。以以上开发发的制冷冷系统排排热计算算模型导导入该预预测模型型中进行行耦合计计算。3 计算概概要3.1 计计算对象象和计算算条件本文选择南南方某城城市大型型CBDD区域规规划项目目为研究究对象（图图2）。该该区域用用地总面面积约11.044km22，区域域内除主主要的商商务办公公区外，还还包括商商业、娱娱乐、居居住、休休闲等小小的分散散功能区区。为简简化计算算，本研研究中对对建筑类类型进行行了统一一化处理理，认为为均为商商务办公公类公共共建筑。从从中心商商务区的的基本功功能定位位看可认认为这样样的假定定是合理理的。图2 研究究对象规规划方案案实际规划中中建筑物

9、物的形状状、体积积、间距距均不尽尽相同，本本研究中中通过统统计方法法，按照照城市区区域热气气候预测测模型的的要求简简化为大大小尺寸寸相同、规规则排列列的办公公楼群，同同时保持持实际规规划方案案中的建建筑密度度（244.877%）、容容积率（1.98）。所有建筑均为层建筑面积2700m2、层高3.3m、层数为8层的立方体，长宽比采用1: 1。另外，根据规划图纸推算，绿化率（指公共绿地、宅旁绿地、公共服务设施所属绿地和道路绿地）设为48.66%、道路广场用地设为26.47%。根据新颁布的公共建筑节能设计标准（GB 5018922005），该城市所处气候区的外墙、屋面、外窗传热系数K分别取 1.0、

10、0.7和3.5Wm-2K-1。窗墙比设为0.3514。另外，本文文中先利利用中尺尺度大气气边界层层气象模模式HOOTMAAC进行行广域计计算，然然后提取取相应数数据作为为城市区区域热气气候预测测模型的的边界条条件。限限于论文文篇幅，关关于这两两种模型型的不同同应用及及其结合合等内容容将于别别文中详详细介绍绍。3.2 建建筑物排热的的设定从研究对象象的性质质看，CCBD区区域的人人工排热热主要以以建筑物物排热和和汽车排排放为主主，可不不考虑工工业废热热部分。故办公建筑上班和空调设定期间均设为8:00-17:00。根据新颁布的公共建筑节能设计标准（GB 5018922005），对于节能办公建筑，综

11、合不同类型房间的要求，人员密度取为6m2人-1，室内电器设备功率取为16Wm-2，灯光照明取10Wm-2。负荷日变动率根据文献确定15。室内温度和相对湿度分别设定为26oC和60%。根据对我国国空调冷冷源使用用现状的的大量文文献调查查，研究究对象区区域内各各冷源的的使用率率分别设设定为螺螺杆式冷冷水机组组：离心心式冷水水机组：直燃吸吸收式冷冷水机组组：空气气源热泵泵机组=4: 4: 1: 1。其中中各种电电动冷水水机组、直直燃吸收收式冷水水机组的的排热通通过设置置在屋顶顶的冷却却塔、空空气源热热泵机组组的风冷冷机也安安置在屋屋顶。排排热量根根据式(1)计计算。另另外，新新风量按按照300m3h

12、-1人-1的设设计计算算。另外外，本文文还根据据参考文文献116，对对该地区区机动车车尾气排排放的废废热量和和日变动动比率进进行了设设定。4 计算结结果图3给出了了夏季典典型月期期间白天天（8时-177时）城城市冠层层内气象象参数和和室外舒舒适性指指标SEET*值值的频度度百分比比。数据据除一次次太阳辐辐射量为为地面平平均外，均均为城市市冠层内内部的空空间平均均值。由由图可知知，计算算期间内内气温的的最大频频度出现现在300-322oC的范围围（占总总时间的的约555%），气气温大体体处于正正常范围围；与温度度相比，平平均风速速的频度度分布相相对分散散，风速速适中，大致属属于1mms-11至2

13、.44ms-1内的的微风（占占总时间间的800%）。由由于建筑筑拖曳力力的作用用，没有有出现超超过3mms-11，甚至至5mss-1以上上的强风风天气；含湿量量大致在在20-222gkkg-11的范围围内（占占总时间间的677%），总体体上夏季季空气较较为湿润润；太阳辐辐射的作作用较为为强烈，分布明明显集中中在2000和3000Wm-2之间间（占总总时间的的约555%）；SETT*的频频度分布布曲线形形状与气气温相似似，但最最大频度度出现在在35-37ooC之间（占占总时间间的622%），与与气温出出现最大大频度的的数值相比比高出55oC左右。另另外，气气温的波波动幅度度也比SSET*值略大大

14、，这也也反映了了夏季室室外热舒舒适除温温度外，实实际上还还受到含含湿量大大、风速速较小、太太阳辐射射较为强强烈等多多因素影影响，在在这些综综合因素素作用下下热感觉觉始终保保持在较较高的程程度，即即99%的时间间将感到到“热,不适”，而感感觉“非常热热，极不不舒适”有发生生中暑危危险的时时间达到到68%。图3 气象象参数和和SETT*值（城城市冠层层内部空空间平均均）的月月变动频频度百分分比分布布分析城市冠冠层内部部热量平平衡和转转换对于于探讨城城市热气气候的形形成机理理，评估估建筑物物排热在在城市热热气候形形成中所所起的作作用都具具有重要要意义。与与室内环环境不同同，室外外是相对对开放的的空间

15、，本本研究首首先以近近地边界界层顶端端为上边边界建立立一假想想的封闭闭空间，其其内部热热量平衡衡关系见见图4。需要要指出的的是，通通过左右右侧边界界的大气气水平输输入输出出热量由由于封闭闭空间外外部情况况不易确确定，内内外温度度差和含含湿量差差不大，且且侧边界界面积要要远小于于水平面面面积。根根据估算，这这部分输输入输出出热量在在计算中中完全可可忽略不不计。由由以上能能量关系系，整理理计算期期间的数数据，可可得计算算期间内内白天（8时-177时）能能量的收收支变化化情况（图图5）和日日累积值值（表11）。其其中设定定流入热热量（或或流出冷冷量）为为正，流流出热量量（或流流入冷量量）为负负。图4

16、 城市市冠层内内热平衡衡概念图图图5 单单位区域域面积日日热量平平衡的动动态变化化首先从显热热方面，流流入假想想空间的的热量包包括空调调冷源的的排热、交交通排热热和各下下垫面（包包括建筑筑外表面面、路面面、草地地和裸土土）排热热等几部部分。由由表1可得城城市空间间各显热热得热方方式的贡贡献度排排序，分分别为：下垫面面传热（占占总显热热得热量量的约660%）空调冷冷源系统统排热（占占总显热热得热量量的约333%）交通排排热（占占总显热热得热量量的约77%）。可可见夏季季下垫面面传热和和冷源系系统排热热是城市市高温化化的主要要成因。由由前文给给出的本本规划用用地面积积可进一一步估算算出对于于一个比

17、比较典型型的南方方地区CCBD来来说，在在夏季高高温的近近一个月月期间内内，冷源源显热排排热量大大致为118.33kWhhm-22区域。另另外，由由于室内内空调设设定温度度较低，使使得建筑筑排风实实质上起起到对室室外气候候提供冷冷量的作作用，但但这部分分占总的的显热量量的比例例很小（约约5%）。总总体上建筑筑物排热热在城市市热气候候形成中中起着较较大的作作用。另另一方面面，上述述得热量量除一大大部分排排出至大大气边界界层之外外（约占占总显热热得热量量的622%），剩剩下的热热量成为为大气空空气块的的显热蓄蓄热部分分（约占占总得热热量的333%）。这实实质上就就是城市市高温的的直接成成因。其次从

18、潜热热方面，流流入假想想空间的的热量包包括空调调冷源的的排热和和各下垫垫面（包包括建筑筑外表面面、路面面、草地地和裸土土）的排排热等几几部分。由由于电动动冷水机机组在空空调冷源源系统中中所占份份额很大大，使得得城市空空间各潜潜热得热热方式的的贡献度度中以空空调冷源源系统排排热（占占总潜热热得热量量的约774%）为为主。下下垫面传传热（占占总潜热热得热量量的约226%）相相对不高高，这主主要是由由于城市市大量不不透水人人工表面面的利用用导致本本来的下下垫面水水分蒸腾腾作用大大大削减减的缘故故。由前前文给出出的本规规划用地地面积可可进一步步估算出出对于一一个比较较典型的的南方地地区CBBD来说说，

19、在夏夏季高温温的近一一个月期期间内，冷冷源潜热热排热量量的累积积值约为为68.6kWWhm-2区域域。另外外，由于于室内空空调设定定湿度相相对较低低，使得得建筑排排风实质质上起到到对室外外湿气候候起到干干燥的作作用，且且这部分分占总的的潜热量量的比例例较大（约约17%）。综综合冷源源潜热排排热量看看，建筑筑物排热热在城市市湿气候候形成中中起着主主要作用用。另一一方面，上上述潜热热得热量量除一大大部分排排出至大大气边界界层之外外（约占占总潜热热得热量量的700%），剩剩下的热热量成为为大气空空气块的的蓄湿部部分（约约占总得得热量的的12%）。由由于南方方室外的的背景相相对湿度度较高，导导致蓄湿湿

20、量不大大。综上，建筑筑设备（包包括建筑筑排风和和冷源系系统）和和下垫面面散热在在总全热热得热量量中所占占比例分分别为552.44%和44.2%，这这两方面面因素直直接导致致了城市市高温高高湿气候候的形成成。表Error! Bookmark not defined. 计算期期间内单单位区域域面积热热量累积积值能量累积值/(kWhhm-22)显热边界层顶部部热通量量-34.775建筑排风排排热量-2.711冷源系统排排热量18.266交通排热量量4.24下垫面排热热量33.388大气空气块块蓄热量量-18.442潜热边界层顶部部热通量量-64.449建筑排风排排热量-16.551冷源系统排排热量6

21、8.611下垫面排热热量23.666大气空气块块蓄热量量-11.227结论根据实际的的城市大大型CBBD规划划设计方案案，设定定基本解解析条件件，通过过长期（典典型月变变动）动动态模拟拟，分析析了城市市化后室室外热气气候特征征及室外外热平衡衡规律。主主要结论论如下：1）由于高高温高湿湿的室外外热气候及及太阳辐辐射作用用，使得得绝大多数数时间的室室外热舒适感感恶劣，且且偏离实实际气温温5oCC左右。在在典型月月期间，99%的时间将感感到“热”不适，而而感觉“非常热，极不不舒适”，有发生中暑暑危险的时间达到到68%；另外外，热舒适感感还与建筑筑布局及及方位密密切相关关；2）通过对对城市冠冠层内热平

22、衡的的长期动态分析析可知，夏夏季下垫垫面传热和冷冷源系统统排热是城市市高温化化的主要要成因，分分别占总显热热得热量的600%和33%，而空空调冷源系系统排热则占总潜热得热量的约74%，是城城市气候候逐渐向高温温高湿化化发展的主主要成因因。由上述可知知，如果果不能很很好地处处理现有空调冷源系系统排热问题题，仅仅依靠靠增加绿绿地率来来改善城城市热气候是是很困难难的。因因此有必必要更好好地研究究和推广广水源热热泵、地地源热泵泵系统等空调制冷方方式，以以及自然然通风等自然然能源利利用技术术，这对于降降低大气气热负荷、改改善城市市热气候具具有重要要意义。参考文献1 王王长庆，龙龙惟定，丁丁文婷各种冷冷源

23、的一一次能耗耗及对环环境影响响的比较较节能能技术20000, 18(4): 8-102 陈陈大宏、钱钱小玉、袁袁国杰等等多层层住宅建建筑空调调室外机机散热对对上层设设备的影影响暖暖通空调调20003, 33(3): 1005-11083 IIchiinosse TT, SShimmodoozonno KK, HHanaaki K. Imppactt off annthrropoogennic heaat oon uurbaan cclimmatee inn Tookyoo, AAtmoosphheree Ennvirronmmentt, 119999, 33: 38897-390094 鳴鳴海

24、大典典，大谷谷文人，近近藤明都市市人口口廃熱都市熱熱環境及影響日本建建築学会会環境系系論文集集20004, 5622: 97-10445 原原山和也也、吉田田伸治、大大岡龍三三非定常常放射伝導解解析数値値解析精度検検証日本建建築学会会計画系系論文集集20002, 5566: 99-10666 原原田雄介介，村上上周三，大大岡龍三三空調排排熱計算算連成成局地気気候都市市気候解解析日本建建築学会会環境系系論文集集20005, 5977: 65-717 姜姜尔宁全球冷冷水机组组和大型型空调设设备发展展现状（一一）（译译）制制冷技术术20004, 2: 433-4998 下下田吉之之，水野野稔，亀亀谷

25、茂樹樹都市未未利用活活用可能能性評価価手法関研究（第第2報）未未利用熱熱源水供供給省省空気調調和衛衛生工学学会論文文集19997, 67: 1-119 高高橋淳一一，近藤藤雅史，横横尾昇剛剛水熱源源熱熱源機器器効率解解析空気調調和衛衛生工学学会論文文集19999, 75(110):21-3010 朱纪军军，刘谨谨区域域供冷系系统及其其供冷半半径探讨讨制冷冷20004, 233(1): 669-77211 亀谷茂茂樹，水水野稔，下下田吉之之空調設設備年年代推移移都市市熱環境境負荷変化推移空気調調和衛衛生工学学会論文文集19997, 67: 133-21112 朱岳梅梅，刘京京，荻岛岛理，谷谷本润城市冠冠层模型型的扩展展与验证证建筑筑科学20007, 23(2): 844-8713 朱岳梅梅，刘京京，姚杨杨，马最最良室室外环境境热舒适适性模型型的建立立建筑筑科学20007, 23(6): 1-314 武建勋勋空调调建筑统统计能耗耗模型分分析暖暖通空调调19996, 266(6): 113-11615 赵志安安，杨纯纯华现现代化办办公楼空空调冷负负荷特性性及设备备选择暖通空空调220022，32(6): 599-61116 佟华，刘刘辉志，桑桑建国等等城市市人为热热对北京京热环境境的影响响气候候与环境境研究20004, 9(33): 4099-4221