259建筑物排热对城市区域热气候的影响研究（2）：影响因素分571.docx

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1、建筑物排热对城市区域热气候的影响研究（2）影响因素分析哈尔滨工业大学 朱岳梅 刘京 姚杨 马最良摘要在前文的基基础上，本文首先提出以热舒适增长度DC和建筑物排热率DH作为新的评价指标；然后利用均匀试验设计法分析了建筑环境与能耗相关因素（制冷系统种类、室内空调设计温度、围护结构、窗墙比、内部负荷等）以及城市规划相关因素（建筑密度、建筑平均形状和高度、土地利用状况、植被等）等与城市热气候的相关关系，重点定量讨论了建筑物排热在城市热气候中所起的作用。关键词 均匀试试验法 建筑筑物排热热 热热舒适增增长度 城市热热气候1 均匀试试验设计计由于城市热热气候的的影响因因素众多多且可能能存在交交互作用用，如

2、果果考虑各各因素之之间所有有的可能能组合进进行全面面试验，势势必带来来巨大的的工作量量，即使使是高性性能的计计算机也也难以承承受；更更重要的的是计算算结果中中混杂大大量无效效的数据据信息，增增加了统统计分析析的难度度，反而而难以探探求各因因素的规规律性。故故此，本本研究利利用试验验设计的的方法1，采采用尽可可能少的的试验次次数，同同时获得得最有效效的试验验效果，从从而把握握城市内内部热气气候形成成的特点点和规律律。1.1 试试验指标标的确定定建立合理的的城市热热气候影响响评估体体系对于于正确评评价城市市化各种种因素对对城市热热气候的形形成所起起的作用用具有重重要意义义。国内内外现有有的研究究成

3、果，如我国国开发的的“城市规规划大气气环境影影响评估估系统”2、日本的的CASSBEEE评价体体系33等，由于于指标很很多，进进行综合合评估时时必须考考虑各分分项指标标的权重重设计，这种人人为操作作因素必必然为客客观地评评价城市市热气候候带来影影响。故故本研究究在确立立评价指指标时，考考虑了以以下原则则：(1) 以以人为本本原则 室外外热气候候的优劣劣归根结结底是由由人进行行评判的的，反映映在指标标上就是是室外人人群的热热舒适度度；(2) 以以建筑设设备为本本原则 在城城市热气气候形成成机理的的分析中中，涉及及到众多多学科领领域的各各种因素素。从本本专业的的研究内内容考虑虑，重点点突出建建筑设

4、备备排热（包包括空调调冷源排排热和通通风排热热等）对对城市热热气候的的影响；(3) 可可操作性性原则 确定定评价指指标必须须尽可能能简单，并并且易于于量化计计算，同同时减少少权重设设计等有有可能带带来歧义义的操作作。在以上原则则的基础础上，本本文提出出了以下下两个评评价指标标：(1) 热热舒适增增长度DCC该指标标实质上上反映了了城市化化前后热热舒适度度SETT*的变变化率。其其定义为为： （11）式中SETT*urrbann为该对象象区域在在夏季代代表月的的计算期期间内白白天（88时-177时）SEET*的的时均值值，反映映了城市市化后的的实际热热气候状状况；SSET*0为计算时时，将建建筑

5、相关关部分（包包括建筑筑本体和和排热）全全部由绿绿地代替替的状态态下该对对象区域域在夏季季代表月月的计算算期间内内白天（8时-17时）SET*的时均值。作为比较的基准值，反映了城市化前的理想状态。(2) 建建筑物排排热率DH该指标标实质上上反映了了建筑物物排热在在城市热热气候形形成中的的影响度度。其定定义为： （22）式中SHb为为在夏季季代表月月的计算算期间内内由建筑筑设备（冷冷源系统统和排风风）产生生的累加加全热排排热量 (kWWhm-2区域域)；SHs为在夏季季代表月月的计算算期间内内计算区区域总全全热得热热量的累累加值 (kWWhm-2区域域)。1.2 试试验方案案的确立立本研究中抽抽

6、取下列列主要因因素作为为研究对对象：（1）建筑筑环境与与能耗相相关因素素（空调调系统种种类、围围护结构构、窗墙墙比、墙墙体反射射率、内内部负荷荷等）；（2）城市市规划相相关因素素（建筑筑密度、建建筑平均均形状和和高度、土土地利用用构成、绿绿化率、水水景观等等）。基于以上论论述，考考虑各因因素的合合理取值值范围，表表1给出用用于试验验设计的的因子和和水平取取值。其其中每个个因素分分别取66个水平平值。另另外，为为详细讨讨论不同同空调系系统种类类的影响响，该因因素不列列入试验验设计方方案。表1 均匀匀试验设设计因素素和水平平值因素水平值123456建筑层数nn建筑密度b窗墙比Rww墙体反射率率aw

7、内部全热负负荷峰值值Hmaxx（Wm-22）绿化+水景景观面积积比g*35%0.300.104020%610%0.350.205025%915%0.400.306030%1220%0.450.407035%1530%0.500.508040%1840%0.550.609045%*绿化和水水景观面面积比设设为1: 1。此处处水景观观是指分分散分布布于研究究对象区区域内的的喷泉、小小的天然然和人工工湖、池池塘等。2 计算结结果与分分析 根根据取定定的因素素与水平平数，选选用均匀匀设计表表U18(186)。表头设设计及试试验安排排如表22所示。空调系统主主要考察察以下几几种：11）电动动水冷式式冷水

8、机机组，以以螺杆式式冷水机机组（SSR）为为代表；2）吸收收式冷水水机组，以以直燃吸吸收式冷冷水机组组（ARR）为代代表；33）热泵泵式冷水水机组，以以空气源源热泵机机组（HHP）为为代表；4）区域域供冷系系统，以以电制冷冷为主体体，设置置离心式式冷水机机组。每每种空调调系统进进行188次数值值试验，所有计计算共计计72次。计计算结果果总结在在表3。其中中前文中中按照规规划方案案计算的的SETT*0为30.88ooC。表2 均匀匀试验设设计方案案试验号nbRwawHmaxg1234567891011121314151617182456134114326532656134256534211645

9、32615243425563431612431256113622434556433443251562561261346161241535256423各种系统考考察结果果如下：2.1 螺螺杆式冷冷水机组组 如采用直观观分析法法，由表表3可看出出6号方案案对应的的DC值最大大，而114号方方案对应应的DH值最大大，可作作为各自自相对最最不利条条件。但但由于本本研究中中涉及到到的因素素较多，相相互之间间的作用用关系复复杂，单单纯采用用直观分分析很难难准确把把握各因因素对城城市热气气候以及及建筑物物排热的的影响，故故对上述述试验结结果进行行多元函函数回归归分析。分析表1可可知，建建筑密度度b和建筑筑层

10、数nn都是描描述建筑筑群体在在空间内内充满度度的指标标，它们们结合在在一起实实际上就就是容积积率j的概概念。而而窗墙比比Rw、墙体体反射率率aw、内部部全热负负荷峰值值Hmaxx又均通通过容积积率对目目标值产产生共同同作用。另另外，绿绿化+水景观观面积比比g与建筑筑密度b之之间也存存在取值值的相互互制约关关系。综综合以上上分析，经经过前期期试算，最最终得到到回归方方程如下下： （3） （44）由回归方程程可知，对对DC值而言言，首先先容积率率自身对对室外热热舒适的的影响是是比较复复杂的。容容积率提提高使得得不透水水人工表表面面积积增加、空空调排热热量增加加、气流流流动降降低，导导致室外外热舒适

11、适度下降降；但同同时，容容积率提提高又相相对增加加了建筑筑遮蔽率率，降低低了太阳阳辐射的的影响，造造成室外外热舒适适度提高高。其次次，窗墙墙比和墙墙体反射射率的系系数为正正，标明明室外热热舒适度度随这两两个因素素的增加加而更加加不利；而室内内负荷及及绿地+水景观观面积利利用率的的系数为为负，说说明室外外热舒适适度随这这两个因因素的增增加而得得到改善善。表3 均匀匀试验计计算结果果试验号SRARHPDHCDCDHDCDHDCDHDCDH1234567891011121314151617184.46993.37334.42114.58993.33884.614.39553.91443.53994.

12、57443.79993.23773.41884.28554.444.42444.40113.90880.49770.21550.46770.58770.12880.50110.54220.31110.11440.54440.39110.10550.36550.69220.34220.38440.62110.32114.58663.394.45334.62333.35884.68994.49663.98773.56114.62443.83773.253.42554.41554.48554.48994.42993.93110.65660.350.630.73110.22550.66330.70.4

13、6770.21770.69330.54660.19110.52330.80660.51880.55660.75440.49224.23993.31774.37664.64443.27444.59884.45663.71773.50994.52113.71993.20223.384.39004.38884.31884.38553.87880.51770.23110.490.60440.13990.52330.56110.32880.12440.56110.40660.11110.38660.540.36770.40770.63770.344.47113.37444.42334.593.33884

14、.61334.39773.91663.544.573.83.23883.41774.28994.44114.42664.40223.91110.50440.220.47550.59440.13220.50880.550.31770.11880.550.39880.10880.37220.69880.350.39220.62880.3288 表表4 螺杆杆式冷水水机组DCC和DH回归方方程的回回归统计计和方差差分析DCDH回归统计 复相关系数数R0.96660.9855决定系数RR20.93330.9699标准误差0.160.0388方差分析自由度dff66离差平方和和SS3.89000.514

15、4均方MS0.64880.0866F值25.777657.8998F值对应的的显著性性水平7.22110-661.1100-7DH值的回归归方程形形式与DCC又有不不同。室室内负荷荷增加直直接导致致建筑物物排热率率增加；而绿地地+水景观观面积利利用率增增加，虽虽然室外外气温下下降，但但同时意意味着下下垫面传传热在城城市热气气候中所所占比率率下降，间间接造成成建筑物物排热率率增加。为验证其可信性，对上述两回归方程进行了回归统计和方差分析，结果见表4。无论是从复相关系数还是显著性水平判断，都说明所建立的回归方程非常显著，与原始数据拟合得很好。在多元回归归方程中中，偏回回归系数数表示了了各试验验因素

16、对对试验指指标值的的具体效效应，但但一般情情况下由由于偏回回归系数数本身的的大小受受到因素素单位和和取值的的影响，并并不能直直接反映映其相对对重要性性，故需需要进行行标准化化处理4，计计算式如如下： （55）式中Pj为为试验因因素j的标准准化回归归系数；bj 试验验因素jj的偏回回归系数数；Ljj为试验因因素j的残差差平方值值，。其其中xi、n分别为为试验因因素j的第i个取值值、平均均值和个个数；LLyy为试验指指标的残残差平方方值，。其其中yi、n分别为为试验指指标的第第i个取值值、平均均值和个个数。标准化处理理后的结结果整理理见表55。由此此可见各各因素的的主次顺顺序分别别为：（1）热舒舒

17、适增长长度DC：容积率率自身及及其平方方值所起起作用最最大、其其次为窗窗墙比和和绿地+水景观观面积利利用率、墙墙体反射射率及室室内负荷荷所起作作用最小小；（2）建筑筑物排热热率DH：容积率率自身及及其平方方值所起起作用最最大，其其次为室室内负荷荷、窗墙墙比和墙墙体反射射率所起起作用不不大、绿绿地+水景观观面积利利用率则则可忽略略。需要指出的的是，容容积率的的指标包包含的内内容不仅仅仅是建建筑本体体，而是是涵盖了了建筑冷冷源系统统排热和和通风系系统排热热等建筑筑物排热热部分，所所以其影影响程度度最大。利利用上述述方程可可以大体体上评估估城市化化及人工工排热对对城市热热气候的的影响程程度。表5 螺

18、杆杆式冷水水机组标标准化回回归系数数PjP1P2P3P4P5P6jj2jRwjawjqg/bDC1.901.680.240.100.040.24DH1.581.750.190.150.980.022.2 其其他形式式的冷源源系统 图1为不同同冷源系系统计算算所得DCC值和DH值的分分布关系系。总体体上，各各冷源系系统对室室外热气气候的影影响规律律大致相相同。差差异较大大的直燃燃吸收式式冷水机机系统。由由于吸收收热的原原因，造造成排热热量相对对较大，从从而使得得DH值平均均约比其其他系统统高355%。但但对热舒舒适的直直接影响响不大，只只高出11%左右右。另外，作为为参考，在前文计算条件下的计算

19、结果也标在图中（DC=4.781oC，DH=0.454）。可以看出，由于下垫面构成的原因，前文方案对室外热舒适有较为不利的影响，但建筑物排热所起作用相对较小。图1 均匀匀试验计计算结果果（热舒舒适增长长度与建建筑物排排热率）结论本文利用均均匀试验验分析方方法，对对影响城市市热气候候形成的的各因素素进行了了深入探探讨。主主要结论论如下：1）提出以以热舒适适增长度度DC和建筑物物排热率率DH作为新新的评价价指标，分分别反映映城市化化对气候候的影响响，以及及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；2）对DC值值而言，首先容积率自身对室外热舒适的影响比较复杂。容积率提高使得不透水人工表面面

20、积增加、空调排热量增加、气流流动降低，导致室外热舒适度下降；但同时，容积率提高又相对增加了建筑遮蔽率，降低了太阳辐射的影响，造成室外热舒适度提高。其次，窗墙比和墙体反射率比较重要，室内负荷及绿地+水景观面积利用率对室外热舒适度的影响较小；3）对DH值值而言，室室内负荷荷增加直直接导致致建筑物物排热率率增加；而绿地地+水景观观面积利利用率增增加，虽虽然室外外气温下下降，但但同时意意味着下下垫面传传热在城城市热气气候中所所占比率率下降，间间接造成成建筑物物排热率率增加；4）从各因因素对城城市热气气候的影影响度看看，容积积率自身身及其平平方值对对热舒适适增长度度DC所起作作用最大大、其次次为窗墙墙比

21、和绿绿地+水景观观面积利利用率、墙墙体反射射率及室室内负荷荷所起作作用最小小；另一一方面，容容积率自自身及其其平方值值对建筑筑物排热热率DH所起作作用最大大，其次次为室内内负荷、窗窗墙比和和墙体反反射率所所起作用用不大、绿绿地+水景观观面积利利用率则则可忽略略。需要指出的的是，容容积率的的指标包包含的内内容不仅仅仅是建建筑本体体，而是是涵盖了了建筑冷冷源系统统排热和和通风系系统排热热等建筑筑物排热热部分，所所以其影影响程度度最大。利利用回归归方程可可以大体体上评估估城市化化及建筑筑物排热热对城市市热气候候的影响响程度。5）几种空空调冷源源系统对对室外热热气候的的影响规规律基本本相同，但但影响程程度差异异显著。其其中直燃燃吸收式式冷水系系统的建建筑物排排热率平均约约比其他他系统高高35%。参考文献1 方方开泰，马马长兴正交与与均匀试试验设计计北京京：科学学出版社社，200012 北北京城市市规划建建设与气气象条件件及大气气污染关关系研究究课题题组城城市规划划与大气气环境北京：气象出出版社，20043 日日本建築物物総合環環境性能能評価評価東京都都：建築築環境省機構（財財），200054 李李云雁，胡胡传荣试验设设计与数数据处理理北京京：化学学工业出出版社，2005