街区尺度室外热环境三维数值模拟研究

论文摘要

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。

论文目录

• 致谢
• 前言
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外街区室外热环境研究进展
• 1.2.1 街区热环境观测研究进展
• 1.2.1.1 实地观测
• 1.2.1.2 空间技术观测
• 1.2.2 街区热环境数值模拟研究进展
• 1.2.2.1 数值模拟理论与应用
• 1.2.2.2 数值模拟软件发展
• 1.2.3 总结与评价
• 1.3 研究思路与技术路线
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 技术路线
• 1.3.3 创新与关键点
• 第二章 街区热环境实地观测与规律总结
• 2.1 观测概况
• 2.2 水平观测及其结果分析
• 2.2.1 观测内容
• 2.2.2 观测结果与分析
• 2.3 垂直观测及其结果分析
• 2.3.1 观测内容
• 2.3.2 观测结果与分析
• 2.4 观测结论与不足
• 2.4.1 结论
• 2.4.2 不足
• 2.5 街区热环境影响因素与特征过程
• 2.5.1 气象条件
• 2.5.2 空间布局
• 2.5.3 表面物理属性
• 2.5.4 人为热排放
• 第三章 街区热环境模拟数值模型与数据体系
• 3.1 数值模型体系
• 3.1.1 表面热平衡模型
• 3.1.1.1 太阳短波辐射
• 3.1.1.2 地物表面长波辐射
• 3.1.1.3 对流换热热量
• 3.1.1.4 表面传热导热
• 3.1.1.5 表面潜热
• 3.1.2 空气流场模型
• 3.1.2.1 基本控制方程
• 3.1.2.2 流场计算
• 3.2 数据体系
• 3.2.1 空间建模数据
• 3.2.2 气象地理数据
• 3.2.3 地物物理属性数据
• 第四章 街区热环境三维模拟GIS系统
• 4.1 系统设计思路
• 4.2 主体界面设计
• 4.2.1 创建三维场景底图
• 4.2.2 创建指北针
• 4.2.3 创建三维坐标轴
• 4.3 系统功能模块
• 4.3.1 街区三维场景创建
• 4.3.1.1 建立几何模型
• 4.3.1.2 单体操作功能
• 4.3.1.3 三维场景操作
• 4.3.2 街区表面材质识别
• 4.3.2.1 建立标准波谱数据库
• 4.3.2.2 提取光谱曲线剖面
• 4.3.2.3 快速识别建筑物表面材料
• 4.3.3 街区空间信息查询
• 4.3.3.1 查询经纬度
• 4.3.3.2 查询表面物理属性
• 4.3.3.3 查询用地面积
• 4.3.3.4 查询建筑基底面积
• 4.3.3.5 查询建筑密度
• 4.3.3.6 查询容积率
• 4.3.4 三维温度求解
• 4.3.4.1 网格布置
• 4.3.4.2 边界类型和条件设置
• 4.3.4.3 求解设置
• 4.3.5 温度智能显示
• 4.3.5.1 温度显示优化
• 4.3.5.2 温度统计分析
• 4.3.6 街区节能预测
• 第五章 街区室外三维热环境模拟应用
• 5.1 热环境三维数值模拟
• 5.1.1 建立街区三维模型
• 5.1.2 计算区域确定和网格布置
• 5.1.3 边界类型和条件设置
• 5.1.4 求解设置
• 5.2 数值模拟结果分析
• 5.2.1 导热模拟
• 5.2.2 导热对流耦合模拟
• 5.2.3 风场模拟
• 5.2.4 模拟结果分析
• 第六章 街区热环境规划设计对策体系
• 6.1 规划布局
• 6.1.1 用地布局形态
• 6.1.2 建筑布局设计
• 6.1.3 道路交通系统
• 6.1.4 绿地景观系统
• 6.2 空间界面设计
• 6.2.1 屋顶
• 6.2.2 建筑立面
• 6.2.3 铺面
• 6.3 人为热排放控制
• 6.3.1 政策保障
• 6.3.2 生活方式
• 第七章 主要结论与不足
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究不足与展望
• 参考文献
• 附录
• 附表
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文