绿化住区的室外气温预测模型研究

集总参数模型是在初步方案阶段指导住区规划和设计、确保住区室外热环境质量的有效工具。考虑太阳辐射散射的影响及住区热时间常数的修正,本文提出改进绿色CTTC模型。对广州4绿化住区开展夏季室外热环境测试,得到住区空气温湿度和风速的逐时变化及气象站参数。通过实测数据分析,确定湿热地区常见树种的树木太阳辐射遮挡率为0.8,发现树木对流换热率在0~0.39之间随时间呈二次多项式关系变化。通过与实测数据对比,确认在无强烈平流换热情况下,改进绿色CTTC模型性能较改进前有显著提高,模型预测的平均值误差≤0.2℃,RMSE≤0.3℃,一致性指数≥0.98,可用于湿热地区绿化住区的室外气温预测。     

围合式多层建筑开口与院落空间风环境

该文探讨了夏热冬冷地区围合式多层建筑不同开口方案对院落空间室外风环境的影响,从而得出室外风环境舒适的围合式多层建筑的开口方案。首先,建立长、宽、高为40m×40m×15m,内院为20m×20m×15m的围合式建筑模型,调整开口位置,得到12种典型开口方案。然后,利用计算机流体模拟软件Phoenics计算模拟院落空间的室外风环境情况,以室外人行高度(1.5m)处的风速、风向分布为对比数据,得出12种开口方案与之相对应的风环境优劣的关系,为夏热冬冷地区围合式多层建筑设计提供参考与评价依据。     

上海围合式住宅建筑研究——以中心城区既有围合式住宅为例

围合式住宅在上海的数量相对于整个城市住宅的总量而言非常少并且其境遇也日益尴尬,上海城市住宅开发和建设范式化现象严重并且亟待建筑设计类型上的创新,以及本文作者近10年从事相关住宅建筑设计实践工作,此3点一同成为了本篇博士论文主要的选题原因。本课题研究立足于现实,对上海中心城区既有的182个围合式住宅实例进行了全方位的调研。在此基础之上,对上海围合式住宅的发展历史进行了4个阶段的概述,并对其演化特征在4个层面分别进行了归纳。通过对历史的观察,可以认为自古以来围合式住宅在上海就一直存在,从未断代,并且在历史的每一时期,围合式住宅都有其所对应的具体形式。但是,无论是现状调研还是历史观察,它们都能有力地证明,与在欧美国家主要城市里一直处于数量上优势地位的围合式住宅相比,上海围合式住宅的总量自始至终没有占据一个显著的比例,更多的时候甚至是处于一个被抑制发展的窘境。这是本篇论文的第一个学术贡献。通过主、客观相结合的方法,本课题研究对围合式住宅进行了较为全面和深入的研究。在客观层面上,通过虚拟建模和数据计算等理性方法证明了围合式住宅的五方面优势(即经济、兼得、多样、邻里和环保)和它的五方面劣势(即朝向、日照、通风、干扰和安全),指出在很大程度上这些劣势妨碍了围合式住宅的正常发展。另外,还对有关围合式住宅及其相关内容的现行国家规范和地方标准进行了系统的梳理,指出在规范层面已存在一些不利于围合式住宅生长和发展的因素。在主观层面上主要进行了两项工作:第一是通过安亭新镇居住情况实地调查问卷来对围合式住宅的实际使用者就其问题和相关意见及建议进行全面调查和分析;第二是在微信投票平台上进行的上海围合式住宅调研问卷10题,借此收集到规划、建筑专业领域工作及研究人员关于上海围合式住宅未来发展的相关意见和建议。所以,无论是主观与客观,还是案例与问卷,本文都试图对上海围合式住宅这一特定的研究对象进行尽可能深入而细致的探索和发掘,以求能够获得对其尽可能准确的理解和掌握。这是本篇论文的第二个学术贡献。结合以上两个学术贡献,即上海围合式住宅现状调研及其历史观察和对围合式住宅的全面深入剖析,课题研究的后半部分创新性地尝试提出了上海围合式住宅理想模型的建立、变形、检验和完善。第一步,建立起了5个不同尺寸的上海围合式住宅理想模型(XSmall、Small、Medium、Large、XLarge);第二步,对这5个基础模型依次进行5个方面的优化变形(即转向、开口、高低、混合和补缺),从而可以获得一批初步形成的且已具有一定适用性的上海围合式住宅理想模型;第三步,通过日照时长测试和通风方向及速度测试等计算机虚拟辅助方法来帮助检验这些理想模型;第四步,根据得出的测试结果再对理想模型进行二次修正和调整,从而尝试获得在综合指标评价下表现最优的一批上海围合式住宅理想模型成果。这是本篇论文的第三个学术贡献,也是最具有创新性研究的一个贡献。长久以来,上海围合式住宅没有能够受到社会各方的足够关注,致使它始终处于一个较为次要甚至是被遗忘的位置,这其中既有它自身缺陷的原因,又和当代中国社会发展的背景密不可分。但是,围合式住宅所具备的各方面优势一直是毋庸置疑的,而且通过本文的研究和论证发现它的不足之处是能够通过一些技术方法来缓解或者改善的。因此,社会各方都应该尝试改变对围合式住宅的态度,从下意识地漠视、诟病和排斥转变为理性地审视、研判和接受。无论如何,在当下讲求个性、多样、共享和融合的我国城市化全面深入发展阶段,围合式住宅有足够的理由成为一种有益的补充类型加入到上海城市住宅的开发和建设中去,相信它必将有助于增加上海城市住宅的类型多样性,也必将有助于改善上海城市的空间和形象。     

华南典型住区地面能量计算方法—太阳辐射

城市热岛与居民舒适健康和城市用能息息相关。太阳辐射作为热岛问题的重要成因之一,其计算方法对认识和预测城市热岛有重要的作用。住区是城市的有机组成单元。本文以广州作为华南典型城市代表,通过107个住区的调研统计得到典型住区的设计特征,以具有代表性的行列式和围合式住区作为测试对象,开展夏季晴天地面入射的太阳辐射测试,将测试值与计算值对比发现:直射辐射较强时考虑建筑一次反射的计算值更接近测试值,对全天而言,是否考虑反射的计算值相接近(根均方差(RMSE)相差3～13 W/m~2),本文建立的计算公式可用于华南住区地面入射太阳辐射的预测。     

城市化对住宅建筑空调负荷的影响

城市化产生热岛效应。利用CTTC(建筑群热常数 )模型对城市化后的建筑群温度进行模拟计算 ,把计算结果作为室外计算温度 ,对一普通住宅建筑空调负荷进行了计算 ,并与根据气象台提供的室外温度计算出来的冷热负荷进行比较。结果表明 ,夏季冷负荷受城市化影响较大 ,当无室内发热量时 ,采用气象台提供的气象参数计算出的夏季冷负荷比按小区温度计算的低 1 0 %～ 35 % ;而冬季热负荷受城市化影响不大 ,二者差别不到 1 0 %。     

环境空气综合温度研究

借鉴室外空气综合温度,从可直接测量的前提出发,以黑色温度传感器为测量元件,综合考虑室外干球温度、太阳与温度传感器可见光短波辐射、温度传感器外表面与天空、周围物体的长波辐射,提出环境空气综合温度,用于供热系统在供暖期的运行调节。对环境空气综合温度理论计算式进行推导。将理论计算结果与实测值进行比较,考核实测值与理论计算结果的相对误差,判定是否可以采用实测值替代理论计算结果(即实现环境空气综合温度的直接测量)。在一定条件下,分析环境空气综合温度实测值与室外空气综合温度的变化是否基本一致,以及导致二者值不同的影响因素。测试期间,环境空气综合温度理论计算结果平均值、实测值平均值分别为-5. 11、-4. 90℃,后者对前者的相对误差为4. 1%。环境空气综合温度的实测值可替代理论计算结果,环境空气综合温度可由实测直接获得。在白天阴天的情况下,环境空气综合温度实测值与室外空气温度基本一致。在白天晴天的情况下,环境空气综合温度实测值与室外空气温度均随太阳辐照度的增大而提高。室外空气综合温度、环境空气综合温度实测值随时间的变化基本一致。但时间相同时,二者的值不同。主要原因是:接受太阳辐射的主体不同,室外空气综合温度接受太阳辐射的主体为大平面非透光围护结构,环境空气综合温度接受太阳辐射的主体为黑色表面温度传感器;室外空气综合温度忽略了围护结构外表面与环境的长波辐射传热量;在计算室外空气综合温度时,围护结构外表面对流传热系数未考虑随风速的变化。     

基于参数化三维模型的城市天空遮挡简化算法

天空遮挡是指在地表任意处所见天空受周围建筑、树或其他构筑物形成的遮挡。本文提出一种城市天空遮挡的简化算法,算法采用反三角函数解析法计算遮挡高度角,进而得到天空角系数、阴影率和日照时数等参数。通过脚本语言编制RhinoGrasshopper参数化平台插件实现算法的自动计算。通过理想算例、建筑群算例和实际城市住区算例的对比计算,证明简化算法具有较高计算精度和稳定性,可满足工程设计要求,其中,SVF计算值的根均方差≤0.04,一致性指数≥0.99,SAR计算值的根均方差≤0.101,一致性指数≥0.96。对比以往插件和软件,简化算法插件的计算耗时更短而整体运算效率更高。本文给出的算法及插件,可为城市设计初步方案在城市微气候、室外热舒适和建筑能耗等方面性能的评价与优化提供关键技术支持。     

航站楼使用阶段钢结构温度取值研究

为了准确确定大跨度钢结构在使用阶段的温度作用和方便钢结构温度变化模拟分析,对厦门高崎机场T4航站楼屋盖钢结构夏季的温度进行了全面测试,提出太阳辐射与室外气象温度的日变化计算模型。根据气象条件、室内分层温度控制方法以及屋面构造做法,通过CFD模拟技术研究高大空间温度场沿高度方向的变化规律,并在天窗部位考虑了太阳辐射的影响。结果表明:金属屋面具有良好的保温隔热性能,室内与室外钢结构的最高温度均与最高气温非常接近,钢结构昼夜温差主要受室外气温变化的影响;受到太阳辐射的影响,天窗部位钢结构的温度明显高于最高气温;CFD模拟计算得到高大空间空气温度沿竖向分布的结果与实测值的变化趋势相一致,顶部热滞留区的温度明显高于等温空调区,计算温度与实测温度相对误差为5%~10%;通过实测与模拟分析,可以较为合理地确定在使用阶段大跨度钢结构的温度,该方法可供类似大型公共建筑设计时参考。     

气凝胶玻璃的K-SC模型与动态传热模型对比分析

建立了气凝胶玻璃的光学模型及动态传热模型,将该模型计算值与传统的K-SC模型计算值,以及实测值进行对比分析。结果表明:动态传热模型的太阳辐射得热量和各层玻璃温度的模拟值均与实测值吻合度较高,实验验证了该模型的准确性。而K-SC模型的太阳辐射得热量模拟值与实测值之间白天的平均相对误差为34.9%,高估了通过气凝胶玻璃的太阳辐射得热,而且K-SC模型无法计算得到各层玻璃的温度,这既对K-SC模型模拟值与实测值的对比有影响,也不利于分析气凝胶玻璃的传热特性。此外,应用两种模型对气凝胶玻璃在各气候区典型城市各朝向上的累计室内得热量进行了模拟分析,结果表明:K-SC模型的计算值偏大,这会导致在用K-SC模型来评价气凝胶玻璃的节能潜力时:供暖期预估的采暖能耗偏低,高估了气凝胶玻璃的节能潜力;空调期预估的空调能耗偏高,低估了气凝胶玻璃的节能潜力,这将不利于气凝胶玻璃的推广和应用。     

室外环境热舒适性模型的建立

随着我国城市化进程的加剧,关于室外舒适性的研究具有越来越重要的意义。本文首先以SET*为室外舒适性评价指标,建立了室外舒适性计算模型,然后通过与城市冠层模型相结合对室外热环境进行了计算模拟。结果表明室外SET*值与空气温度差别很大,太阳辐射、人体室外活动水平等因素对室外人体舒适性有很大影响,且存在较大的分布差异。     

超高层建筑室内外热环境参数实测研究

室内外热环境参数是建筑热工与节能及暖通空调领域的重要计算参数。为考察高空室内外热环境参数的动态变化,对西北盆地城市中心区某超高层建筑的裙房平台、屋顶、底层房间和顶层房间进行了现场测试,获取了室外温度、相对湿度、风速、太阳辐射强度和室内温度、相对湿度的变化曲线。结果表明：裙房平台的平均温度比屋顶的平均温度高,屋顶相对湿度不但没有上升,反而下降;裙房平台和屋顶的黑球温度值随着太阳辐射变化而变化,屋顶黑球温度值较大;梯度风效应实测值远小于经验模型结果;底层房间温度以及相对湿度的变化较为平稳,而顶层房间恰恰相反,在暖通空调系统设计时需要区别对待。旨在为超高层建筑的舒适度及节能设计提供合理的数据支持。     

逐时温度变化对混凝土夹心板的温度作用

混凝土夹心板外叶往往较薄,逐时气温变化和太阳辐射对混凝土夹心板的温度作用明显。为了解决我国GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中缺乏逐时温度变化对混凝土夹心板温度作用的取值方法问题,根据1980—2010年长沙市气象观测资料,得到了50年一遇最高温度月(七月)和最低温度月(一月)的标准日逐时空气温度。考虑逐时太阳辐射的强度、朝向、颜色等影响,建立了标准日室外逐时温度模型,并将其分解为稳态温度(年温度)和谐波热(日温度)。推导了在日温度作用下夹心板温度场和平均日温度的解析表达式,分析了不同外叶厚度对夹心板平均日温度的影响。结果表明,夹心板外叶平均日温度幅值随外叶厚度的增加而减小。采用外叶平均日温度相等的方法,得到了按稳态温度场计算日温度作用的等效室外日温度,提出了混凝土夹心板的室外基本气温增加值计算公式,可用于考虑外叶厚度对基本气温增加值的影响。     

湿热地区老年人夏季室外热舒适阈值研究

旨在探索湿热地区老年人夏季室外热舒适阈值。以课题示范工程、样本量集中的广州市老人院为研究案例,结合现场实测与问卷调研,获得各气象要素（空气温度、相对湿度、黑球温度、风速）的逐时数据及老年人室外热舒适状况;借助Rayman模型,计算生理等效温度PET,运用SPSS进行回归分析建立老年人室外热舒适评价模型;并评析不同类型测点空间的热环境情况与特点。结论如下：（1）湿热地区夏季老年人室外热环境中性PET值为25.60℃;台湾、香港、广州等湿热气候地区,老年人与混合年龄层中性PET值接近,人群中性PET值具有一定普适性;（2）老年人热感觉中性范围为23.79℃~27.41℃,较混合年龄层窄;老年人室外环境热舒适PET范围为22.70℃~32.53℃,老年人对偏凉感觉（PET=23.10℃）更感舒适;老年人达到90%可接受率的PET范围是22.62℃~31.15℃;（3）老年人夏季热敏感度为3.62PET（℃）/TSV,夏季老年人对室外热环境敏感度明显高于混合年龄层,因此室外热环境设计对老年人具有更大影响;（4）在适当遮荫条件（植物或建筑）下,老年人在夏季依然乐于接受室外阳光辐射;但需综合运用遮阳、通风、降温等设计策略才能满足老年人对热环境的舒适需求。以期为湿热地区室外环境适老设计提供研究方法和设计目标的参考。     

基于全景图的城市街区太阳日总辐射计算方法对比

太阳辐射是影响城市室外热环境的关键气象要素。在西安建筑科技大学校园内18个具有不同街道形态特征的地点进行了太阳辐射日总值实测,并利用百度地图平台获取了街道全景图。利用PTgui和Rayman模型软件对全景图进行分析后获取了鱼眼图像、天空开阔度(SVF,Sky view factor)和树木遮挡水平(TVF,Tree view factor)数据,在每个测点利用鱼眼图像与SVF分别采用两种不同的计算方法对该测点的太阳总辐射日总值进行了计算,并依据TVF对每个测点进行了分类。将计算结果与实测结果对比后,结合分类结果,发现在TVF较大(TVF≥0. 3)和较小(TVF 0. 3)的点分别采用不同的方法,得出的计算值与实测值更接近。综上,为了保证计算结果的准确性,在进行测试城市中不同地点的太阳辐射日总值计算时,应依据测点的环境形态特征选取不同的计算方法。     

上海地区建筑能耗计算用典型年气象数据的研究

以同济大学某教学楼为研究对象,对比了用EnergyPlus模拟计算得到的全年耗电量和实测耗电量,研究了用于建筑能耗动态计算的5套典型年气象数据的可靠性,得出了CTYW气象数据最接近现实情况的结论。对其中影响较大的参数如室外气温、湿度和太阳辐射量进行分析和比较,指出所用5套典型年气象数据间的差异来自观测值的缺损和统计处理模型的不完善,特别是日射模型存在一定缺陷。     

植被传热机理及其改善城市热环境效果分析

通过对植被传热机理的分析,建立了稳态及非稳态植被传热模型,并通过同济大学嘉定校区的现场实测数据验证了该数学模型的正确性,认为该模型可准确计算稳态和非稳态条件下植被表面和其下方土壤表面的温度。在此基础上,利用该模型计算不同气候区叶片表面温度,发现植被降温效果受当地气候条件影响。对上海地区夏季连续2 d的计算结果表明,植被表面温度受太阳辐射和蒸腾作用影响最大,植被平均温度比空气温度低1.8℃,比裸露地面温度低5.9℃,植被可有效改善室外热环境。     

赣南传统民居夏季热环境实测分析

以赣南传统民居为实测对象,研究民居夏季被动冷却能力并评价人体热舒适性。选择其中有代表性的厢房,厅堂,天井及阁楼,对温湿度、空气流速等参数进行了测量。测试结果显示,二层阁楼的最高气温比一层厢房的最高气温高0.4℃,降温速率也低于厢房的降温速率。在接近室外最高气温时天井不同位置最大温差为1.4℃,在室外最低气温时刻温差最小。利用PMVe修正模型对各测点进行热舒适性计算,测试结果与人们的主观感受一致。测量结果标明:民居内部气流的基本流动方向为巷道-房间-天井-室外。利用墙体和地面的蓄热能力降低巷道内空气温度,在炎热的夏季白天关闭门窗抑制热量通过通风传递,是保持传统民居热舒适的有效手段。     

相变通风屋面简化动态热网模型研究

本文提出一种新型建筑围护结构——相变通风屋面,该结构通过利用相变材料的相变潜热吸收室外得热,并利用夜间通风带走相变冷凝热,降低室内空调负荷。建立了相变通风屋面简化动态热网模型,利用遗传算法对相关参数进行了辨识,并对比分析了简化模型的准确性与实用性。结果表明,简化热网模型非通风和通风工况的模拟结果中,屋面内表面温度平均值与参考模型分别相差0.04℃和0.13℃,内表面温度的相对误差平均值分别为5.8%和8.9%,内表面热流相对误差平均值分别为4.0%和6.7%,准确性高,实用性强,计算量小,可嵌入到能耗模拟软件中进行节能特性分析及气候适应性分析。     

大型地下洞室围岩体蠕变参数位移反分析研究

工程岩体蠕变参数的反演是大型地下工程围岩体稳定性分析中的一项重要研究内容.以锦屏二级水电站地下厂房为研究背景,根据现场施工得到的动态监测资料,通过建立能反映实际施工开挖顺序的计算力学模型,采用精确罚函数法以及Nelder-Mead优化算法相结合的有限元位移反分析计算程序,对地下厂房围岩体蠕变参数进行反演研究.结果表明:反演位移值与现场实测值非常接近,绝大部分反演结果与实测值误差均在8%以内,反演结果较为理想;并得到了围岩体开挖蠕变后的合理应力变形特征.研究成果为地下洞室群的长期稳定性和可靠性研究提供理论依据.     

城市室外辐射计算模型在严寒地区冬季的适用性分析

本研究选取城市室外辐射环境模拟软件Rayman和SOLWEIG,模拟了哈尔滨这一典型严寒地区城市在冬季条件不同建筑布局下的长、短波辐射通量密度及平均辐射温度,并将模拟结果与现场实测结果相对比,以分析不同的城市室外辐射计算模型在严寒地区城市冬季条件下的适用性能和差异。结果表明,Rayman模型计算的由上至下和实体表面发射的长波辐射与实测结果有较强的相关性,且在计算半围合布局空间内平均辐射温度方面具有优势; SOLWEIG模型模拟参数更为全面,能得到平均辐射温度可视化图形,除了"短波西",其短波模拟值与实测值均有较强的相关关系,且计算开敞区域内平均辐射温度方面精确度更高。2种模型对来自冰雪下垫面的长波辐射模拟更为准确。