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以武汉市大智门社区为研究对象模拟热舒适及优化局部更新策略
Chong Peng 1, Tingzhen Ming 2,*, Jianquan Cheng 3, Yongjia Wu 2 and Zhong-Ren Peng 4,5,*
1 School of Architecture and Urban Planning, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; E-Mail: pengchong@hust.edu.cn
2 School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology,
Wuhan 430074, China; E-Mail: yongjiawu2014@gmail.com
3 School of Science and the Environment, Manchester Metropolitan University, Chester Street, Manchester M1 5GD, UK; E-Mail: J.Cheng@mmu.ac.uk
4 Center for ITS amp; UAV Applications Research, School of Naval Architecture, Ocean amp; Civil
Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
5 Department of Urban and Regional Planning, University of Florida, Gainesville, FL 32607, USA
* Authors to whom correspondence should be addressed; E-Mails: tzming2012@gmail.com (T.M.); zrpeng@sjtu.edu.cn (Z.-R.P.); Tel.: 86-189-7157-3200 (T.M.); 86-21-3420-6674 (Z.-R.P.); Fax: 86-27-8754-0724 (T.M.); 86-21-3420-6197 (Z.-R.P.).
Academic Editor: Marc A. Rosen
Received: 18 December 2014 / Accepted: 28 February 2015 / Published: 13 March 2015
摘要：模拟热舒适度为高效的城市规划、设计和建筑施工提供了大量证据和参数，尤其是密集的狭窄的内城，这已成为可持续城市发展的众多关注点之一。本文旨在建立风和热舒适的几何和数学模型，并用它们来检验六种小规模更新策略对武汉大智门附近人行区的风和热环境的影响，这是一个典型的对大城市更新项目案例的研究。例如太阳辐射，自然对流，相对湿度，环境侧风等这些关键参数，已经通过使用用户定义函数（UDF）方法将其合并到数学模型中。通过比较不同策略下的具体温度和速度分布，进行地区的更新策略优化。根据结果可知，从仿真结果中生成的五条规则可以为建筑物拆迁提供指导在附近重建，而且不需要大规模拆迁，尤其结合当地拆迁和城市绿化不仅可以改善通风，还能降低研究区域的温度水平。
关键词：可持续城市更新; 风和热舒适; 几何和数学模型;CFD; 市中心;武汉
- 简介
考虑到其他社会经济和文化因素，城市更新被定义为相对较大规模的贫民区或邻里的清理和实体重建过程[1]。小区是一个物理和社会环境，人们互相交流并分享集体认同[2]，有时称为社区。提高住房和开放空间的质量与减少对社区的人类健康风险已成为可持续城市更新的主要关注点[3,4]。
20世纪90年代初之后，中国城市的城市更新受到了一系列制度变迁的刺激[5]，许多的研究案例都集中在社会，经济和政治问题，政策，宏观尺度的绩效标准以及城市重建的过程和效果等方面[4,5]。同时，研究包括风和热环境等城市小气候，可以使人类健康风险暴露出来，这也受到越来越多国家的关注，这种研究方法可以参考Mishra、Ramgopal[6]、Taleghani [7]和 Chen and Ng [8] 等人给出的几个概述。
热舒适，即表达对热环境满意的态度，这取决于环境和个人因素[7]。现如今已经在各种环境中测试了热舒适性，如室内环境[6,9,10]，住宅区[11]，室外公寓楼[12]，街道峡谷[13-15]，大学校园[16-19]和Xi等[20]及许多城市中心[21]。而在通过调查收集的环境中，可知人们对户外热舒适的感知更倾向于个人因素[22,23]。所有这些不断增多的案例研究表明了，在城市规划设计和建筑施工中研究与城市小气候相关的风和热舒适环境的重要性。
在方法论上，有两种确定热舒适度的一般方法：（a）实地研究或观察方法[7,24]; （b）模拟方法[11,12,25,26]。模拟研究的优势主要是CFD数值模拟[9,10,13,14,20,
27-31]热舒适性在不同情景进行比较分析的可能性[26]。
在中国内城附近，以高密度的老建筑，狭窄的街道的无序的不规则安排为特色，其室外环境会影响行人的热舒适度，特别是在炎热的夏天和寒冷的冬天。故热舒适度是由许多物理因素决定：太阳辐射，建筑物的遮阳效果，环境侧风速度，空气湿度和空气密度引起的浮力重力场下的差异等。然而，一个能考虑到所有因素的更广泛的模型在学术领域却没有建立发展起来，特别是城市更新策略对行人的影响这方面，尚未对热舒适性进行分析和检验，因此这已成为本文研究的重点。
本文的目的是分析不同更新策略对当地社区层面的风和热环境的影响，并以武汉市中心的大智门街区为例进行研究分析。 CFD数值模拟方法已被广泛用于实现相关的风和热舒适环境的数学模型的量化。数值模拟也将为有效和高效的城市规划，设计和建设提有效证据和相关参数。此外，为实现城市可持续发展，在拆迁和重建市中心城区的城市更新过程中还提出了若干新规则。
2.几何和数学模型
2.1研究区域
武汉是位于我国中部的湖北省省会（图1），在2013年总人口已超过1000万，其总面积为8494平方公里[32]。武汉地形相对平坦，除了丘陵地区偶尔分布在郊区之外，主要是海拔22至27米的土地区。该地区是典型的亚热带季风气候和明显的的季节性气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热且雨量充沛（例如年平均降水量为1140-1265毫米）。武汉因水量充沛被称为“水城”（江城），有最大的城市湖泊 - 东湖，占地面积较大（gt; 20％），而且因为它位于长江中游，视为世界上第三长河。武汉被长江和汉江分为三个部分：武昌，汉口和汉阳三个城镇；历史上，汉江已经并入位于武汉市中心的长江。作为一座历史名城，武汉市中心的建筑物占据着汉口和汉阳约30％的面积，这些建筑非常陈旧，并排相邻的建筑物之间的距离非常短，窄至2米，而且其中一些建筑物甚至已经超过100年。这里建筑环境生活条件恶化，人体热舒适性恶化，空气通风条件差，明显影响居民的生活质量和行人的健康。因此，在改善内城的风和热环境舒适性方面，武汉变成了对各种城市更新策略影响的必须检查的城市。
如图1所示，研究区域即大智门附近，位于京汉东部街道和中山大道以及友谊大道以西，连接南至大孜路北靠沂源路。附近的总建筑面积为55,000平方米的建筑物，，自清末以来一直被安置了一百多年，有非常密集狭窄的街道，且朝不同的方向蠕动。有时，街道隧道被一些建筑挡住，导致无循环的气流，故选择这个古老的城市区域来分析太阳辐射和空气通风对城区室外环境的热舒适性的影响。本文考虑的原始布局的基本尺寸如图2所示。
图1.研究区域的位置：（1）中国湖北省; （2）湖北武汉省; （3）武汉研究区; （4）研究区域的布局
图2.原始布局的计算模型（Y轴朝向北方）
2.2 数学模型
内城的流体流动和传热非常复杂。如果是环境侧风速度（ACV）等于0，则流体流动将被认为是纯自然对流引起的通过太阳辐射加热地面和建筑物墙壁，并导致空气增加温度。瑞利数用于测量浮力引起的流动强度。 ACV在我们的调查中发挥了重要作用，因为所有的建筑物都暴露在环境中，这是使该系统成为自然对流和强制对流的结合。由于水平地面的高温效应，自然流动应垂直向上;然而，ACV流动水平地增强了这种热传递，并使地面处于较低的温度水平。这种情况可根据Gr与Re2的比例对流动状态进行分类，其中Gr和Re分别为格拉晓夫数和雷诺数，初步结果表明Gr高于 1010，高于限制从层流到湍流的自然对流的过渡值，因此，应该建立一个湍流数学模型用于描述系统内的流体流动。此外，由于体积较小，整个计算模型在质量和能量方程中密度变化值经常被忽略，故必须使用Boussinesq·····近似来避免大的误差。因此，弥撒方程，纳维斯托克斯方程，能量方程和可实现的k-ε方程可以用以下等式（1） - （5）[33,34]。
质量方程：
（1）
Navier-Stokes方程式：
（2）
能量方程：
（3）
湍流动能k的方程式：
（4）
湍流动能耗散率ε的公式：
（5）
在上面的等式中，诸如速度和温度之类的变量都是时间平均的值， tau;ij是应力张量， Gk表示由于湍流动能的产生平均速度梯度，Gb是由于浮力产生的湍流动能。 t是涡流粘度。 C1是常数，sigma;T，sigma;k，sigma;ε分别表示T，k和ε的湍流普朗特数（sigma;T= 0.9，sigma;k= 1.0，sigma;ε= 1.3），c2是湍流模型的常数（c2 = 1.92）。所有的定义这些参数在文献中提到[33,34]。
2.3 湿空气的热性质
如上所述，武汉是一个“水城”，有长江和汉江流域通过它的中心和许多大型湖泊，空气中的水蒸气和湿气是湿润的相对湿度通常很高达90％[32]，潮湿的空气使这个城市非常闷热，所以应在数值模拟中考虑空气中水蒸气的影响。为了简化，环境中的空气被视为干燥空气和水蒸气的混合物，在目前的考虑下，空气的每个元素都表现为理想的气体。湿度比，其定义为水蒸气质量与干燥空气质量的关系[35]，由公式（6）表示如下：
（6）
其中mv和ma分别是每单位体积环境潮湿空气中水蒸气和干燥空气的质量。zeta;是相对湿度; p是环境潮湿空气的压力; ps是分压在相同的混合物温度和压力下，在饱和湿空气下的水蒸气。
湿空气的热性质，即密度，热导率，粘度，比热容量，可以根据混合质量的平均值来计算出来。结果，本文中方程中显示的属性均适用于环境潮湿空气。例如，湿空气的比焓h可通过以下等式（7）测量：
（7）
其中ha和hv分别是干燥空气和水蒸气的特定焓。考虑到湿空气温度的过程随着太阳辐射的增加和减少而降低与干燥空气相比，将获得温差。
2.4 太阳辐射的计算
地面和所有建筑物表面上的太阳辐射随着一天的时间而变化。太阳辐射（Ic）在任意倾斜表面上，与水平方向和方位角的倾角为alpha;w的角度是光束（Ib，c），天空漫射（Id，c）和地面反射太阳辐射（Ir，c）之和。该计算方法是由Peng等人先前开发的。[36]。
2.5 边界条件
当考虑微气候和行人的热舒适性时，由ACV，水蒸气决定在市中心区域的太阳辐射，应该是通过研究系统的边界条件进行详细清楚的定义。
2.5.1 入口边界
研究区内的盛行风（图3）通常是东北风夏天和东南。因此，本文考虑了两种不同ACV方向的情况（入口1和入口2）。 在夏季，ACV随着一天的时间段，导致气温和相对湿度比有着明显变化。而且，在极端天气条件下，风速ACV可以到达高达25米/秒。 因此，在本研究中，ACV是决定热舒适性的关键因素。
该案例研究基于假设风速ACV变化且气温为a，且在流入该模型的内部空间之前是恒定的。在1932年，根据大气边界层风速剖面的对数定律提出普朗特第一定律，ACV入口速度可以通过以下等式（8）和（9）[37]计算：
（8）
（9）
其中tau;s代表地面剪切应力，z0代表地面空气动力学粗糙度长度。不同地形的z0的具体值可以在图表中获得，例如Cermak使用的一个值[38]。在本案例研究中，tau;s和z0分别设定为0.4和0.01 m。然后可以从给定的tau;s计算出tau;s在已知高度的风速u值，这是整个城堡中最高建筑物的顶部表面在这种情况下的区域。
图3.夏季在整个研究区域盛行的大风
2.5.2 出口边界
除了ACV和自然对流之外，在模型中应该将两个垂直表面被视为出口边界，如图3所示。此外，模型的顶部表面应该被视为出风口的出口边界，因为自然对流发生在地面，建筑物表面与空气有一定的温度差异。压力出口边界条件适用于这些中的每一个，并且简化逆转流是正常的边界面。
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