西宁市滨河铁路住区微气候测试分析

西宁市滨河铁路住区微气候测试分析

1对室外微气候的实测研究居住区的微气候是城市热环境的组成部分，是主要生活区域的微气候环境。虽然可以通过供暖空调方法获取比较舒适的室内热环境,但人们都清楚地认识到长期密闭房间的卫生条件较差,同时人们都向往着亲近室外自然环境。因此,只要环境气候条件比较合适,人们都愿意到户外活动。住区微气候正是影响人们室外活动时舒适程度的主要因素。住区微气候也是直接影响建筑室内环境的气候因素,与建筑的供暖空调能耗也有着直接的关系。对于住区微气候的研究,主要的方法就是进行实测研究。全世界的科研工作者对微气候进行了很多的测试与分析。Bonan,等对科罗拉多州的一个居民小区的室外微气候进行了分析,得出在半干旱的科罗拉多州的居民区,对室外热环境影响最大的因素是植物选择、绿化的浇灌和建筑的密度。CoronelJF对于西班牙的古建筑群进行了夏季室外微气候的测试与模拟,发现狭窄街道内太阳辐射减少、重质墙体蓄热、夜间通风与较少的人工排热是狭窄街道内温度低的主要原因。林波荣通过大量的现场实测的方法,对影响室外热环境的各种绿化形式进行了研究,并且与WBGT和SET结合对室外热舒适进行了分析。国内外对室外微气候的研究已经取得了一定的成果,许多国家已经制定了相关的室外微气候的标准。美国的LEED标准与日本的CASBEE标准中均有针对室外热环境与城市热岛的条款。我国针对住区的微气候正在编制《城市居住区热环境设计标准》,在征求意见稿中,要求热环境的逐时湿黑球温度不大于33℃,平均热岛强度不超过1.5℃。虽然已经有了很多住区微气候的相关研究,但是这些大都是对于夏季的室外微气候的研究,对于严寒地区的冬季室外微气候关注较少。严寒地区的居民在冬季也需要进行一定的室外活动和减少建筑采暖的能耗。因此为了了解严寒地区的住区微气候特征,本文选取了严寒地区的典型城市西宁市的滨河铁路小区,并对该小区进行了微气候状况测试研究。2重视冬季保温和夏季防热西宁市位于中国青藏高原地区的青海省。在国家《民用建筑热工设计规范》(GB50176-93)中,西宁市属于严寒地区,这一区域的建筑设计要求是要充分满足冬季保温要求,一般可不考虑夏季防热。西宁市区的平均海拔是2261m,属于典型的高原气候,太阳辐射强烈,日照多,气温低,日较差大。西宁最热月为7月,月平均气温为17.7℃,月最高气温为30.7℃。最热月的气温相对较低,较为凉爽。最冷月是1月,月平均气温为-6.9℃,月最低气温-18.2℃。因此,相对于很多研究所关注的夏季城市热岛的问题,西宁住区微气候更应关注冬季的室外热环境以及对建筑能耗的影响。3现场测量为了对西宁市冬季的住区微气候现状进行研究,笔者于2013年1月19～20日对西宁市的某住宅小区进行了室外微气候的现场实测。3.1整体环境环境条件测试地点为西宁市的滨河铁路小区,位于西宁市的城东区滨河南路,北纬36°37′25″、东经101°47′58″,海拔2224m。该小区位于西宁市的城东区,湟水河边。该小区为20世纪90年代末建成,小区内住宅均为7层不带电梯。小区有自己的供暖锅炉房,小区内冬季供暖的室内温度为18℃。小区内住宅朝向为南偏西33°,北侧是湟水河。整体环境见图1。测试期间小区内没有水景,乔木均已落叶,草地也已枯黄。3.2空气温度和湿度测试内容是该住宅小区的室外微气候环境,主要测试参数为空气温度、空气相对湿度、风速、太阳辐射强度和黑球温度。测试是从1月19日10:00开始到次日9:00结束。小区内的空气温度和空气相对湿度采用的是自记式温湿度仪,表面用铝箔遮盖,设定记录间隔时间20min,并用支架固定于距地面1.5m处。各点的黑球温度也采用黑球温度计,固定于距地面1.5m处,并且每隔1h人工记录读数。太阳辐射利用太阳辐射仪从10:00开始至18:00每隔1h人工记录读数。风速数据利用手持式的风速仪,每隔1h人工记录读数。由于风速仪是手持人工读数的方式,因此风速各点的测定并不是严格的同一时间,而是在整点时间附近读数。其余所测参数均为同时测定与记录。3.3测试设备测试所用仪器见表1。3.4太阳能辐射强度测量的概况综合考虑该小区的建筑布局和下垫面的特征,对该小区选择了7个测点进行测试,测点布置见图2。每个测点均测量位于地面1.5m处的空气温度、空气相对湿度、风速与黑球温度。太阳辐射强度的测点位于测点B。测试仪器均在测试前进行了校对。小区内住宅以板式为主,在北侧和南侧有部分点式住宅。小区四周有1层的营业房,锅炉房位于小区最西处。测点B与测点G位于小区内相对空旷区域,测点B位于小区集中绿化处,地面是草地,而测点G地面为水泥地。测点E、F所在环境相似,测点位于前后2栋板式住宅之间的中点。测点C与测点D位于同1栋住宅的南侧,测点C位于前后2栋建筑间距最小处,而测点D则位于周围较为开阔处。测点A位于小区内最封闭处,东、南、北3面建筑围合。3.5城市气候对微气候的影响为了更好的研究建筑布局与下垫面对城市气候的影响,加入了城市气候与住区微气候之间的对比。城市气候数据来源于中国气象台网站发布的西宁市自动气象站的逐时气象数据。4测试结果和分析4.1:24基因测试当天的天气情况为多云转阴,因此当天的太阳辐射不是很强烈。当日西宁的日出时间为8:22,日落时间为18:24。从图3可以看出,由于中午时天气是阴天,太阳辐射很低,太阳总辐射强度只有122.5W/m2,太阳散射辐射强度为88.7W/m2。太阳辐射强度最大值出现在14:00,此时太阳总辐射强度达到了422.5W/m2,而太阳散射辐射强度为183.7W/m2。此后15:00开始到次日都是多云天气。4.2平均风速与参考点关系由于风速的变化是瞬时万变的,在测试过程中,风速的变化波动很大,并且测试各点的风速计数不是严格的同时,因此所测各点风速的逐时数据没有太大的参考性。但是从全天24h这一长时间段,对各点逐时风速进行取平均值,还是可以看出各测点风速之间的一些相互关系。因此,从表2各个测点与气象站数据的全天平均风速来看,住区内的整体风速都要小于气象站所在的郊区。其中风速最高的是测点C,为1.18m/s,其次为测点D和测点F,由于主导风向东南向正好与建筑朝向垂直,因此在这3个点有明显的狭管效应。而测点A的风速最低,主要是因为3面都有建筑的遮挡。4.3平均温度的对比将7个测点的连续24h空气温度观测数据分成2个时间段,1个是白天有太阳辐射(10:00～19:00),另一个是夜晚的无太阳辐射(19:00～次日9:00)。从图4可以看出,最高温度出现在14:00,为测点B与测点D的0.6℃,与太阳辐射强度最大值出现的时间相同。此后到16:20这段时间均是当天的温度最高时间段。12:00时,各测点的温度有1个明显的下降,与太阳辐射强度在12:00时的下降也相符合。从图5可以看出,没有太阳辐射的情况下各点的空气温度不断降低,在19:00～0:00这段时间,各点的温度下降趋势相似。而过了午夜0:00后,测点C与测点D的温度明显下降更快,而其它测点温度趋于一致。对比表3中各个测点的平均温度,全天平均温度最高的是测点B,为-3.60℃,其次是测点E,为-3.65℃。全天平均空气温度最低的是测点D,为-4.2℃,其次是测点C,为-4.16℃。白天平均温度最高的是测点B,最低的是测点A,夜间平均温度最高的测点仍为测点B,而最低的是测点D。全天平均温度最高的测点B比气象站全天平均温度高出1.9℃。可以看出,白天空气温度的变化主要受太阳辐射变化影响,测点B受到的太阳辐射最强烈,太阳直射时间最长,因此白天测点B温度最高,而测点A由于受到四周建筑的遮挡最多,白天的空气温度最低。到了夜晚,测点C与测点D明显比其它测点的温度要低。4.4相对湿度的变化从图6可以看出,各个测点在空气相对湿度的变化上相一致。10:00～12:00,各点的相对湿度达到1个相对高值,此时的太阳辐射强度很低,正是当天云量最多的时候。此后,随着云量减少,太阳辐射强度升高,空气温度也随之升高,各个测点的相对湿度不断下降,在15:00时达到低值。随后相对湿度受空气温度下降的影响不断升高,在21:00时测点D达到了全天的最高值,空气相对湿度73.7%。然后空气温度虽然进一步降低,但是空气相对湿度反而下降,最后趋于稳定。从图7可以看出,住区内的各点的空气相对湿度与气象站的空气相对湿度逐时变化曲线较为吻合。由于是冬季,当地气候非常寒冷,住宅小区内没有水景,小区内绿化的蒸发作用也非常的小,因此测试住区空气相对湿度主要是受到大气候环境的影响。从表4中全天空气相对湿度的平均值来看,住区内的空气相对湿度略高于气象站数据,再结合全天空气温度住区内要比气象站高。因此,住区内空气的绝对湿度要高于气象站所在的郊区。测点C与测点D的相对湿度最高,主要是因为当天测点C与测点D的平均空气温度最低。4.5黑球温度分布情况,认为发病时间以黑球温度为5.2,有从图8可以看出,白天时段,各个测点的黑球温度的波动与太阳辐射强度的变化相一致。12:00时受太阳辐射的影响,各点的黑球温度较低。各点黑球温度最高值与太阳辐射最高值出现时间都为14:00。测点B在12:00时的黑球温度为0.4℃,而在14:00时的黑球温度为5.2℃,升高了4.8℃。由于测点G的旁边是小区的锅炉房,对测试黑球温度产生了一定的影响,因此全天平均黑球温度最高的是测点G,为-2.42℃。白天平均黑球温度最高的是测点G,其次是测点B,而夜晚平均黑球温度最低的是测点B。测点B的白天平均黑球温度与夜晚平均黑球温度的差达到了7.79℃。测点B所在的小区集中绿化地比较开阔,天空可视因子(SVF)较高。相对的白天与夜晚黑球温度差距最小的为测点A,为5.64℃,天空可视因子(SVF)最小的也是测点A。测点A在白天的平均黑球温度只比测点C略高,而夜晚的平均黑球温度最高。全天的平均黑球温度为-2.96℃,是除测点G外最高。全天平均黑球温度最低的为测点C。各测点分时段平均黑球温度见表5。5湿黑球温度分布湿黑球温度WBGT是一个综合评价室外热环境的客观指标,该指标中综合考虑了空气温度、空气湿度、风速、环境中的长波与短波辐射。该指标主要是用于室外环境安全的热应力指标,也可以在一定程度上反应热舒适度。湿黑球温度WBGT的计算公式见式(1)。WBGΤ=0.7Τw+0.2Τg+0.1Τa(1)WBGT=0.7Tw+0.2Tg+0.1Ta(1)式中,Tw为自然通风下的湿球温度,℃;Tg为黑球温度,℃;Ta为干球温度,℃。由于测试的指标中没有湿球温度,因此需要利用空气温度、相对湿度、风速与气压计算出湿球温度。根据干湿表计算公式见式(2)。e=etw-AΡ(Τa-Τw)(2)e=etw−AP(Ta−Tw)(2)式中,e为水蒸气分压力,102Pa;etw为湿球温度Tw所对应的纯水平液面的饱和水汽压,102Pa;A为干湿表系数,1/℃。P为大气压力,102Pa。当天的西宁市的平均大气压力为766×102Pa,A为干湿表系数与风速有关:A=0.00001(65+6.75/v)(3)A=0.00001(65+6.75/v)(3)式中,v为风速,m/s。相对湿度计算见式(4)。φ=eetw×100(4)φ=eetw×100(4)式中,φ为空气相对湿度,%。最后纯水平液面饱和水汽压采用世界气象组织(WMO)推荐的戈夫—格雷奇(Goff-Gratch)公式,采用湿球结冰时的公式见式(5)。logetw=9.09718(273.16Τa-1)-3.56654log273.16Τa+logetw=9.09718(273.16Ta−1)−3.56654log273.16Ta+0.876793(1-Τa273.16)+log6.1071(5)通过上述公式的联立,可以计算出各点的湿黑球温度WBGT的逐时值。从图9可以看出,各测点的湿黑球温度变化相一致。在14:00各测点达到湿黑球温度的最高值,其中测点B为-2.7℃。随后湿黑球温度一直下降且各测点之间的湿黑球温度差距逐渐变大。从表6可看出,各测点的湿黑球温度均低于空气温度,小区夜间平均湿黑球温度约为-10℃,各测点全天平均湿黑球温度为-8.22℃,小区内室外热环境非常寒冷。白天时分,测点B与测点G的平均湿黑球温度最高,测点B与测点G均为较空旷测点。测点C白天的湿黑球温度最低。夜晚时分,测点A的平均黑湿球温度最高,而测点D的平均黑湿球温度最低。从全天平均湿黑球温度来看,测点A仍然最高,测点C与测点D最低。各测点全天平均湿黑球温度的大小关系与各测点全天平均风速的大小关系相近,风速是导致各测点湿黑球温度差异的重要因素。6空气候环境分析1)测试当天气象站数据风向为东南向,与住区内建筑朝向垂直。测点C与测点D的全天平均风速明显高于其它测点,出现了狭管效应。测点A东南侧有建筑遮挡,全天平均风速最低。位于较为空旷的测点B与测点D的全天平均风速较低。各测点的全天平均风速均小于当天气象站的平均风速。2)住区内各测点的空气温度在白天的变化与太阳辐射的变化相符合。而夜间测点C与测点D的空气温度明显低于其它测点。对比住区内空气温度与气象站所在的郊区空气温度可以看出,测点B的全天平均城市热岛强度为1.9℃。3)住区内各测点的空气相对湿度变化与气象站空气相对湿度变化相一致。由于各测点空气温度明显高于气象站空气温度,因此各测点绝对湿度高于气象站数据。测点C与测点D的全天平均空气相对湿度最高。4)住区内各测点黑球温度在白天的变化与太阳辐射的变化相一致。其中天空可视因子(SVF)最高的测点B与测点G全天黑