城市透水性铺装系统对局地热湿气候调节作用的研究

【摘要】：城市作为人口与经济发展的载体，随着21世纪人口和经济的快速增长，城市的规模和数量也在飞速激增。在这一过程中，城市化的发展导致了严重的城市热气候问题，带来诸如地表温度明显增高，与热有关的疾病发病率和死亡率增加，城市极端天气频出，增加城市能源消耗等一系列问题。因此对城市热环境问题的研究是关乎到人居环境、能源消耗、人身安全等一系列问题的关键。在现阶段城市中主要应用的不透水性铺装系统与城市高温化和热岛效应的形成有着强烈相关关系，由于其不透水性，在降雨时会使得城市径流增加，引发洪涝灾害。同时由于其无法将雨水下渗至地下，会损害城市水平衡，破坏城市生态环境。在酷热的夏天，其不透水性使得下垫面表面温度急剧升高，加剧了城市热岛效应的形成。 由于现阶段的不透水性铺装系统对城市热环境带来的恶劣影响，迫切的需要一种能有效缓解热岛强度、改善城市热环境的下垫面，而透水性铺装系统则具有减少城市地表径流、创造良好交通环境、吸声降噪改善城市声环境及缓解城市热岛强度的作用。国内外目前针对透水铺装系统改善城市热湿气候的研究较少，本文在实验研究的基础上，结合数值模拟，针对透水性铺装系统与城市热湿气候的相互作用进行研究，主要包括以下几部分内容： 1．通过在室外进行的透水性铺装系统试样实验的研究方案，在室外真实气象条件下通过取部分试样对其进行内部和外部的完整测试，从而得到透水性铺装系统的温度、水分变化的数据，分析透水性铺装系统与城市局地热湿气候相互作用的影响，并为下一步数值模拟的验证提供比照数据。 2．在质量守恒和能量守恒原理的基础上，考虑到系统内部由于水分的传输和蒸发对系统能量平衡的影响，建立起透水性铺装系统与大气热湿交换的水热耦合模型。最后在建立的耦合水热模型基础上，编程开发出相应的计算模块，与第2章的实验结果进行比对分析，并对计算模块进行验证。 3．将已建立的透水性铺装系统与大气热湿交换的水热耦合计算模型作为一个子模块植入城市区域微气候与热平衡动态预测模型中，并应用植入后新的城市区域微气候与热平衡动态预测模型对夏热冬暖地区某实际住区的实际项目进行热湿环境的模拟分析，得到透水性铺装系统对局地热湿气候的调节作用。 主要结果及结论及如下： 1．通过试样实验研究得到：在自然降雨条件下，透水性铺装系统内部碎石深层及土壤层随着自然降雨的不断持续，其含水率不断的增长，系统内部各层的温度自顶向下依次增大。在不同人工降雨条件下，降雨强度越大，雨水在系统内的入渗速度也越大，降雨后透水性铺装系统内部各层的温度波动越小。 2．通过将数值模拟结果与实测结果对比分析可知：该模型在温度和含水率的变化趋势及数值大小上均能够与实际结果保持一致，能够满足本课题研究的需要。 3．对比透水与不透水性铺装系统在实际小区的数值模拟可知：室外大气温度降低，室外含湿量升高，对应下垫面的温度也降低，整体室外舒适性增加，人体热感觉良好；透水下垫面覆盖率的增加，室外温度逐渐降低，室外含湿量逐渐增加；对不同下垫面的组合对比分析得出，选择不同功用的下垫面类型进行设计和调整，可以达到缓解城市热岛，改善城市热气候的目的。 【关键词】：透水性铺装系统 实验研究 数值模拟 热岛效应 城市热环境
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU119
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题的研究背景10-11
• 1.2 课题来源及研究的目的和意义11-14
• 1.2.1 课题的来源11
• 1.2.2 课题研究的目的和意义11-14
• 1.3 国内外研究现状14-17
• 1.4 主要研究内容及技术路线17-20
• 1.4.1 主要研究内容及目标17-18
• 1.4.2 本课题的主要研究方法18-20
• 第2章 透水性铺装系统与局地热湿气候相互作用的实验20-39
• 2.1 实验概述20
• 2.2 实验设备及要求20-25
• 2.2.1 实验场地20-21
• 2.2.2 实验的试样21-22
• 2.2.3 透水性铺装系统实验箱22-23
• 2.2.4 实验箱内部温度和含水量测试设备及测点布置23-24
• 2.2.5 大气参数测试设备24
• 2.2.6 模拟人工降雨装置24-25
• 2.3 实验步骤及误差分析25-26
• 2.4 实测结果及数据分析26-37
• 2.4.1 自然降雨条件下的温度和水分变化27-31
• 2.4.2 人工降雨条件下的温度和水分变化31-37
• 2.5 本章小结37-39
• 第3章 透水性铺装系统与大气热湿交换的水热耦合模型及数值验证39-63
• 3.1 透水性铺装系统与大气热湿交换的水热耦合模型39-47
• 3.1.1 透水性铺装系统内部水分输运方程39-44
• 3.1.2 透水性铺装系统内部热流输运方程44-45
• 3.1.3 水分输运方程参数的计算45-46
• 3.1.4 热流输运方程参数的计算46-47
• 3.2 透水性铺装系统下垫面表面热湿平衡计算47-52
• 3.2.1 蒸发强度计算47-48
• 3.2.2 下垫面表面与大气间显热通量计算48-49
• 3.2.3 表面接收净辐射通量计算49-52
• 3.3 模型的数值计算方法52-56
• 3.3.1 水分输运方程的数值解法52-55
• 3.3.2 热流输运方程的数值解法55-56
• 3.4 模型的定解条件56-58
• 3.4.1 水分输运方程的定解条件56-57
• 3.4.2 热流输运方程的定解条件57-58
• 3.5 数值模型的编程及验证58-62
• 3.5.1 数值模型的程序开发58-60
• 3.5.2 计算模型的验证60-62
• 3.6 本章小结62-63
• 第4章 透水性铺装系统对局地热湿气候调节作用的模拟研究63-82
• 4.1 计算模型与城市区域微气候与热平衡动态预测模型的结合63-65
• 4.2 项目概述65-66
• 4.3 计算条件66-70
• 4.4 计算结果及分析70-81
• 4.4.1 透水与不透水性铺装系统对局地热湿气候典型日与长期动态影响的对比分析70-77
• 4.4.2 透水性铺装系统下垫面覆盖率对城市区域热湿气候的影响分析77-81
• 4.5 本章小结81-82
• 结论82-84
• 参考文献84-88
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果88-90
• 致谢90-91

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