基于图像分析的城市建筑群室外热环境研究

摘要

城市建筑室外热环境是建筑环境的重要组成部分，它与人们的日常生活密切相关。研究建筑室外热环境对于提高人们的居住环境质量和建筑能效有重要的意义。 目前，国内对室外热环境的研究还主要从城市的整体热环境问题出发，研究具有宏观意义的室外热环境（例如，城市热岛问题等），并取得了很多重要的研究成果。但是对于以城市建筑群为研究对象，研究局部区域性室外热环境的工作还不多，很多内容还不成熟，特别是目前快速发展的居住小区的规划和建设过程中的热环境问题，缺乏系统的理论研究和指导。针对这些问题，本文以建筑群为研究对象，研究介于单体建筑和城市宏观层面之间的局部区域性室外热环境问题。 由于建筑群室外热环境的研究对象不同于城市宏观层面的研究，它涉及了具体的建筑布局、建筑材料、树木绿化等问题，为了将这些因素的相互影响融入到整体的建筑群室外热环境研究中去，本文应用了数字图像技术的基本原理，将建筑群室外热环境的影响因素以数字形式储存在图像中，对建筑群室外热环境的分析，可以转换为对图像的分析，为室外热环境分析提供了一个新的分析方法和思路。 本文研究的是早期规划阶段的建筑群室外热环境问题，因此，在分析建筑群中空气流动时，采用了区域网络流动模型，即用建筑、地面等围成不同的流动区域，并通过各个流动区域的开口将这些流动区域连接起来构成网络模型，从而实现了对建筑群中的空气流动的求解；同时对建筑群中的建筑和地面建立了辐射、导热数学模型。在数学模型中考虑了太阳直射、太阳散射、反射辐射、长波辐射、空气流动换热、建筑的外围护结构传热、地面传热等因素，分别以建筑、地面、空气为对象，建立热平衡方程进行耦合求解。同时，应用数字图像技术，分别建立了区域网络图像分析模型、辐射图像分析模型和导热图像分析模型，实现了数字图像与建筑群室外热环境数学模型的结合。 在数学模型的求解过程中，首先，根据规划图建立建筑群数字模型，分别将建筑布局、高度、建筑材料、绿化分布等信息储存在图像数据文件中。其次，根据建筑的布局特点，构造区域网络流动模型，并实现图像处理过程与流动过程、辐射过程、导热过程求解的结合。流动区域信息、辐射信息、导热信息等都是通过对建筑群数字模型中储存的基本信息运算来实现，这些信息在流动模型、辐射模型、导热模型三者之间相互调用，流动模型将计算出来的空气温度等信息提供给图像，并作为新添加的信息储存起来，在计算地面温度时调用；计算得到的地面温度同时也被流动模型、辐射模型调用；辐射模型的计算结果被导热模型调用等。通过三者之间的相互调用，完成整个建筑群室外热环境动态分析，求得不同时刻建筑群下垫面的温度和空气温度等参数。 为了验证建筑群室外热环境数学模型，作者在重庆地区选择了一个实际的建筑群，分别建立了计算模型和实验模型。实地调研了该建筑群的下垫面材料、建筑布局、高度、树木绿化等情况，并将这些信息作为计算模型的基本信息。同时对建筑群的地面和空气温度进行了夏季、冬季测试，并将实验测试的第一组数据作为计算模型的初始条件。对计算模型和实测模型的地面和空气温度作了对比分析，计算结果与测试结果基本吻合，从而证实了建筑群室外热环境数学模型的合理性及其与图像技术结合的正确性，为该模型应用到建筑群室外热环境规划奠定了基础。 本文最后以规则建筑群为对象，对各种规则建筑群分别从外形构造、建筑高度、树木绿化、建筑材料等方面分析了建筑群室外热环境相关的指标变化，为建筑规划设计及既有建筑环境评估提供了有力方法。