【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于城市设计数值模拟领域，具体涉及一种考虑严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，以适用于严寒地区更精确地模拟全季节风热环境。
技术介绍
1、根据《民用建筑热工设计规范》(gb50176-2016)中的建筑热工设计分区，针对严寒地区，特征为一月份平均气温在-18℃以下，室外活动受气候限制、冬季漫长、植被以落叶林为主、水体结冰期长的城市，在此以典型平原型滨江城市哈尔滨气象数据为例(如图1)。
2、在常规的风热环境模拟中，尚未考虑到严寒地区水体结冰期长、植被落叶期长的实际情况，但事实上对于滨江街区微气候环境而言，这些因素的影响显著。因此，需要引入了一种改进办法，在全年的风热环境模拟中全面地考虑到寒地特征，以达到更精准的结果。
3、目前分析城市风热环境的三种主要方法分别是现场实测、风洞实验和计算机数值模拟。实地测量方法极易受到长期观测数据获取的限制，在面对未来的城市规划中，很难应用取得实测的风速资料。风洞实验缩比尺模型研究试验法具有模型制作成本高、周期长、难以同时研究不同方案等特点，耗时费力，一般只运用在研究特殊的建筑单体或小建筑群体风压、风速与气流流场变化等城市物理参数研究中。实际研究中，一般把建筑群从现实的周边环境中单独分离出来，把它放到数值模拟的计算域中，采用的气象台提供的风向、风速等原始数据并进行模拟研究。即使是计算能力比较强的工作站，在城市级的大范围风环境研究中，为了减少计算的工作量，往往将外围的地形或周边的建筑去除，单独将待研究城市范围放入计算域范围进行研究。在此基础上，针对滨水街区
4、以上方法的不足和缺点：现场实测最接近真实情况，但容易出现测量误差大的问题，并且受限于设备数量和人力。风洞实验需要制作实体模型，受限于经费等限制，一般用于单个案例精确模拟，难以大规模使用。计算机数值模拟，并辅以实地数据检验后，可以得到较多有效数据，便于大规模计算和对比实验，但大多数研究中未考虑到植被和水体的影响。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了解决现有城市风热环境模拟中未考虑寒地特征，导致热舒适数值模拟不准确的问题，而提供一种基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法。
2、本专利技术基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法按照以下步骤实现：
3、步骤一、收集寒地滨水街区的气象信息，气象信息至少包括空气温度、相对湿度、日照、风向和风速信息；
4、步骤二、通过地理信息系统gis获取城市信息，从城市信息中提取街区建筑、绿地、水体的空间位置信息，基于高程信息生成三维街区，基于卫星地图设置树点位，根据树种和实际情况，设置树冠的形态、高度和间距，从而建立完整的滨江街区模型；
5、步骤三、划分街区，设置建筑表面材料，夏季水面和冬季冰面以及地表物理性质，地表物理性质包括反射比和粗糙度，基于严寒地区树水特征设定不同的表面参数：
6、a、冬季水体结冰时，设置冰面的反射比为0.98，冰面的粗糙度为0.12；冬季草地覆盖了积雪，冬季草地的反射比设置为0.98，冬季草地的粗糙度为0.12；
7、b、其他季节，设置水面的反射比为0.96，水面的粗糙度为0.16；草地的反射比为0.78，草地的粗糙度为0.16；树冠的反射比为0.22，树冠的粗糙度为0.16；
8、c、乔木冬季落叶时无树冠，树木不计算；其他季节有树冠，树冠采用简化模型(eddy3d中简化的树模型)；
9、d、按照城市建筑材料设置粗糙度和反射比；
10、平均辐射温度(mrt)表示空间封闭表面辐射温度的平均值，由辐射率和表面温度决定，平均辐射温度的计算公式如下：
11、
12、其中，tmrt指平均辐射温度，εi指地表辐射率，fi指测试点与周围表面(水面、草地、植被或建筑)的夹角系数，ti指通过honeybee进行热辐射模拟获得各表面的温度(在模拟时需要输入各表面的形态以及其反射比与粗糙度)，i代表周围各表面(水面、草地、植被、建筑等)的序号；
13、步骤四、基于grasshopper平台，采用eddy3d插件在行人高度1.5m处进行风环境(cfd)模拟，先设置边界条件和网格精度，风向简化为八个风向，行人高度风环境(cfd)计算公式如下：
14、
15、其中，ρ指空气密度，u指流体速度，t指步长，h指高度，q指热通量，表示增量，sh表示单位步长因太阳辐射获得的热量；
16、步骤五、将空气温度、相对湿度、平均辐射温度和行人高度风环境的模拟结果导入计算热舒适utci环境模块中，热气候指数(utci)的计算公式如下：
17、utci＝∫(ta；tmrt；v10；rh；met；clo)＝ta+offset(ta；tmrt；v10；rh；met；clo) (3)
18、其中，ta指空气温度，tmrt指平均辐射温度，v10指10米高度处的空气流速，rh指相对湿度，met指新陈代谢率，clo指衣物隔热值；
19、从而完成滨水空间热舒适数值的模拟。
20、滨水空间(waterfront)是城市中一个特定的空间地段，是“与河流、湖泊、海洋比邻的土地或建筑，城镇紧邻水体的部分”，本专利技术所适用的严寒地区城市滨水空间主要为滨江与滨河空间；空间范围可模糊地理解为包括200～300m水域空间及与之相邻的距离为1～2km的城市陆域空间，相当于步行15～20分钟的路程。滨水街区构成要素主要由水体、堤坝、绿地到道路和街区建筑组成。
21、城市水体与街区构成的系统通常会形成特别的局地气候。在较多亚热带和热带地区城市中的微气候研究表明，夏季江河水体通过水分蒸发(即潜热量交换)的方式增大水体上方空气的含湿量同时降低水体上方的空气温度，在气温较高、太阳辐射较强的夏季这种蒸发反应更加剧烈。并且水体表面平滑且水面上方空气流动阻力小，风速较大，当风从江面吹向城市街区内部时，江风的降温和加湿作用能够有效改善街区内部的微气候环境。
22、但在寒地城市的酷寒漫长的冬季中，宽阔江面上风速变化剧烈，滨江区域平均风寒温度低了5℃，低温寒风增加了冻伤风险。当风从江面吹向城市街区内部时，江风的风力和低温恶化了街区内部的微气候环境。寒地滨江街区的显著特征主要有以下两点：
23、(1)冬季城市水体结冰。自然水体和城市陆地呈现较明显的热力差异，即夏季凉爽而冬季温暖。从松花江水域对哈尔滨市及周边区域的影响从城市范围看，在冬季，市区温度比郊区温度高约4℃，水域两侧温度分布差异明显，冰封水体表面温度与南岸温度接近，比北岸温度高约2℃，湿度分布符合城市干岛效应，市区湿度比郊区低约1％。从街区范围看，严寒地区的江河冬季结冰，靠近水体的区域风速变化剧烈，平均风寒温度(wind chilltemperature)同比低了5℃左右，相对湿度偏高但不显著。以典型寒地城市哈尔滨为例，冰层达3-5m，冰本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于该滨水空间热舒适数值模拟方法按下列步骤实现：
2.根据权利要求1所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于步骤二中采用Rhino软件中的Grasshopper平台建立完整的滨江街区模型。
3.根据权利要求1所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于步骤三中按照既有的城市街道划分街区，每个街区的边长在200～1000m范围内。
4.根据权利要求1所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于步骤三中的步骤c中其他季节有树冠，树冠简化为球形。
5.根据权利要求1所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于步骤三中的步骤d中城市建筑的粗糙度设为0.22，反射比设为0.95。
6.根据权利要求1所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于步骤四中风环境模拟选择圆柱形模拟域作为风洞。
7.根据权利要求6所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数
8.根据权利要求6所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于模拟域的半径Outer R为街区建筑最高高度H的40倍，模拟域的高度为街区建筑最高高度H的5倍。
9.根据权利要求1所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于步骤四中八个风向分别为东、南、西、北、东南、东北、西北和西南。
10.根据权利要求1所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于步骤四中SH的值利用Honeybee插件通过辐射模拟计算获得。
...【技术特征摘要】
1.基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于该滨水空间热舒适数值模拟方法按下列步骤实现：
2.根据权利要求1所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于步骤二中采用rhino软件中的grasshopper平台建立完整的滨江街区模型。
3.根据权利要求1所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于步骤三中按照既有的城市街道划分街区，每个街区的边长在200～1000m范围内。
4.根据权利要求1所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于步骤三中的步骤c中其他季节有树冠，树冠简化为球形。
5.根据权利要求1所述的基于严寒地区树水特征的滨水空间热舒适数值模拟方法，其特征在于步骤三中的步骤d中城市建筑的粗糙度设为0.22，反射比设为0.95。
6.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：江家扬，潘文特，洪阳，王继先，谢嫒雯，文丽丽，范涓汶，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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