建筑表皮光热特性及形态布局对区域风、光、热环境的影响机理

This program aims at investigating the influential mechanism of building surface optical-thermal characteristics, building morphology and layout on local wind, light and thermal environment, with the method of theoretical analysis, experimental test and numerical simulation. Firstly, an optical-thermal property test bench and a heat transfer matrix model of multi-layer building envelopes are established to evaluate the influence factors of the optical-thermal characteristics of building envelopes; an sensitively analysis of these factors is performed to determine the key factors. Secondly, based on wind-tunnel test and numerical simulation, the building local wind, light and thermal environment under the effects of multiple surface optical-thermal characteristics and building morphologies and layouts are compared to figure out the influential mechanism of building surface optical-thermal characteristics, building morphology and layout on local microclimate. Additionally, an evaluative criteria is built up according to the regulatory requirements of the local microclimate of typical building regions. The optimal design strategy of the optical-thermal characteristics, building morphology and layout are proposed based on simulation results on numerical experimentation. The research findings can not only reveal the influential mechanism of building surface optical-thermal characteristics, building morphology and layout on local wind, light and thermal environment, but also provide theoretical and technical support for microclimate optimization during the design stage.

本课题针对围护结构的光学和热学性能及建筑形态布局对区域风、光、热环境的影响展开研究，采用理论分析、数值模拟及实验研究相结合的方法，首先通过搭建围护结构光特性测试实验台和建立多层材料围护结构的动态传热的传热矩阵法模型，对多种典型围护结构光热特性影响因素进行全析因敏感性分析，确定光热特性及动态吸、放热特性的主控影响因素；随后基于风洞测试及数值模拟，对多种表皮光热特性参数及建筑形态布局参数影响下典型城市空间的区域风、光、热环境进行比较考量，明确建筑表皮光热特性及形态布局对区域微气候的影响机理；最后基于典型气候下微气候风、光、热环境的调控需求，建立区域微气候评估标准，提出基于区域微气候调节的建筑群优化设计方法，通过多组数值试验确定不同气候条件下建筑群的最优光热特性及形态布局。课题的研究成果不仅能揭示建筑本身对区域微气候的影响机理，还能为城市规划阶段的微气候优化设计提供理论依据和技术支持。

本课题采用理论分析、数值模拟及实验研究相结合的方法，针对围护结构的光热特性及建筑形态布局对区域微气候的影响机理展开研究。.搭建了围护结构动态传热实验系统，对空气层围护结构和光伏光热围护结构的动态传热系数、衰减系数及延迟时间等热学特性进行测试和模拟分析，获取了连续吸、放、蓄热特性的时变规律；基于动态传热模型，综合考察了影响围护结构光热特性的各结构物性参数和光热性能参数，确定了制约围护结构动态光热特性的主控因素及影响规律和程度。.搭建静态风场试验系统，测试和模拟分析了静风环境下建筑立面的对流换热特性及其变化规律，利用粒子图像测速技术对不同热源强度下建筑立面热羽流特性进行测试；基于CFD数值模拟考察了静风和背景风影响下，多种强度热羽流作用下的区域风场及温度场的分布特征及迁移规律，明确了建筑表面热羽流对风环境、热环境的影响机制。.建立了区域风、热环境的缩尺模型风洞测试系统及CFD数值模型，针对典型建筑群模型，实测和模拟分析了几何形态特征及空间布局特征多因素影响下的风场及温度场分布及迁移变化规律，分析总结表面特性、几何形态、空间布局对区域风、热环境的调控机制。.建立了寒地城市开放空间区域微环境监测平台，对哈尔滨市典型建筑区域开放空间的室外气象参数进行长期监测、数据采集和分析，结合典型城市建筑群区域室外风热环境的ENVI-met模拟研究，对比分析不同建筑形态布局及土地覆盖率下局地尺度室外风热环境差异，总结得出建筑群对室外风热环境的影响机制。.基于微气候风、光、热环境的调控需求，建立微气候评估标准，选定影响区域微环境的主控因素作为优化的目标参数，初步提出了兼顾能耗、舒适度、污染控制的城市街谷及城市建筑群优化设计方法。.上述研究成果不仅能揭示城市局地尺度下建筑本身对区域微气候的影响机理，还能为城市建筑群的优化设计及局地微气候的优化调控提供理论依据和技术支持。