一种基于污染物浓度控制的峡谷街道优化设计方法

1.本发明涉及城市建筑设计技术领域，特别是涉及一种城市街道优化设计领域。


背景技术：

2.由各城市污染物监测结果显示，城市中心道路内碳氧化合物(co)、碳氢化合物(hc)、氮氧化物(nox)、可吸入颗粒物(pm2.5 pm10)等污染物浓度呈逐年上升趋势，许多地区已经超过国家环境空气标准。而除机动车驾驶员外，人行道与非机动车道上的行人都是直接暴露在空气中，呼吸街道空气。严重的机动车尾气污染，对城市大气环境、生态环境和人体健康造成了巨大危害。传统的街道设计主要考虑机动车道与非机动车道的划分，十字路口安置等交通问题以及商业区与非商业区划分等用地性质问题。因此，如何通过合理的街道设计来降低室外污染物对行人的影响，已经成为改善街道环境，满足行人舒适的难题。
3.对现有技术方案检索后可以发现，专利cn103485248a、cn108265820b、cn102505592a都谈到了街道建筑的设计方法。但都主要从城市风格，用地性质等方面进行街道设计，没有考虑峡谷街道设计对气流以及空气环境质量的影响，也没有考虑到街道设计对行人身体健康的影响。在实际街道设计中，由于不同高宽比的街道建筑对阳光的遮挡作用不同、不同建筑外表面材料的对流换热系数与太阳辐射吸收率大小不同、不同大小和类型的树木对污染物的遮挡作用不同，蒸腾作用强弱也不同。这些因素都会影响街道的气流分布以及污染物的聚积情况。此外，峡谷街道的背景风也是影响街道气流的重要因素。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中的问题，本发明提供的方法综合考虑了街道高宽比、两侧建筑外表面材料、两侧隔离带绿化植被设计对街道污染物扩散的影响，通过对原有街道的优化设计得到最优的气流组织形式；通过对多种参数影响下街道污染物的扩散情况进行分析，提供了一种基于污染物浓度控制的峡谷街道优化设计方法。
5.方法包括如下步骤：
6.步骤一：确定街道所在城市及区域，通过计算机采集该城市至少近五年的气象数据，所述气象参数包括：太阳辐射角度α，太阳辐射时间t，太阳辐射强度i，当地的风速v和风向以及室外空气温度t
out
；确定优化街道所在区域，所述区域包括：住宅区、商业区和文教区；确定街道所含基本元素，所述街道基本元素包括：建筑物类型、街道宽度、绿化分布及类型；
7.步骤二：跟据所确定的街道所含基本元素，建立峡谷街道的物理模型；所述物理模型包括：人行道、非机动车道、机动车道、人行道与非机动车道树林隔离带、机动车道与非机动车道隔离带、机动车辆、街道两侧建筑；
8.步骤三：确定要优化的街道所在区域的输入参数，所述的输入参数包括：建筑与街道的高宽比及尺寸参数、建筑外表面材料物性、两侧隔离带绿化植被相关参数；
9.设置街道两侧建筑外表面材料及相关物性；即设置影响建筑外表面温度的对流换
热系数与太阳辐射吸收率；所述的建筑外表面材料为陶瓷质外墙面砖、混凝土彩砖、釉面砖、通体砖、玻璃幕墙；其对流换热系数分别设为h
tc
，h
hn
，h
ym
，h
tt
，h
bl
，太阳辐射吸收率分别设为α
tc
，α
hn
，α
ym
，α
tt
，α
bl
；
10.设定隔离带内绿化植被类型及相关参数，所述绿化植被类型包括：人行道与非机动车道之间的隔离带树木，树木的高度、树冠类型、枝干形态以及叶面积指数；所述树冠类型包括：长柱形、椭圆形和球形；所述枝干形态包括：杯型、开心型、自然型；确定非机动车道与机动车道隔离带间的绿化植被类型；
11.步骤四：确定峡谷街道内空气污染物的来源；采集城市的街道车流量状况，计算得出各污染物的排放情况；所述的各污染物排放情况的计算方式为：
12.首先根据街道的类型采集不同时间段内通过的小型轿车数量为n1，公共汽车数量为n2，大型载货货车数量为n3，小型载货货车数量为n4；
13.其次根据不同类型车辆的污染物排放情况计算该街道单位时间的污染物排放量；用m
ij
来表示不同车辆污染物的排放情况，该变量下角标的i表示车辆种类，j表示排放污染物种类；其中：i＝1表示小轿车，i＝2表示公共汽车，i＝3表示大型载货货车，i＝4表示小型载货货车；j＝1表示单位时间的碳氧化合物排放量，j＝2表示单位时间的碳氢化合物排放量，j＝3 表示单位时间的氮氧化合物排放量，j＝4表示单位时间的可吸入颗粒物排放量；用 m
co
、m
ch
、m
no
、m
颗粒
分别代表碳氧化合物、碳氢化合物、氮氧化合物、可吸入颗粒物总排放量；
14.最后将各类型车辆通过街道的时间定为t；
15.由车流量与各类型车辆的污染物排放量可得到街道污染物的排放量：
[0016][0017]
步骤五：建立城市街道温度场、速度场和浓度场模拟计算模型，包含质量、动量和能量守恒方程、组分输运模型及湍流计算模型，
[0018]
其中，所述的质量守恒方程为：
[0019][0020]
式中：ρ为密度,t为时间，u、υ、ω为速度矢量在x、y、z方向上的速度分量；
[0021]
所述的动量守恒方程为：
[0022][0023][0024]
[0025]
式中：p为微元体上的压力，τ
xx
、τ
yx
、τ
zx
、τ
xy
、τ
yy
、τ
zy
、τ
xz
、τ
yz
、τ
zz
是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力τ的分量，f
x
、f
y
、f
z
为微元体上的体力；
[0026]
所述的能量守恒方程为：
[0027][0028]
式中：c
s
为比热容，t为温度，k为流体的传热系数，s
t
为流体的内热源及由粘性作用流体机械能转化为热能的部分；
[0029]
所述的组分输运方程为：
[0030][0031]
其中：c
s
为组分s的体积浓度，d
s
为该组分的扩散系数，s
s
为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量位体积通过化学反应产生的该组分的质量；
[0032]
所述的标准湍流模型为标准k－ε湍流模型；k方程是指单位质量流量的湍流脉动动能，所述的k方程是精确方程；ε方程是指脉动动能的耗散率，是由经验公式推导出的方程；标准k－ε湍流模型经简化后，包括：k方程和ε方程；
[0033]
其中，k方程为：
[0034][0035]
ε方程为：
[0036][0037]
其中：μ
t
为湍动粘度系数，c
μ
为经验常数，σ
ε
、σ
k
分别为ε与k所对应的prandtl数， c
1ε
、c
2ε
为模型常数；
[0038]
步骤六：通过气象参数和建筑外表面材料的选择，给定建筑外墙温度t1和地面温度t2；在建立的峡谷街道模型中，输入各项气象参数以及机动车辆的污染物排放量，模拟街道各污染物的扩散情况；在模拟软件的求解计算中，通过求解以上的守恒方程组，即可得出室外参数数据，所述参数数据包括：速度场、温度场、浓度场，通过这些数据分析城市街道的通风情况以及污染物的扩散情况；
[0039]
步骤七：根据模拟得到的污染物的扩散情况计算街道各污染物浓度的日均值；
[0040]
再由基本计算式：
[0041]
计算出碳氧化物co、碳氢化合物hc、氮氧化物no
x
以及可吸入颗粒物的污染指数 i
co
、i
hc
、i
no
、i
颗粒物
；
[0042]
式中，i为污染物的污染指数，c为该污染物浓度的日均值；c
b
与c
l
是在api分级限值表中最贴近c值的两个值，c
b
为大于c的限值，c
l
为小于c的限值；i
b
与i
l
是在api分极限值表中最贴近i值的两个值，i
m
为大于i的值，i
l
为小于i的值；
[0043]
则该区域的空气污染指数公式为：
[0044]
i＝z1i
co
+z2i
hc
+z3i
no
+z4i
颗粒物
[0045]
其中，z1、z2、z3、z4分别为四种污染物污染指数i
co
、i
hc
、i
no
、i
颗粒物
的权重系数，它们的数值大小根据不同污染物对环境的影响力来确定，z1、z2、z3、z的和为1；
[0046]
设街道模型下的空气污染指数为i1；计算给定组合下街道的i
co
、i
hc
、i
no
、i
颗粒物
，由此求得街道模型下的空气污染指数i1i1；
[0047]
步骤八：改变组合条件，即街道高宽比、建筑外表面材料，以及隔离带绿化植被的选择，建立新的街道模型；
[0048]
重复步骤五至七，计算不同组合条件下的街道空气污染指数；记i
x
为不同组合条件下的空气污染指数，x为不同街道高宽比、建筑外表面材料以及两个隔离带绿化植被选择三个条件中每个条件任选一个参数，三个条件的参数随机组合；
[0049]
步骤九：得到最优的峡谷街道模型；空气污染指数越小，表示该区域空气质量状况越好，所以峡谷街道模型的最优结果选取为：
[0050]
i
最优
＝min{i1、i2、i3、i4…………
}
[0051]
i
最优
对应的随机组合条件，即对应的街道高宽比，建筑外表面材料以及两侧隔离带内绿化植被设计；为最优的峡谷街道模型。
[0052]
进一步，步骤二中所述的模拟软件型号为：fluent。
[0053]
进一步，步骤三中所述的两侧建筑高度与街道宽度的比值在0.8
‑
3范围内。
[0054]
进一步，步骤三中所述的叶面积指数在1
‑
4范围内。
[0055]
进一步，步骤三中所述的绿化植被类型为灌—草复合结构，即0.5m左右的耐阴草本植物群。
[0056]
本发明的有益效果为：
[0057]
1.本发明提供的峡谷街道优化设计方法综合考虑了不同的街道高宽比，建筑外表面材料选取以及两侧隔离带内绿化植被设计对街道污染物扩散的影响，更大程度上降低峡谷街道中污染物的浓度。
[0058]
2.本发明提供的峡谷街道优化设计方法通过对比不同模型下人行道与非机动车道的污染物分布情况，进而确定最优的峡谷街道设计方法，通过该方法设计得到最优的气流组织形式，实现对峡谷街道中污染物浓度的控制。
[0059]
3.本发明提供的峡谷街道优化方法涉及峡谷街道优化设计领域，该方法是一种在人体健康领域和室外微环境领域急需的城市街道优化设计方法。
[0060]
4.本发明提供的峡谷街道的优化设计方法考虑了街道设计对污染物扩散的影响，由此来确定最利于行人健康的街道设计方案。
[0061]
本发明适用城市建筑设计技术领域，特别是涉及一种城市街道优化设计领域。
附图说明
[0062]
图1为峡谷街道截面图；
[0063]
图2为街道优化流程图。
[0064]
其中，a为人行道，b为非机动车道，c为机动车，d为人行道与非机动车道树林隔离带， e为机动车道与非机动车道隔离带，f为机动车辆，g为街道两侧建筑。
具体实施方式
[0065]
实施方式一.结合附图1说明本实施方式，本实施方式提供了一种基于污染物浓度控制的峡谷街道优化方法，所述方法包括以下步骤：
[0066]
步骤一：确定街道所在城市及区域，通过计算机采集该城市至少近五年的气象数据，所述气象参数包括：太阳辐射角度α，太阳辐射时间t，太阳辐射强度i，当地的风速v和风向以及室外空气温度t
out
；确定优化街道所在区域，所述区域包括：住宅区、商业区和文教区；确定街道所含基本元素，所述街道基本元素包括：建筑物类型、街道宽度、绿化分布及类型；
[0067]
步骤二：跟据所确定的街道所含基本元素，建立峡谷街道的物理模型；所述物理模型包括：人行道、非机动车道、机动车道、人行道与非机动车道树林隔离带、机动车道与非机动车道隔离带、机动车辆、街道两侧建筑；
[0068]
步骤三：：确定要优化的街道所在区域的输入参数，所述的输入参数包括：建筑与街道的高宽比及尺寸参数、建筑外表面材料物性、两侧隔离带绿化植被相关参数；
[0069]
设置街道两侧建筑外表面材料及相关物性；即设置影响建筑外表面温度的对流换热系数与太阳辐射吸收率，依据建筑类型和具体建筑材料依次设置；所述的建筑外表面材料为陶瓷质外墙面砖、混凝土彩砖、釉面砖、通体砖、玻璃幕墙；其对流换热系数分别设为h
tc
，h
hn
， h
ym
，h
tt
，h
bl
，太阳辐射吸收率分别设为α
tc
，α
hn
，α
ym
，α
tt
，α
bl
；
[0070]
设定隔离带内绿化植被类型及相关参数，所述绿化植被类型包括：人行道与非机动车道之间的隔离带树木，树木的高度、树冠类型、枝干形态以及叶面积指数；所述树冠类型包括：长柱形、椭圆形和球形；所述枝干形态包括：杯型、开心型、自然型；确定非机动车道与机动车道隔离带间的绿化植被类型；
[0071]
步骤四：确定峡谷街道内空气污染物的来源；采集城市的街道车流量状况，计算得出各污染物的排放情况；所述的各污染物排放情况的计算方式为：
[0072]
首先根据街道的类型采集不同时间段内通过的小型轿车数量为n1，公共汽车数量为n2，大型载货货车数量为n3，小型载货货车数量为n4；
[0073]
其次根据不同类型车辆的污染物排放情况计算该街道单位时间的污染物排放量；用m
ij
来表示不同车辆污染物的排放情况，该变量下角标的i表示车辆种类，j表示排放污染物种类；其中：i＝1表示小轿车，i＝2表示公共汽车，i＝3表示大型载货货车，i＝4表示小型载货货车；j＝1表示单位时间的碳氧化合物排放量，j＝2表示单位时间的碳氢化合物排放量，j＝3 表示单位时间的氮氧化合物排放量，j＝4表示单位时间的可吸入颗粒物排放量；用 m
co
、m
ch
、m
no
、m
颗粒
分别代表碳氧化合物、碳氢化合物、氮氧化合物、可吸入颗粒物总排放量；
[0074]
最后将各类型车辆通过街道的时间定为t
i
；
[0075]
由车流量与各类型车辆的污染物排放量可得到街道污染物的排放量：
[0076][0077]
步骤五：建立城市街道温度场、速度场和浓度场模拟计算模型，包含质量、动量和
能量守恒方程、组分输运模型及湍流计算模型，
[0078]
其中，所述的质量守恒方程为：
[0079][0080]
式中：ρ为密度,t为时间，u、υ、ω为速度矢量在x、y、z方向上的速度分量；
[0081]
所述的动量守恒方程为：
[0082][0083][0084][0085]
式中：p为微元体上的压力，τ
xx
、τ
yx
、τ
zx
、τ
xy
、τ
yy
、τ
zy
、τ
xz
、τ
yz
、τ
zz
是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力τ的分量，f
x
、f
y
、f
z
为微元体上的体力；
[0086]
所述的能量守恒方程为：
[0087][0088]
式中：c
s
为比热容，t为温度，k为流体的传热系数，s
t
为流体的内热源及由粘性作用流体机械能转化为热能的部分；
[0089]
所述的组分输运方程为：
[0090][0091]
其中：c
s
为组分s的体积浓度，d
s
为该组分的扩散系数，s
s
为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量位体积通过化学反应产生的该组分的质量；
[0092]
所述的标准湍流模型为标准k－ε湍流模型；k方程是指单位质量流量的湍流脉动动能，所述的k方程是精确方程；ε方程是指脉动动能的耗散率，是由经验公式推导出的方程；标准k－ε湍流模型经简化后，包括：k方程和ε方程；
[0093]
其中，k方程为：
[0094][0095]
ε方程为：
[0096][0097]
其中：μ
t
为湍动粘度系数，c
μ
为经验常数，σ
ε
、σ
k
分别为ε与k所对应的prandtl数， c
1ε
、c
2ε
为模型常数；
[0098]
步骤六：通过气象参数和建筑外表面材料的选择，给定建筑外墙温度t1和地面温度t2；在建立的峡谷街道模型中，输入各项气象参数以及机动车辆的污染物排放量，模拟街道各污染物的扩散情况；在模拟软件的求解计算中，通过求解以上的守恒方程组，即可得出室外参数数据，所述参数数据包括：速度场、温度场、浓度场，通过这些数据分析城市街道的通风情况以及污染物的扩散情况；
[0099]
步骤七：根据模拟得到的污染物的扩散情况计算街道各污染物浓度的日均值；
[0100]
再由基本计算式：
[0101]
计算出碳氧化物co、碳氢化合物hc、氮氧化物no
x
以及可吸入颗粒物的污染指数 i
co
、i
hc
、i
no
、i
颗粒物
；
[0102]
式中，i为污染物的污染指数，c为该污染物浓度的日均值；c
b
与c
l
是在api分级限值表中最贴近c值的两个值，c
b
为大于c的限值，c
l
为小于c的限值；i
b
与i
l
是在api分极限值表中最贴近i值的两个值，i
m
为大于i的值，i
l
为小于i的值；
[0103]
则该区域的空气污染指数公式为：
[0104]
i＝z1i
co
+z2i
hc
+z3i
no
+z4i
颗粒物
[0105]
其中，z1、z2、z3、z4分别为四种污染物污染指数i
co
、i
hc
、i
no
、i
颗粒物
的权重系数，它们的数值大小根据不同污染物对环境的影响力来确定，z1、z2、z3、z的和为1；
[0106]
设街道模型下的空气污染指数为i1；计算给定组合下街道的i
co
、i
hc
、i
no
、i
颗粒物
，由此求得街道模型下的空气污染指数i1；
[0107]
步骤八：改变组合条件，即街道高宽比、建筑外表面材料，以及隔离带绿化植被的选择，建立新的街道模型；
[0108]
重复步骤五至七，计算不同组合条件下的街道空气污染指数；
[0109]
记i
x
为不同组合条件下的空气污染指数，x为不同街道高宽比、建筑外表面材料以及两个隔离带绿化植被选择三个条件中每个条件任选一个参数，三个条件的参数随机组合；
[0110]
步骤九：得到最优的峡谷街道模型；空气污染指数越小，表示该区域空气质量状况越好，所以峡谷街道模型的最优结果选取为：
[0111]
i
最优
＝min{i1、i2、i3、i4…………
}
[0112]
i
最优
对应的随机组合条件，即对应的街道高宽比，建筑外表面材料以及两侧隔离带内绿化植被设计；为最优的峡谷街道模型。
[0113]
图2为本实施方式提到的一种基于污染物浓度控制的峡谷街道优化方法的流程图。
[0114]
实施方式二、结合附图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一中所述的一种基于污染物浓度控制的峡谷街道优化方法的进一步限定，步骤二中所述的模拟软件型号为： ansys公司的fluent。
[0115]
实施方式三、结合附图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一中所述的一种基于污染物浓度控制的峡谷街道优化方法的进一步限定，步骤三中所述的两侧建筑高度与街道宽度的比值在0.8
‑
3范围内。
[0116]
实施方式四、结合附图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一中所述的一
种基于污染物浓度控制的峡谷街道优化方法的进一步限定，步骤三中所述的叶面积指数在1
‑
4 范围内。
[0117]
实施方式五、结合附图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一中所述的一种基于污染物浓度控制的峡谷街道优化方法的进一步限定，步骤三中所述的绿化植被类型为灌—草复合结构，即0.5m左右的耐阴草本植物群。