جزیره گرمایی شهری (UHI) در یک منطقه واقعی، کاربرد صنعتی

توضیحات

مقدمه

مطالعه جزیره گرمایی شهری (UHI) یکی از موضوعات مهم در جهان است و در بین محققان محبوبیت دارد. ما این مسائل را با استفاده از تجزیه و تحلیل CFD بررسی می کنیم.

اوکلند یک شهر بزرگ شهری در جزیره شمالی نیوزلند است. پرجمعیت ترین منطقه شهری کشور و پنجمین شهر بزرگ اقیانوسیه. اوکلند بین خلیج هاوراکی در شرق، رشته‌های هانائو در جنوب شرقی، بندر مانوکا در جنوب غربی و رشته‌های وایتکره قرار دارد. تپه های اطراف پوشیده از جنگل های بارانی است و چشم انداز آن با 53 میدان آتشفشانی پر شده است. اوکلند آب و هوای اقیانوسی دارد. در همین حال، طبق اعلام موسسه ملی تحقیقات آب و جو (NIWA)، آب و هوای آن نیمه گرمسیری در نظر گرفته می شود. این شهر تابستان های گرم و مرطوب و زمستان های معتدل و مرطوب دارد.

گرم ترین مرکز اصلی نیوزلند است. میانگین حداکثر دمای روزانه 23.7 درجه سانتیگراد (74.7 درجه فارنهایت) در فوریه و 14.7 درجه سانتیگراد (58.5 درجه فارنهایت) در جولای است. حداکثر دمای ثبت شده 34.4 درجه سانتیگراد (93.9 درجه فارنهایت) در 12 فوریه 2009 بود. اما حداقل دما 3.9- درجه سانتیگراد (25.0 درجه فارنهایت) بود. اوکلند گاهی اوقات به دلیل انتشار ذرات ریز از آلودگی هوا رنج می برد. همچنین مواردی از سطوح دستورالعمل مونوکسید کربن نقض می شود. در حالی که بادهای دریایی معمولاً آلودگی را نسبتاً سریع پراکنده می کنند، گاهی اوقات می توانند به صورت مه دود قابل مشاهده باشند، به خصوص در روزهای آرام زمستان. میانگین کمربند پرفشار در بخش نیوزلند در نیمکره جنوبی نزدیک به 30 درجه جنوبی متمرکز است به طوری که بادهای غربی بر کشور غالب است. با این حال، در روز به روز، تنوع زیادی در توزیع فشار وجود دارد. گاهی اوقات پادسیکلون های شدید در جنوب کشور با فرورفتگی هایی به سمت شمال رخ می دهد. آنها با معکوس شدن الگوی معمول آب و هوا باعث یک جریان شرقی می شوند. این شرایط مسدود کردن ممکن است نسبتاً پایدار باشد. 

شرح پروژه جزیره گرمایی شهری

هدف از این شبیه سازی که با نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) انجام شده است، مشاهده اثرات بادهای اقیانوسی بر جاده های شهری در شهر اوکلند است. بنابراین، طرح شهری دانشگاه صنعتی اوکلند (UHI) را برای بررسی این موضوع انتخاب  کرده ایم. این مطالعه با هدف تجزیه و تحلیل شرایط آسایش باد در منطقه و یافتن مکان هایی که سرعت باد بالاتر از 3.8 متر بر ثانیه است، انجام شده است. برای تجزیه و تحلیل آسایش حرارتی، محوطه دانشگاه نباید مکانی با دمای بالاتر از 295 کلوین باشد.

تمام ساختمان ها و سازه های موجود در فضای مورد نظر استخراج و با Google Earth pro نامگذاری شدند (شکل 1). با در دست داشتن نقشه منطقه مورد نظر، هندسه و حجم های مربوط به هر ساختمان در نرم افزار ANSYS Design Modeler ترسیم شد.

شکل 1. موقعیت دقیق دامنه اصلی که توسط دامنه اطراف احاطه شده است.

شکل 2.ابعاد همه دامنه

آسایش باد

مرحله اول

جریان هوا بر فراز اوکلند عمدتاً از جنوب غربی است. این امر به ویژه در زمستان و بهار صادق است، اما در تابستان، نسبت بادهای شمال شرقی افزایش می یابد. این از تغییر مکان کمربند فشار قوی ناشی می شود که در تابستان و اوایل پاییز در جنوب بیشتر از زمستان و بهار است. علاوه بر این، نسیم های دریایی در تابستان و اوایل پاییز به نسبت شرقی ها در مناطق شرقی می افزاید. شکل 3 میانگین فرکانس بادهای سالانه باد سطحی را بر اساس مشاهدات ساعتی ایستگاه های انتخاب شده نشان می دهد. داده‌های میانگین سرعت باد (میانگین سرعت باد در 10 دقیقه قبل از هر ساعت) برای چندین سایت در اوکلند موجود است که رژیم‌های باد مختلف منطقه را نشان می‌دهد. مناطق ساحلی (به عنوان مثال، فرودگاه اوکلند) در طول سال نسبت به مناطق داخلی سرپناه باد بیشتری دارند.

شکل 3. متوسط سرعت های باد

شکل 4. متوسط سرعت های باد

با رشد شهرنشینی، جمعیت بیشتری در مراکز شهر جم وجود دارد. مشکل باد، یا شرایط باد ناپایدار، به عنوان عاملی برای طراحی مکان و سازه مهم‌تر است، زیرا این سازه‌های بلند جدید می‌توانند منجر به سرعت باد بیشتر و جریان‌های جت قوی‌تر در سطح عابر پیاده شوند. برای ارزیابی آسایش باد عابر پیاده در یک مکان خاص برای مناطق شهری موجود یا آینده، سه مبدا داده‌های هواشناسی تاریخی، شرایط باد محلی، و معیارهای آسایش خاص باید مشخص و سپس گنجانده شوند. مقیاس‌های اساسی بسیاری برای کمک به تشخیص آسایش باد پیش‌بینی‌شده در مرحله برنامه‌ریزی با ارائه عواملی از آنچه باید به دست آید تا در موقعیت‌های مطلوب باقی بماند، وجود دارد. هر گونه ساخت و ساز، برج های بلند، ساختمان های کوتاه، پل یا تونل، بر محیط اطراف آن تأثیر می گذارد. با تعیین آسایش باد عابران پیاده، طراحان کارفرمای شهرداری می توانند رفتار جریان باد در اطراف ساختمان ها را در حالی که در مرحله برنامه ریزی هستند پیش بینی کنند. در نظر گرفتن مسائل آسایش باد برای نوسازی و طراحی شهری ضروری است. شکل 5 جدول آسایش باد را برای شرایط مختلف عابر پیاده نشان می دهد.

شکل 5.نمونه ای از معیارهای آسایش باد مکانیکی

شکل 6. سرعت باد 1 متر از سطح بزرگ (m/s)

جدول مرحله 1

کانتور توزیع سرعت باد از جنوب شرقی به شمال غربی نشان می دهد که سرعت باد در اطراف ساختمان هایی که مستقیماً در معرض جریان هوا هستند حتی در نقطه ای به 30 کیلومتر در ساعت می رسد (فلش های سیاه) و اصلاً با معیارهای اندازه گیری راحتی سرعت جریان در معابر. با عبور هوا از داخل معابر سرعت نیز کاهش می یابد و به حدود 10 کیلومتر در ساعت می رسد که مقدار خوبی است. سرعت احساس شده توسط باد در ردیف آخر ساختمان ها بسیار کمتر است (فلش قرمز) و باد در داخل معابر میرا می کند.

آسایش دما

مرحله اول: تابش خورشیدی

نتایج نشان می دهد که ساختمان بلندتر به دلیل سایه ایجاد شده توسط ساختمان ها، تشعشعات بیشتری را جذب کرده و تابش کمتری را در معابر بین خود جذب کرده است. حداقل مقدار تابش تابشی خورشیدی 1560 W/m2 (فلش سیاه) و حداکثر آن 1700 W/m2 (فلش قرمز) است. با این حال، تفاوت معناداری در احساسات حرارتی افراد بین سطوح مختلف تابش خورشیدی در مکان‌های کمتر سایه‌دار وجود نداشت. فرضیه این بود که راحتی بصری ناشی از سایه می‌تواند بر نحوه درک افراد از راحتی حرارتی در محیط‌های بیرونی تأثیر بگذارد.

مرحله دوم: شار حرارتی ساختمان ها

اکثر مناطق اوکلند میانگین دمای سالانه بین 14 تا 16 درجه سانتیگراد را تجربه می کنند و مناطق شرقی معمولاً گرمتر از مناطق غربی هستند. آنها میانگین دمای سالانه کمتری را در ارتفاعات بالاتر (مثلاً محدوده هانائو؛ 12 درجه سانتیگراد) به دلیل کاهش دما با ارتفاع تجربه می کنند. تغییرات زیادی در این رقم وجود دارد، به طوری که زمین های مرتفع در شرایط وزش باد نسبتاً سردتر هستند، در حالی که در شب های سرد، نوک تپه ها ممکن است به دلیل زهکشی هوای سرد، گرمتر از زمین پست باشند. ما تغییرات منطقه ای میانگین سالانه دمای متوسط را در شکل 8 نشان داده ایم.

شکل 8. میانگین دمای میانگین سالیانه

برای مشاهده تغییرات دما در معابر و منطقه، کانتور دما را در فاصله 1.5 متری از سطح زمین نشان می دهیم. دمای سطح زمین 15/286 کلوین و دمای جریان آزاد بر اساس داده های هواشناسی 15/288 کلوین در نظر گرفته شده است. ما از مدل DO برای اعمال اثر تابش خورشیدی استفاده می کنیم. مقدار شار حرارتی ساطع شده از ساختمان ها، طبق بررسی های جامع علم ساختمان، برای یک ساختمان اداری در شرایط عادی برابر با 0.6 w/m2 است که به دیوارهای این ساختمان ها نیز اعمال می شود. برای تحلیل نتایج دما، کانتور دما نشان می‌دهد که ساختمان‌ها با اعمال شار حرارتی محیط اطراف خود را گرم کرده و پدیده جزیره گرمایی شهری را تشکیل می‌دهند که در مواجهه با باد 15/288 کلوین اتفاق می افتد.

شکل 9. کانتور دمای باد

جدول 2.

ساختمان ها در ابتدای مسیر به دمای مناسبی می رسند. اما ساختمان های پشتی کمی کمتر سرد می شوند. سالن اجتماعات ساختمانی است با ارتفاع کم اما با مساحت بزرگتر (مشخص شده با فلش سیاه). در مقایسه با سایر ساختمان ها دیرتر خنک می شود و همچنان در قسمتی از سقف خود دماهای بالاتری را تجربه می کند و حداکثر دما نیز در این نقطه اتفاق می افتد.

شکل 10. دما در دامنه. 0.5 متر بالا رفت. راست بالا 1 متر پایین چپ 1.5 متر و مستقیم 2 متر از سطح زمین

جدول 3.

در فاصله 0.5 متری از سطح زمین، دما به طور متوسط 287.46 کلوین است. محیط گرم بین ساختمان ها ناشی از دفع گرما از یک محیط مسقف است. بالاترین دما 295.77 کلوین است. میانگین دما در یک متر بالاتر از سطح زمین کمی افزایش می یابد. به 287.96 K می رسد. در این کانتور انتقال حرارت از سکوی داغ قبلی قابل مشاهده است. این باعث شد حداکثر دما به 292.58 کلوین برسد. تغییرات در فاصله 1.5 متری از سطح زمین نسبت به قبل ناچیز است. حداکثر دما تغییر نکرده است. در فاصله دو متری از زمین و همچنین در فاصله نیم متری سکوی داغی دیده می شود که در حال انتقال گرما به محیط بوده و باعث افزایش دما در محیط اطراف شده است. حداکثر مقدار در این کانتور افزایش یافته و به 294.87 کلوین می رسد.

نتایج شبیه سازی جزیره گرمایی شهری

در این پروژه، وضعیت شهری اوکلند را از دو جنبه مختلف بررسیکرده ایم. در گام اول، مربوط به تحلیل آسایش باد، نتایج نشان می‌دهد که سرعت باد از فاصله استاندارد مناسب برای شرایط عابر پیاده در چندین منطقه بر اساس شکل‌های 5 و 6 به‌ویژه در حومه شهر فراتر می‌رود. بنابراین شهرداری می تواند برای غلبه بر مشکل یا ایجاد فاصله بیشتر بین ساختمان های نزدیک منتهی به دره های باریک خیابان، نصب بادگیر یا تکثیر پوشش گیاهی در منطقه حومه شهر را در نظر بگیرد. از طرفی آسایش حرارتی مورد بررسی در مرحله دوم شرایط متفاوتی دارد. با در نظر گرفتن تابش خورشیدی که به ساختمان ها وارد می شود، مشکل خاصی برای ساکنان وجود ندارد. در بدترین حالت، با در نظر گرفتن شار حرارتی برای ساختمان‌ها، همچنان ضوابط حرارتی (295K) رعایت می‌شود و هیچ سختی برای شهروندان وجود نخواهد داشت.