基于熱環(huán)境模擬的生態(tài)園區(qū)規(guī)劃研究

付維綱， 姜 濤， 劉 俊， 周 強(qiáng)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限責(zé)任公司， 武漢 430063)

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付維綱， 姜 濤*， 劉 俊， 周 強(qiáng)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限責(zé)任公司， 武漢 430063)

以蘇州地區(qū)生態(tài)園區(qū)為研究對(duì)象，分析園區(qū)熱島效應(yīng)的影響因素以及與規(guī)劃相關(guān)的元素，利用CFD技術(shù)對(duì)現(xiàn)狀及規(guī)劃狀況下的園區(qū)熱環(huán)境進(jìn)行模擬研究，得到不同方案下溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及空氣齡場(chǎng)等計(jì)算結(jié)果，對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)通過規(guī)劃生態(tài)廊道、控制建筑密度及高度、提高喬木覆蓋率及推廣屋面綠化等手段，可以有效緩解熱島效應(yīng)，提高園區(qū)舒適度.同時(shí)也為生態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了一種新的思路.

熱島效應(yīng)； 生態(tài)廊道； 建筑布局； 綠化效應(yīng)； 生態(tài)規(guī)劃

隨著城市化進(jìn)程的加快，以及人們對(duì)城市人居環(huán)境要求的提高，熱島效應(yīng)已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn).在大力提倡節(jié)能減排、低碳發(fā)展的今天，有效緩解熱島效應(yīng)，不僅可以改善城市人居環(huán)境，并且還能有效減少夏季空調(diào)的使用，有利于節(jié)能與環(huán)保[1-3].

生態(tài)園區(qū)作為城市的重要組成部分，直接影響著整個(gè)城市的熱島效應(yīng)，其熱環(huán)境亦不容忽視.本文將從微觀層面以生態(tài)園區(qū)作為研究對(duì)象，模擬預(yù)測(cè)各種規(guī)劃方案下其熱環(huán)境，并提出合理規(guī)劃方案及優(yōu)化建議，對(duì)緩解熱島效應(yīng)具有重要意義，也是生態(tài)規(guī)劃技術(shù)方法的創(chuàng)新探索.

1 熱島效應(yīng)與園區(qū)規(guī)劃

1.1 熱島效應(yīng)以及與園區(qū)規(guī)劃相關(guān)元素

熱島效應(yīng)是指一個(gè)地區(qū)的氣溫高于周圍地區(qū)的現(xiàn)象[4-5].氣候因素、太陽輻射、城市下墊面、綠地與水體及人為釋熱是其主要影響因素[6].結(jié)合園區(qū)實(shí)際規(guī)劃過程，著重分析生態(tài)廊道、建筑布局及綠化效應(yīng)3個(gè)重要元素.

1.1.1 生態(tài)廊道 風(fēng)為流動(dòng)的氣流，在遇到地面構(gòu)筑物、綠樹及山嶺等凸起物時(shí)由于地面的粗糙阻力，影響了氣流速度及質(zhì)量.生態(tài)廊道類似“峽谷”，起到“風(fēng)道”的作用，可以有效避免地表粗糙所造成損失，以改善市區(qū)密集地帶的空氣流動(dòng)質(zhì)量，利用通風(fēng)帶走多余的熱量“堆積”，從而達(dá)到“通風(fēng)降溫”的效果[7].

1.1.2 建筑布局 建筑物對(duì)氣流具有阻擋作用，影響氣流在城市的流通，不利于熱量的擴(kuò)散.在生態(tài)規(guī)劃過程中，控制建筑物的高度及密度.尤其是在城市的迎風(fēng)面，不應(yīng)布置高大或高密度建筑物，以避免其對(duì)氣流的阻擋而導(dǎo)致大量熱量和溫室氣體滯留.

1.1.3 綠化效應(yīng) 綠化對(duì)太陽輻射有較好的反射與吸收，葉面對(duì)水分的蒸騰作用帶走了熱量并增加了周圍區(qū)域的空氣濕度[8].傳統(tǒng)的綠化率往往只反映了地面或平面的綠化程度.在園區(qū)生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)中，將建筑立面及屋頂綠化的作用均衡量在內(nèi)，這樣能比較完整的體現(xiàn)出綠化對(duì)于減少建筑受熱及緩解熱島效應(yīng)的能力.

1.2 研究內(nèi)容

本文將以蘇州地區(qū)生態(tài)園區(qū)為研究對(duì)象，分析園區(qū)熱島效應(yīng)的影響因素以及與規(guī)劃相關(guān)的元素，著重選取生態(tài)廊道、建筑布局及綠化效應(yīng)等3個(gè)元素，并結(jié)合園區(qū)現(xiàn)狀及規(guī)劃狀況，利用CFD技術(shù)對(duì)其熱環(huán)境進(jìn)行模擬，得到不同方案下的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及空氣齡場(chǎng)等計(jì)算結(jié)果，對(duì)比分析，提出有效合理的規(guī)劃方案及優(yōu)化建議，為園區(qū)生態(tài)規(guī)劃提供可借鑒的依據(jù).

2 構(gòu)建模型及設(shè)置邊界條件

2.1 建立模型

2.1.1 園區(qū)地塊分級(jí) 將園區(qū)以主要街道、河流等各種條件為界限，分為不同的區(qū)域地塊.考慮到不同區(qū)域的建筑密度、容積率、人口毛密度及綠化程度等因素組成的CFD數(shù)字模型在模擬仿真計(jì)算過程中呈現(xiàn)出的不同特性，將整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)分為5個(gè)等級(jí)(如表1)[9].

表1 城市分級(jí)表

2.1.2 建立模型 根據(jù)街道布局、建筑外形、水體面積及綠化布置等建立CFD物理模型(如圖1).

圖1 生態(tài)園區(qū)三維CFD物理模型Fig.1 Three-dimensional CFD physical model of the ecological park

2.2 設(shè)置邊界條件

2.2.1 模擬初始邊界條件設(shè)置 不同級(jí)別地塊設(shè)置不同初始溫度，不同級(jí)地塊設(shè)置不同材質(zhì)：在創(chuàng)建的CFD物理模型中，不同級(jí)別的地塊模型，根據(jù)不同區(qū)域受到太陽輻射和風(fēng)大小影響的實(shí)際情況，綜合考慮其他影響因素，取各參數(shù)在本地塊上的平均值.對(duì)于一級(jí)、二級(jí)的低級(jí)別區(qū)域，由于其受太陽輻射和風(fēng)影響相對(duì)小，模型采用空心，材質(zhì)為磚；對(duì)于三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)地塊模型，由于其受太陽輻射和風(fēng)影響影響大，模型則采用實(shí)體的水泥材質(zhì).

2.1.2 模擬氣候邊界條件設(shè)置 設(shè)置大氣邊界層，蘇州地區(qū)夏季南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，平均風(fēng)速3.4 m/s，平均溫度31.3℃，考慮太陽輻射影響.

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 生態(tài)廊道

在園區(qū)生態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，設(shè)置與夏季主導(dǎo)風(fēng)向一致的生態(tài)廊道(如圖2).模擬結(jié)果表明(如圖3～4)：設(shè)置生態(tài)廊道后，園區(qū)內(nèi)平均風(fēng)速為1.80 m/s，空氣齡為25 s，有良好的通風(fēng)換氣效果；溫度場(chǎng)亦有所較大改善(如圖5)，最高溫度由原來的45℃減少為42℃，并且大部分區(qū)域也有之前的39℃降低為37.5℃.生態(tài)廊道可以起到通風(fēng)降溫效果，有效緩解了熱島效應(yīng)，提高了園區(qū)熱舒適度.

圖2 生態(tài)廊道示意圖Fig.2 Ecological corridor

圖3 速度矢量分布圖Fig.3 Velocity vector distribution

圖4 空氣齡場(chǎng)分布圖Fig.4 Age of air distribution

圖5 溫度場(chǎng)分布對(duì)比圖Fig.5 Comparison of the temperature field distribution

3.2 建筑布局

建筑物對(duì)氣流具有阻擋作用，影響氣流在城市的流通，不利于熱量的驅(qū)散.在生態(tài)規(guī)劃過程中，可以通過城市設(shè)計(jì)的手段對(duì)城市建筑高度和建筑密度的分布進(jìn)行合理引導(dǎo)，在不影響城市用地布局及土地開發(fā)經(jīng)濟(jì)性的情況下，盡可能滿足建筑高度和建筑密度從順著主導(dǎo)風(fēng)向逐漸增加的趨勢(shì).模擬結(jié)果如圖6顯示：在減少建筑密度之后，園區(qū)的溫度均在37.8℃左右，相對(duì)于原來的39℃溫度有所降低.其中最高溫度為42.5℃，相對(duì)于原來的45℃降低了2.5℃左右；在減少建筑高度之后，科教創(chuàng)新區(qū)域的溫度均在38℃左右，相對(duì)于原來的39℃溫度有所降低.其中最高溫度為42.5℃，相對(duì)于原來的45℃降低了2.5℃左右.熱島效均已有所改善.

3.3 綠化效應(yīng)

城市規(guī)劃設(shè)計(jì)可以通過綠地布局、綠化配置以及綠地率等手段控制城市綠地的數(shù)量、質(zhì)量及分布，從而起到調(diào)節(jié)城市微氣候的作用，緩解熱島效應(yīng).目前園區(qū)現(xiàn)狀綠化建設(shè)水平為：人均公共綠地10.6 m2、建成區(qū)綠化覆蓋率45%，高于《國家生態(tài)園林城市》標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足生態(tài)園林城市的要求.增加綠地面積有利于緩解城市熱島效應(yīng)，但是如果在現(xiàn)有的高標(biāo)準(zhǔn)綠化基礎(chǔ)上繼續(xù)提高，一方面不利于土地的集約利用，另一方面對(duì)于土地資源緊缺的蘇州地區(qū)而言，并不現(xiàn)實(shí).因此，結(jié)合園區(qū)的實(shí)際情況，模擬研究在同樣綠地面積情況下，提高喬木覆蓋率及實(shí)施屋頂綠化對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響.本文選取月亮灣地塊進(jìn)行模擬，分3種方案進(jìn)行分析.各方案的情景設(shè)置如表2.

表2 模擬情景設(shè)置

模擬結(jié)果(如圖7)顯示：提高喬木覆蓋率能有效降低高密度高強(qiáng)度建設(shè)區(qū)的局部熱島效應(yīng)；屋頂綠化作為常規(guī)地面綠化的重要補(bǔ)充方式，同樣具有良好的生態(tài)效益，并且可以改善用地緊張的矛盾，有利于城市景觀的美化設(shè)計(jì).

圖7 綠化效應(yīng)模擬結(jié)果對(duì)比圖Fig.7 Comparison of the greening effect simulation results

4 結(jié)論及建議

熱島效應(yīng)的形成給城市規(guī)劃工作提出了新的挑戰(zhàn).為了建立人與自然協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展的宜居環(huán)境，如何消除熱島效應(yīng)是城市規(guī)劃者應(yīng)考慮的一個(gè)重要內(nèi)容.

(1)利用CFD技術(shù)模擬熱島效應(yīng)，預(yù)測(cè)園區(qū)熱環(huán)境，得到園區(qū)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及空氣齡場(chǎng)等計(jì)算結(jié)果，可以為園區(qū)生態(tài)規(guī)劃提供可借鑒的依據(jù).

(2)規(guī)劃生態(tài)廊道，設(shè)置與主導(dǎo)風(fēng)向一致的生態(tài)廊道，可以加強(qiáng)園區(qū)內(nèi)通風(fēng)換氣效果，改善密集區(qū)域空氣質(zhì)量，驅(qū)散過多的熱量“堆積”，可以有效緩解熱島效應(yīng)，提高園區(qū)內(nèi)空氣品質(zhì).

(3)優(yōu)化建筑布局，控制建筑密度及高度，盡可能滿足建筑高度及密度從順著主導(dǎo)風(fēng)向逐漸增加的趨勢(shì)，可以有效改善熱島效應(yīng)，提高園區(qū)的熱舒適度.

(4)強(qiáng)化綠化效應(yīng)，提高喬木覆蓋率、推廣屋面綠化，可以有效緩解熱島效應(yīng)，調(diào)節(jié)城市微氣候，改善用地緊張的矛盾，同時(shí)也有利于城市景觀的美化設(shè)計(jì).

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[9] 張 輝. 氣候環(huán)境影響下的城市熱環(huán)境模擬研究[D].武漢:華中科技大學(xué)， 2006．

Study on ecological park planning based on the thermal environment simulation

FU Weigang， JIANG Tao， LIU Jun， ZHOU Qiang

(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co. Ltd.， Wuhan 430063)

Taking the ecological parks of Suzhou as research objects in this paper， the author analyzed the factors impacting the heat-island effect and elements of the park planning. Then by using the CFD technology to simulate the thermal environment of the parks in current situation and planning condition， respectively the temperature， velocity and mean age of air field under different scenarios were calculated. After comparing and analyzing， the author found out that the heat-island effect was effectively alleviated and the park staff comfort was improved through methods such as planning ecological corridors， controlling the building density and height， increasing tree coverage and promoting roof greening. These results also provided an innovative idea for the ecological planning and design．

heat-island effect; ecological corridor; building layout; greening effect; ecological planning

2015-02-26.

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2007G045-E).

1000-1190(2015)03-0465-05

X321;TU985.11

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: jiangtaohust@126.com.