喬木布局方式對合肥市老舊小區(qū)廣場熱舒適度的影響探究

文／陳宇迪 曹海嬰 袁中文

引言

目前大量老舊住區(qū)改造以建筑立面改造和道路、停車設施修補為主，較少關注住區(qū)綠地改造。研究表明，城市中的植物，特別是喬木，可以改善溫度、濕度，保持水土，釋氧固氮，可以多方面提高居住區(qū)熱舒適度[1-3]。文章以此為基礎，研究不同的喬木布局方式對夏季合肥老舊住區(qū)廣場微氣候的影響，為老舊小區(qū)綠化的改造提供理論支持。

1 研究方法

筆者通過對合肥老舊住區(qū)建筑、綠地布局方式進行調(diào)研，并且從中提取出合肥老舊住區(qū)典型布局平面和綠化布局方式，通過遙感影像分析方法和實地調(diào)查方式對老舊住區(qū)綠化覆蓋率進行調(diào)查，通過SPSS 對綠化率進行聚類分析，得出合肥老舊住區(qū)典型景觀喬木覆蓋率。以此為研究基礎通過ENVI-met 去模擬不同布局方式對住區(qū)溫度、風速、濕度、熱舒適度的影響進行分析，從而研究不同住區(qū)廣場布局方式對住區(qū)微氣候的影響。

2 基礎研究

2.1 建筑布局方式

筆者調(diào)研合肥市44 個老舊小區(qū)的現(xiàn)狀，從住區(qū)規(guī)模上來看，44 個老舊小區(qū)中4 個小區(qū)屬于5 分鐘生活圈居住區(qū)，其中一個小區(qū)僅有52 戶居民，規(guī)模遠不及居住街坊規(guī)模，另有39 個小區(qū)屬于居住街坊規(guī)模。由此可知，老舊小區(qū)中居住街坊規(guī)模住區(qū)占絕大多數(shù)。

從建筑布局形式來看，44 個小區(qū)中，6 個為混合式，38 個為行列式，由此得出，行列式是合肥老舊小區(qū)主要的布局形式，所以本研究選擇具有典型行列式建筑布局且屬于居住街坊規(guī)模的蜀山新村部分區(qū)域作為微氣候的研究對象。

2.2 廣場景觀喬木布局方式

通過對老舊小區(qū)建筑布局形式的調(diào)研和合肥住區(qū)發(fā)展史的研讀發(fā)現(xiàn)，80 年代前的老舊小區(qū)平面如表1左圖所示，該平面中，住宅布局是均質(zhì)的、有秩序的排列，住區(qū)中并沒有公共綠地，只有宅間綠地。

表1 老舊小區(qū)建筑典型布局形式（表格來源：作者自繪）

第二種布局模式是80 年代以后的行列式，類似于郵電新村小區(qū)的平面圖，該布局綠化主要由公共綠地和宅旁綠地組成，從綠化布局來看，宅旁綠地和80 年代的布局形式相同，公共綠地的布局形式通過對大量老舊小區(qū)的公共綠地中喬木布局形式的調(diào)研得出。通過對44 個住區(qū)的公共綠地喬木布局形式進行統(tǒng)計，得出30 個住區(qū)不包含公共綠地，其他19 個含有公共綠地的小區(qū)中有6 個集中式、5 個圍合式、5 個圍合集中式、3 個均勻式，具體布局方式如表2 所示。

表2 老舊小區(qū)綠化布局形式分類（表格來源：作者自繪自攝）

2.3 綠化率

《城市居住區(qū)規(guī)劃設計標準》中規(guī)定新建居住區(qū)綠地率不得低于30%，舊居住區(qū)改造不低于25%[4]。而老舊小區(qū)由于建造時間久遠，且住區(qū)沒有專業(yè)物業(yè)管理，導致老舊小區(qū)的綠化率、綠化結(jié)構(gòu)、綠化質(zhì)量參差不齊。

為了研究不同布局方式對老舊住區(qū)微氣候的影響，筆者通過對合肥市遙感影像圖的提取分析以及實地調(diào)研等方式對合肥市66 個小區(qū)的綠化進行調(diào)研分析，筆者在GIS 軟件上用GCS-WGS-1984 坐標系進行小區(qū)綠化和小區(qū)邊界的繪制，然后轉(zhuǎn)到平面坐標系中進行小區(qū)綠地和小區(qū)面積的計算，整理出合肥市老舊小區(qū)景觀喬木綠化覆蓋率分布現(xiàn)狀。

然后通過SPSS 軟件對喬木綠化覆蓋率進行K-means 均值聚類，通過多次聚類結(jié)合直方圖發(fā)現(xiàn)設置分類數(shù)為3 較為合理，聚類結(jié)果顯示：合肥市老舊小區(qū)的喬木綠化覆蓋率第一聚類有33 個個案，聚類中心為28.9%；第二聚類有24 個個案，聚集中心為40.49%；第三聚類有9 個個案，聚類中心為55.31%。

老舊住區(qū)綠化覆蓋率多數(shù)處在30%左右，所以本文以30%作為樣本模型綠化覆蓋率取值，去研究廣場不同布局方式對老舊住區(qū)微氣候的影響。

3 軟件設置

ENVI-met 是由三維模型和一維大氣邊界層模型組成的預測非靜水模型，它能夠再現(xiàn)城市及住區(qū)的微氣候，考慮到植被、空氣和鋪裝面的相互作用。王振、陳卓倫等學者對軟件模擬的可靠性進行了驗證，秦文翠、張偉岳、小智等學者運用該軟件對城市熱環(huán)境進行了模擬研究。

3.1 老舊小區(qū)典型平面圖

取蜀山新村部分平面圖作為研究對象，1、2、3、5、6、7 棟的東西長30m，南北長10m，層高六層18m。南北向樓間距為14m，東西向樓間距為9m，廣場面積為18m×24m。4 棟東西長18m，南北長10m。

3.2 樹木的設置

喬木的原型取自槐樹，槐樹一般冠幅在4.7m，高度為7.6m，冠層高為3.2m。葉面積指數(shù)為0.9m2。喬木的設置采用envvi-met 軟件中Albero 對喬木進行建模，喬木的冠幅為4×4m，高度為8m，冠層高為4m，葉面積指數(shù)為0.9/m2。樹葉短波透光率為0.1。樹葉的短波反射率為0.12。葉重為100g/m2。

3.3 計算域和網(wǎng)格大小設置

計算域的尺寸為100m×62m×72m。該區(qū)域劃分為50×31×36 個網(wǎng)格。網(wǎng)格分辨率為2×2×2m。最下面一層網(wǎng)格會被均勻分成五份，每份為0.4m。三個網(wǎng)格的高度為1.4m，這里把1.4m 的高度設為行人感受溫度和風速的高度。為了提高模型的穩(wěn)定性，在模型四個方向分別向外增加了一個網(wǎng)格。

對每種情況，ENVI-met 運行24 小時。夏季從2019 年6 月25 日早上7 點開始至2019年6 月26 日早上7 點結(jié)束。模擬參數(shù)設計如下，10m 高處風速為3m/s,風向為東南風，平均風速為2.2m/s,地面粗糙度取0.1，最高溫度為30℃，最低溫度為21℃，2 米處相對濕度為65%。

4 研究結(jié)果

4.1 喬木布局方式

模擬空間分為巷道空間和廣場空間，巷道空間采用相同的兩棵喬木連植的方式，廣場空間根據(jù)2 棵、3 棵喬木連植，以及橫向、縱向排列一共分為如下12 種布局方式，其中1-4 為圍合式、4-8 為圍合集中式，9-11 為集中式布局、12 為均勻式（圖1）。

圖1 喬木布局方式（圖片來源：作者自繪）

4.2 對溫度的影響

通過對12 張溫度分析圖之間對比得出不同的布局方式對溫度的影響較小，總體來說圍合式、集中式夏季溫度較高，均勻式和圍合集中式溫度較低，由此可以發(fā)現(xiàn)適當?shù)木奂瘑棠究梢越档蛷V場的溫度，但是喬木過度集中溫度反而會升高。

4.3 對風速的影響

合肥夏季盛行東南風，在廣場的東北角易導致空氣的滯留，風速降低。下圖為不同布局方式對應的風速布局（圖2—圖4），由此可看出，四種布局方式在廣場的東北角均形成了大面積的低風速區(qū)，風速僅為0.26m/s。圍合式布局（圖1）廣場在東北角、東南角形成了低風速區(qū)。圍合集中式（圖2）由于中部喬木栽植密集，導致中部風速的急劇下降。集中式（圖4-9、10、11）低風速區(qū)主要分布在廣場的東北和東南角。均勻式樹木均勻地分布在廣場中，形成了嚴密的擋風林，所以均勻式（圖4-12）的低風速面積最大。

圖2 圍合式布局風速分布圖（圖片來源：作者自繪）

圖3 圍合集中式布局風速分布圖（圖片來源：作者自繪）

圖4 集中式和均勻式布局風速分布圖（圖片來源：作者自繪）

由以上對比可以得出，夏季廣場喬木采用均勻式布局風速最低，集中圍合式次之，集中式和圍合式風速最大。

4.4 對濕度的影響

通過圖1 和圖2 的對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著喬木布局方式由圍合式向圍合集中式靠攏，空氣濕度會增加。整體上來看集中式的相對濕度最低，均勻式和集中式大致相同。

4.5 對熱舒適度的影響

通過圍合式的四種布局方式PMV 數(shù)值分布圖（圖5）、圍合集中式的四種布局方式PMV數(shù)值分布圖（圖6），集中式和均勻式布局方式PMV 數(shù)值分布圖（圖7）對比可以發(fā)現(xiàn)圍合式、圍合集中式整體熱舒適度相同，細致對比之下，在喬木的布局方式由圍合式變成圍合集中式的過程中，熱舒適度均發(fā)生了降低。研究得出，在綠化率相同的情況下，夏季住區(qū)廣場采用圍合式布局的熱舒適度優(yōu)于圍合集中式。

圖5 圍合式布局風速分布圖（圖片來源：作者自繪）

圖6 圍合集中式布局風速分布圖（圖片來源：作者自繪）

圖7 集中式和均勻式布局風速分布圖（圖片來源：作者自繪）

9、10、11 為集中式布局，12 為均勻式布局。由圍合式、圍合集中式與均勻式對比，可明顯看出，廣場南邊粉色面積最大，PMV 大約在1.4，屬于暖的范疇。研究發(fā)現(xiàn)相對于圍合式和圍合集中式，均勻式夏季的熱舒適較差，成片厚實的樹林大大阻礙了廣場空氣的流通，降低了夏季熱舒適度。

由圍合式、圍合集中式與集中式對比發(fā)現(xiàn)，集中式圖中大紅色所占面積較大，不僅巷道空間熱舒適度有所提升，廣場西北角和廣場中部紅色（PMV 為1-1.14）區(qū)域明顯增加，且廣場南面粉色（1.27-1.4）區(qū)域明顯降低。由此得出，集中式熱舒適度最好。

結(jié)語

由以上實驗可以看出，不同的布局方式對居住風速影響較大，溫度次之，濕度最小。圍合式集中式、均勻式有利于住區(qū)廣場的降溫，但是同時具有較強的消減風速的效果。集中式、圍合式有利于廣場的通風，降溫效果較為遜色，但是整體的熱舒適度較好。不同的居住區(qū)可以根據(jù)各自的需求去選擇相應的廣場布局方式。