小區(qū)建筑布局對室外熱環(huán)境影響的模擬研究★

莫海蘭，曹林森，覃栩玥

(江蘇師范大學地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院,江蘇 徐州 221116)

0 引言

小區(qū)室外熱環(huán)境對城市居民的室外活動舒適性體驗有重要影響。小區(qū)建筑布局形式是影響室外熱環(huán)境的主要因素之一,國內(nèi)對此展開了一系列研究。如胡春景等[1]模擬分析了天津市在夏季典型日不同的建筑形態(tài)和布局形式的室外熱環(huán)境,發(fā)現(xiàn)總建筑面積相同時,塔式建筑小區(qū)風環(huán)境優(yōu)于板式建筑,板式建筑小區(qū)平均溫度和UTCI值均低于塔式建筑;張永益等[2]分析了嚴寒地區(qū)大慶市不同類型的建筑布局的室外微環(huán)境狀況,發(fā)現(xiàn)分散式布局方式可以獲得較好的微氣候效應;Yingjie Jiang等[3]運用ENVI-met模擬分析了武漢市6種典型的住宅建筑布局室外風和熱環(huán)境之間的關(guān)系,提出武漢市氣候條件下的小區(qū)建筑布局策略;李晗等[4]通過對青島市3種小 區(qū)建筑布局形式進行熱環(huán)境模擬,發(fā)現(xiàn)圍合式和行列式相較于點群式的熱島效應更明顯。Qing Li等[5]從建筑布局、容積率與建筑密度的要素運用CFD軟件模擬分析不同要素對住宅小區(qū)夏季室外熱環(huán)境的影響且得到兩者的相關(guān)性。

我國國土遼闊,不同地區(qū)和氣候區(qū)之間的氣象條件差異較大,對于小區(qū)建筑布局的微氣候適應性設(shè)計,有必要對各地區(qū)、各氣候區(qū)進行針對性探討。為探討徐州地區(qū)氣象條件下小區(qū)建筑布局形式對室外微氣候及熱舒適的影響,本文在提取四種常見小區(qū)建筑布局形式的基礎(chǔ)上,運用ENVI-met軟件對其進行熱環(huán)境模擬,分析對比各布局形式對微氣候及熱舒適的影響,以期為徐州市居住小區(qū)的建筑布局規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域

徐州(34°15″W,117°11″E)位于華北平原東南部、江蘇省西北部,屬溫帶季風氣候,四季分明,夏季高溫多雨,冬季寒潮頻襲,年氣溫14 ℃。徐州處于夏熱冬冷和寒冷地區(qū)的交界處,根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),該地氣候兼有寒冷地區(qū)與冬冷夏熱地區(qū)的特點,即“夏季最高溫度接近40 ℃,平均濕度為80%,冬季溫度接近-10 ℃,平均濕度為74%”。

1.2 建筑布局提取

利用Google map獲取徐州市居住小區(qū)的衛(wèi)星影像,對既有的小區(qū)建筑布局形式進行分類,根據(jù)住宅小區(qū)室外活動空間分布的不同劃分為四種基本的類型,主要包括集中式、錯列式、行列式和分散式(見表1)。

表1 徐州市居住小區(qū)分類及測點位置

1.3 模擬方法

ENVI-met軟件在微氣候領(lǐng)域的模擬應用已經(jīng)得到很多學者的驗證[6]。本研究利用ENVI-met軟件模擬場地的空氣溫度、風速、濕度等微氣候效應。在ENVI-met4豎直方向網(wǎng)格劃分方式中選取等距網(wǎng)格,設(shè)置5個嵌套網(wǎng)格,分別建立300 m×300 m的四種常見居住小區(qū)的模型。模擬區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)為60×60×8,分辨率為dx=5 m,dy=5 m,dz=5 m。區(qū)域內(nèi)部單體建筑體量為60 m×15 m,東西間距為15 m,南北間距為36 m,建筑高度為33 m。根據(jù)徐州市歷年氣候數(shù)據(jù),設(shè)置模擬日期及微氣候參數(shù)為2022年6月15日,風速2.80 m/s,風向126°,初始溫度為21.2 ℃,最高溫度為31.4 ℃,相對濕度設(shè)置夏季時段平均估值60%～80%;地面粗糙度系數(shù)選取系統(tǒng)默認值0.1,輸出時間為下午14:00,高度為1.5 m。在每種布局形式的相同位置設(shè)定12個測試點(見表1),提取各測點的氣候模擬數(shù)值并進行對比分析。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 空氣溫度

4種布局形式空氣溫度模擬結(jié)果如圖1所示,可見小區(qū)空氣溫度主要集中在28.5 ℃～29.0 ℃之間。受風向及建筑陰影影響,小區(qū)整體東南空氣溫度高,西北空氣溫度低。錯列式與行列式布局條件下,空氣溫度分布較為平均;集中式和分散式布局條件下,在場地空白區(qū)域形成較為明顯的高溫區(qū)域。

小區(qū)各測點的平均空氣溫度對比結(jié)果如圖2所示,可見空氣溫度最低的為行列式,最高的為錯列式,但兩者僅相差0.04 ℃。由此可知4種布局條件下各測點的空氣溫度均值幾乎沒有差異。

2.2 風速

4種布局形式風速模擬結(jié)果如圖3所示,可見建筑及其布局方式對小區(qū)風速影響效果明顯。由于文氏效應,4種類型的最大風速均出現(xiàn)在住宅小區(qū)的東側(cè)和主導風向的上方向。由于峽口效應,集中式和分散式在室外活動區(qū)域的東南-西北角同樣出現(xiàn)較大面積的高風速區(qū)域。從整體上看,行列式高風速區(qū)域面積最小。

小區(qū)各測點的平均風速對比結(jié)果如圖4所示,可見不同布局條件下風速差異較為明顯,其中錯列式風速最高,約為3.5 m/s;行列式風速最低,約為2.7 m/s,兩者差值約為0.8 m/s。由此可知小區(qū)建筑布局對風速影響較為明顯。

2.3 相對濕度

4種布局形式空氣濕度模擬結(jié)果如圖5所示,可見濕度主要集中在61.4%～62.8%之間。同樣受風向及建筑陰影影響,整體東南空氣濕度高,西北空氣濕度低。錯列式與行列式布局條件下,空氣濕度分布較為平均;集中式和分散式條件下,在場地空白區(qū)域濕度較高。

小區(qū)各測點的平均濕度對比結(jié)果如圖6所示,可見集中式空氣濕度最低,行列式空氣濕度最高,但兩者僅相差0.08%,由此可知4種布局條件下各測點的空氣濕度均值幾乎沒有差異。

2.4 熱舒適指數(shù)PET

目前,評估戶外熱舒適的指標以基于人體能量平衡的機理指標為主,常用指標有預測平均投票(PMV)、生理等效溫度(PET)、標準有效溫度(SET*)和通用熱氣候指數(shù)(UTCI)。其中PET除了考慮空氣溫度、相對濕度、風速、平均輻射溫度等氣象參數(shù),同時還關(guān)注人的活動產(chǎn)熱、新陳代謝率、服裝熱阻等個體參數(shù),具有一定優(yōu)勢。本文選取PET指數(shù)來綜合闡述室外微氣候?qū)θ梭w熱舒適的影響。表2給出了PET評價區(qū)間。

表2 PET指標的熱感覺溫度區(qū)間

從4種布局形式的14:00時PET分布圖(如圖7所示)可以看出,熱舒適PET值主要集中在34.04 ℃～46.36 ℃之間。由于建筑對光照的遮擋,建筑陰影處形成明顯的低PET值區(qū)域。同理由于建筑對風速的影響,建筑下風口方向形成高PET值區(qū)域。集中式和分散式的空白活動區(qū)域東北-西南方向形成高PET值區(qū)域。整體來看,錯列式低PET值區(qū)域面積高于其他布局形式。

由4種布局各測點的PET均值對比圖(如圖8所示)可見,錯列式PET值為38.21 ℃,明顯低于其他布局形式。行列式和分散式PET均值最高,且差距不大。結(jié)合前文分析結(jié)果可知,錯列式布局形式對風速的影響,是其可以獲得較好熱舒適的主要原因。

2.5 白天PET值對比

為進一步分析建筑布局對小區(qū)PET值的影響,模擬并計算白天9:00～17:00時4種建筑布局各測點的PET均值,結(jié)果如表3,圖9所示?？梢娬w上,錯列式布局條件下PET均值較低,分散式和行列式PET均值較高且差異不明顯。由此可知建筑布局形式對PET影響在白天并不受時間的影響,錯列式一直可以獲得較好的熱舒適體驗。

表3 9:00～17:00時各個測點的PET平均值 ℃

3 結(jié)論與討論

本文提取溫帶地區(qū)徐州市4種小區(qū)基本建筑布局形式,通過ENVI-met軟件模擬特定時間不同類型小區(qū)的室外微氣候及熱舒適狀況,經(jīng)比較分析得出如下結(jié)論:

1)4種小區(qū)建筑布局條件下,小區(qū)風速差異明顯,其中錯列式風速明顯高于其他布局形式。小區(qū)空氣溫度和濕度差異較小;2)就熱舒適PET而言,錯列式整體PET值最低,可以獲得較好的熱舒適,且不受時間的影響;3)風速是導致不同布局條件熱舒適差異的主要原因。因此,建議在居住小區(qū)建筑布局規(guī)劃時,多考慮錯列式布局形式,以提高小區(qū)的熱舒適度。

本文研究未考慮綠化對小區(qū)局部氣候的影響,而且模型較為簡單,未考慮不同層高、多類建筑混合的空間布局形式,這在今后的研究中將進一步完善。