长沙新建居住区微气候优化策略分析_罗慕遥.pdf

812023.04/Urban and Rural Planning and Design 城乡规划设计对于室外环境质量的评价以热舒适度应用最为广泛。国内外对热舒适研究主要集中在室外热舒适。在 2015年，Jiamei等人关注了城市几何对城市室外热环境的影响。Rupp 综述了与建筑环境有关的人类热舒适度，Toparlar 等人对城市微气候分析进行了充分的概述，但没有尝试采用具体分析方法研究室外热舒适情况2。2 影响微气候的因素2.1 建筑形态与布局分析近期相关研究发现，居住区形态对室外热舒适度的影响集中在街道长宽比、天空视野因子（SVF）、街道方向和建筑平面形式等方面。建筑物的布局，如建筑物之间的间隙，也会影响风环境，进而改变热舒适的情况。建筑形态影响着太阳直射的时间和平均辐射温度，在晴天条件下，平均辐射温度值的变化对生理等效温度（PET）的影响更加明显3。2.2 绿地类型与配置植物的蒸发和蒸腾作用增加了空气的相对湿度，从而降低了空气的温度。研究发现，与风向平行种植树木的地区空气温度低于垂直于风向种植的地区4。与密集种植相比，大面积低密度的树丛在降低温度和改善热舒适度方面更有利。树冠较宽的树木通过更大的遮阴面积，对炎热季节热舒适条件有更大的改善作用。3 室外热舒适评价指标热舒适度可以定义为“对热环境表示满意的心理状态”，是影响人体健康和工作表现的室内环境因素之一。热舒适评价由不同的相关模型或指数进行量化，如预测平均投票（PMV）、标准有效温度（SET*）、OUT_SET*、摘要本文针对长沙城区新建小区提取概化模型，使用热环境模拟软件量化热舒适度指标，并利用正交试验法，量化对比小区设计规划中不同要素对夏季室外热舒适度的影响程度差异。研究发现，小区建筑布局形式对热舒适度影响最大，绿地配置次之，而地面材质影响最小。在下风向增加开口，且在绿地边缘种植乔木，对改善热环境有很大的作用。本研究旨在通过模拟实验，为夏热冬冷地区居住区规划提供优化策略，改善居住区人居环境。关键词居住区；微气候；热舒适；正交试验中图分类号TU119文献标识码A DOI10.19892/ki.csjz.2023.04.21Abstract This paper extracts a generalized model for new residential areas in Changsha,quantifies thermal comfort indexes with thermal environment simulation software,and then uses orthogonal tests to quantifying and comparing the influence of different factors in the design and planning of the areas on outdoor thermal comfort in summer.It is found that the layout of the plot has the greatest influence on thermal comfort,followed by the green space configuration,and then the ground material,which has the least influence.Increasing openings downwind and planting trees at the edges of the green space have a significant effect on improving the thermal environment.This paper aims to provide an optimization strategy for the planning of residential areas in hot-summer and cold-winter regions to improve the living environment of residential areas.Key words residential area;microclimate;thermal comfort;orthogonal test1 引言随着城市化水平不断提高，中国的城市化比例已经由1978 年的 17.92%上升到了 2021 年的 63.9%，9.02 亿人生活在城市当中1。对他们而言，住区室外空间作为居住环境的重要组成部分，其品质关乎居民的舒适和健康。作者简介：罗慕遥（1993-），男。研究方向：建筑设计及理论。作者单位：青岛理工大学建筑与城乡规划学院长沙新建居住区微气候优化策略分析Analysis on Microclimate Optimization Strategies for New Residential Areas in Changsha罗慕遥Luo Muyao82城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.04生理学等效温度（PET）等。PMV 和 SET*指数为室内热环境优化奠定了坚实的基础，而OUT_SET*和PET指数主要用于设计室外热环境中。在本文中，PET 是通过软件 Rayman1.3 计算得到，该软件提供了对 PET 的免费计算。气温（Ta）、相对湿度（RH）、风速（Va)、人的着装（克罗值 clo）和活动形式、平均辐射温度（Tmrt），这是计算 PET 时最重要的因素。参考 Noguchi 与 Givoni 的实验设置，夏季人们穿着短袖和长裤，克罗值设定为 0.65。4 正交试验设计综合前文所提到的居住区微气候主要关联因素，使用正交试验法对比夏热冬冷地区气候下不同小区模型，综合分析各要素对结果的影响程度。4.1 居住区原型提取根据民用建筑热工设计规范（GB 501762016）的划分，长沙市属于夏热冬冷地区。长沙的夏季（从 6 月到 8 月）的特点是空气温度高，湿度大，太阳辐射强。长沙夏季的平均最低温度为 22，平均最高温度为 36。夏季的相对湿度经常超过 75%。长沙市风向具有明显的季节变化，冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，春秋二季风向没有冬夏稳定5-8。调研长沙主城区共 100 个新建居住区后，提取建筑栋数、建筑层数、容积率、绿地率、总用地面积等信息，建立正交试验所用居住区基础模型。经过分析调研样本可以发现，长沙市区内新建小区住宅类型主要为板式住宅或板塔结合住宅（见图 1），建筑层数集中于 2633层（见图 2），此外容积率与绿化率平均值分别为 3.6、0.39。以此为依据建立概化模型，模型中共有 20 栋 30层高层住宅，并包括绿地、道路与活动广场等要素。组合上述不同内部配置建立样本模型后进行正交试验设计模拟分析。表 1 正交试验因子建筑布局方式1 板塔结合，分散式绿地活动区域表面材料1 水泥宅间绿地配置方式1 乔木密植中心绿地配置方式1 乔木围植2 板塔结合，集中式绿地2 透水砖2 乔木围植2 乔木竖向种植3 板式住宅，分散式绿地3 植草砖3 乔木居中3 乔木居中4 板式住宅，集中式绿地4 透水沥青4 乔木排植4 乔木横向种植50 0板楼 塔楼 板塔结合楼数/栋37204310050 018 层以下 1925 层 2633 层 3440 层 40 层以上653125103图 2建筑层数分布（图片来源：作者自绘）图 1住宅类型分布（图片来源：作者自绘）表 2正交试验表 L16（44）编号建筑布局 BA表面材料 SM宅间绿地 HV中心绿地 CV111112122231333414445212362214723418243293134103243113312123421134142144231154324164413楼数/栋832023.04/Urban and Rural Planning and Design 城乡规划设计4.2 设计正交表如表 1、表 2 所示，试验中将建筑布局方式、活动区域表面材料类型、宅间绿地与中心绿地围植配置方式设为因子，并分别设置四个水平：建筑布局 BA 分别为板塔结合与分散式绿地、板塔结合与集中式绿地、板式住宅与分散式绿地、板式住宅与集中式绿地；表面材料 SM 分别为水泥、透水砖、植草砖、透水沥青；宅间绿地 HV 分别为乔木密植、乔木围植、乔木居中、乔木排植；中心绿地CV 分别为乔木围植、乔木竖向种植、乔木居中、乔木横向种植。其中编号 1 的模型平面布局如图 3 所示。依照正交表排列规则共需进行 16 次模拟分析，所得结果生理等效温度 PET 将导入正交表中用作进一步分析，以评价各因子影响程度。4.3 居住区微气候模拟本研究使用的模拟分析软件为 ENVI-met 4.4.6，其模型背景由 Bruse 和 Fleer（1998）构建，是一款能够再现城乡空间小气候和物理行为的三维模拟软件。本文选择的模拟时间从 2021 年 7 月 20 日上午 6 点持续到次日上午 6点，共 24 小时。背景气候条件为南风 2.45 m/s，空气温度为 30，相对湿度为 72%，其他设置为默认值。4.4 试验结果分析试验最终结果采用极差分析方法选择最佳因子及最佳组合方式，以达到居住区微气候舒适性最佳。极差分析是一种直观式的分析方法，其也称作R法，通过计算R值（因素极差值），对比判断各因素组合的优劣情况。选取每组模拟结果中 14：00 的 PET 结果进行极差分析后，得到各因素极差 R 值如表 3 所示。证明对于小区内室外热舒适度最重要的影响因素为建筑布局，其次是宅间绿地与中心绿地绿化配置，地表材料对于热舒适度影响程度最小。因此，对于夏热冬冷地区城市小区规划应该着重关注小区布局与绿化配置情况。而最佳组合为 BA3SM2HV2CV1，即全板式住宅与分散式绿地、透水砖铺地、宅间绿地乔木围植与中心绿地围植。3 号布局方案于下风口增加了更多开口位置，有利于南向自然风分散带走更多小区内部的热量，而使用透水砖相比于其他材料吸收热量更少，有利于释放太阳辐射带来的热量，并且能够增加小区内部空气湿度，调节人体热舒适度。宅间绿地与中心绿地使用乔木围植，不仅有利于增大遮阴面积，减少周边人行道与广场区域吸收的热量，而且相比于乔木密植能够更好地通风，同时考虑到经济性也更加适合实际应用。5 总结通过使用室外热环境模拟软件模拟长沙地区小区概化模型，比较一系列综合小区夏季热舒适性的差异，能够从统计学角度分析结果，解释了各个布局因素对整体热舒适影响的内在机制，实际规划中要着重考虑建筑布局与绿化配置的影响。从实践应用角度来说，本研究通过结合正交试验法的微气候模拟方案，得到了长沙城区居住区规划的一般性规律，能够以热舒适度为指标对比评价优劣，通过经济的方法指导未来的居住区建设，并支持决策者在有限的预算下优化居住区设计策略。考虑各因素的配置情况在现实情况中也有更多差异，需要在未来的实验中找到更多样本，并进行更全面的对比分析。此外，冬季气温较低的情况下，各因素如何影响室外热环境也需要进一步探讨。参考文献1 邓力人口数据面面观 J中国统计，2021（06）：15-162 JIANWEILI,NAIYUAN LIU.The Perception,Optimization Strategies and Prospects of Outdoor Thermal Comfort in China:A reviewJ.Building and Environment,2020,170(C):1-17.3 CKC LAM，H LEE，SR YANG，et al.A Review on the Significance and Perspective of the Numerical Simulations of Outdoor Thermal EnvironmentJ.Sustainable Cities and Societ