哈爾濱市濱江居住小區冬季熱環境實測分析

劉哲銘，趙旭東,2，金 虹

(1.哈爾濱工業大學 建筑學院，哈爾濱150001；2.赫爾大學，HU6 7RX英國)

哈爾濱市濱江居住小區冬季熱環境實測分析

劉哲銘1，趙旭東1,2，金 虹1

(1.哈爾濱工業大學 建筑學院，哈爾濱150001；2.赫爾大學，HU6 7RX英國)

為研究嚴寒地區濱江居住小區冬季熱環境特點，通過對哈爾濱市濱江居住小區和內陸居住小區在冬季典型氣象日的空氣溫度、黑球溫度以及風速進行現場實測，定量分析了濱江居住小區與內陸居住小區熱環境差異，及濱江居住小區建筑布局對其熱環境的影響，并根據風冷溫度對人體熱感覺進行評價.結果表明：濱江居住小區冬季熱環境與內陸居住小區相比較差，且不同建筑布局間存在較大差異；濱江居住小區比內陸居住小區平均空氣溫度低2.45 ℃，平均黑球溫度低3.66 ℃，平均風速大0.48 m/s，平均風冷溫度低5.59 ℃；對濱江居住小區不同區域熱環境進行對比，發現冬季太陽輻射對溫度提升作用最為顯著，其次為建筑布局圍合程度，居住小區行列式布局內部寒冷程度較高，廣場和臨江入口處次之，圍合式布局和半圍合式布局內部較低，并且增大行列式布局建筑間距能夠有效降低布局內部寒冷程度，提高熱舒適度.

嚴寒地區；濱江居住小區；內陸居住小區；熱環境；實測

隨著人們生活水平不斷提高，城市居民的親水性表現得更加顯著，一些高檔居住小區和商務區通常會選擇在水體附近建設，濱水區成為了城市中最具開發潛力的區域[1].大型城市河流作為城市水資源中最重要的組成部分[2]，除了其特有的人文景觀為人們提供優質的視覺感覺外，大面積水體產生的氣候效應會對濱水區域的微氣候環境產生較大的影響[3-5].居住小區作為與人們生活聯系最為密切的城市基礎單元，其內部熱環境會直接影響人們室外活動時體感舒適度[6-7].近年來，由于人們對于居住環境和生態系統可持續發展的認知逐步提升，關于城市濱水區域微氣候的研究已有部分成果.

Murakawa等[8]通過對日本廣島的大田江進行現場實測發現，江水的蒸發冷卻效應對周邊區域熱環境的影響范圍與建筑密度、水體寬度和街道形態有直接關系.Ishii等[9]在對日本福岡市中心公園里一處水池進行研究，對水池蓄滿水與沒有水兩種情況下周圍環境溫度進行對比發現，水池內蓄滿水時公園內溫度比水池沒有水時低0.4 ℃.成田健一[10]運用風洞試驗論證了城市河流周圍建筑密度和建筑布局對水體溫度效應作用范圍影響很大.宋曉程等[11-12]運用室外熱環境數值模擬方法討論建筑布局、容積率、岸堤高度、濱水間距和綠化對水體周邊溫度的影響，結果表明，濱水間距對溫度影響較大，其次為容積率、岸堤高度、建筑布局和綠化.Xu等[13]以上海市黃興公園內浣紗湖為研究對象，通過現場實測與計算酷熱指數，分析炎熱夏季水體對人們熱舒適的影響.結果表明，水體能夠明顯降低沿岸地區的溫度，并有效提高人們熱舒適性，且在距湖岸10～20 m范圍內影響最為顯著.馮勝輝等[14]對1956—2005年中國冬季風冷溫度的時空變化特征進行了分析，研究結果為人們冬季日常生活和出行提供了科學依據和參考.

總體來說，上述研究主要針對夏季城市水體對濱水區域熱環境的改善作用，缺乏對季節氣候變化較大的嚴寒地區冬季城市濱水住區熱環境的研究.且中國在該領域的研究主要集中在小尺度的城市公園及廣場內的人工水景，和中尺度的城市湖泊或溪流，對周邊區域的降溫作用，缺乏對大型城市河流對住區熱環境影響的研究[15].

本文旨在研究嚴寒地區冬季濱江居住小區與內陸居住小區熱環境差異，以及濱江居住小區建筑布局對熱環境的影響，通過對實測數據的分析，提出濱江居住小區優化建議.

1 研究內容

1.1 測試地點及測點布置

測試地點選擇在嚴寒地區典型城市哈爾濱市的濱江居住小區和內陸居住小區，選取兩處小區水平距離為3 000 m，且均位于哈爾濱城市中心區域，建筑密度相近且下墊面相同，以避免城市熱島效應本身導致的差異對測試結果造成影響.濱江居住小區——河松小區、觀江首府和河源小區位于哈爾濱市道里區，距離松花江南界395 m，北臨顧鄉公園.河松小區內主要為圍合式布局,觀江首府內為行列式布局,河源小區內為行列式布局.住區內建筑朝向均為南偏東10°，建筑密度為26.76%.內陸居住小區——宏業小區位于哈爾濱市南崗區，距離松花江南界3 200 m，小區內均為圍合式、行列式布局，建筑朝向為南偏東29°，建筑密度為26.59%.本次測試期間松花江江面結冰，且覆蓋大量積雪，公園及住區內喬、灌木均已落葉.

測試共設置10個測點，濱江小區內共布置8個測點，內陸小區內布置2個測點，測點編號及位置如圖1所示.

圖1 測點布置示意

1.2 測試儀器及方法

測試時間為2016年1月14日9:00-17:00.采用定點測試的方法，測試內容為居住小區內距地面1.5 m高度處的空氣溫度、黑球溫度以及風速風向.測試儀器包括溫濕度采集記錄器、黑球溫度采集記錄器和手持式風速儀，詳細參數見表1.測試前已對儀器進行校準與比對，確認誤差在可接受范圍內.儀器自動記錄數據間隔均為1 min，但為了更加清晰地表示測點數據的變化情況，下文數據變化曲線標記為每30 min的平均值.測試中溫濕度采集記錄器被放置在自制鋁箔套筒內，以防止太陽輻射和地面、墻面等環境的長波輻射影響.并與黑球溫度采集記錄器、手持式風速儀一起用支架固定在距離地面1.5 m高度處.測試儀器及周邊環境如圖2所示.

表1 測試儀器

1.3 城市氣候參數

中央氣象臺發布的氣象數據顯示，2016年1月14日，哈爾濱市天氣晴，空氣溫度為-17.2～-27.9 ℃；相對濕度為17.7%～40.9%.風速為0.23～2.09 m/s，平均風速為0.91 m/s，主風向為東北.太陽總輻射強度為0～628 W/m2，太陽散射輻射為0～163 W/m2，太陽輻射變化情況如圖3所示.測試當日具備哈爾濱市冬季典型氣候條件.

圖3 太陽輻射強度變化

1.4 風冷溫度計算方法

風冷溫度(wind chill temperature, WCT)是綜合考慮空氣溫度和風速對環境寒冷程度影響的評價指標.計算公式為[16]

式中：WCT為風冷溫度，℃；v10為標準氣象觀測站10 m高度處風速，km·h-1；t為空氣溫度，℃.如果測試為1.5 m高度處風速，則應乘以1.5后帶入公式.當v10≤4.8 km·h-1時，可以視為靜風狀態[17]，此時風冷溫度與實際氣溫相等[18].風冷溫度對應熱感覺分級標準見表2.

表2風冷溫度對應熱感覺分級[16]

Tab.2 Classification of wind chill temperature and thermal sensation[16]

分級風冷溫度/℃熱感覺1-10～-24寒冷2-25～-34非常寒冷3-35～-59異常寒冷4-60以下極度寒冷

2 結果與分析

2.1 濱江與內陸居住小區熱環境差異分析

為對比濱江與內陸居住小區冬季熱環境，選取濱江小區內測點a1、a2和內陸小區內測點b1、b2進行分析,測點詳細位置說明見表3.

表3 測點設置說明

2.1.1 測點數據逐時變化分析

濱江與內陸居住小區內空氣溫度與黑球溫度逐時變化情況如圖4、5所示.濱江小區溫度明顯低于內陸小區，且午間時段(12:00-14:00)溫度相差最大.其中，圍合式布局空氣溫度最大差值為3.8 ℃，行列式布局最大差值為4 ℃；圍合式布局黑球溫度最大差值為4.1 ℃，行列式布局最大差值為7 ℃.對比各測點最高溫度出現時間發現，濱江小區內最高溫度出現在13:30，比內陸小區早30 min.

文獻[8]研究結論指出,日本大田江沿岸空氣溫度比遠離江水區域大約低3～5 ℃.本文分析結果為濱江與內陸小區內部空氣溫度相差約1～4 ℃.雖然本文研究地點與氣候條件有較大不同，但分析結果與文獻[8]基本一致.

濱江與內陸居住小區風速逐時變化情況如圖6所示.各測點風速變化曲線波動較大，無明顯變化規律.但濱江小區內風速大于內陸小區，其中，圍合式布局風速相差較小，而行列式布局風速相差較大，最大可達到2 m/s.

圖4 濱江與內陸居住小區的空氣溫度變化

Fig.4 Air temperature difference between riverside residential area and inland residential area

圖5 濱江與內陸居住小區的黑球溫度變化

Fig.5 Black-bulb temperature difference between riverside residential area and inland residential area

圖6 濱江與內陸居住小區的風速變化

Fig.6 Wind speed difference between riverside residential area and inland residential area

濱江與內陸居住小區風冷溫度逐時變化情況如圖7所示.各測點在9:00-9:30風冷溫度達到最低，隨后逐漸升高，且各測點間風冷溫度差值也隨之減小.濱江小區行列式布局風冷溫度波動最大，且在9:30達到最低值，為-29.84 ℃，熱感覺為非常寒冷.內陸小區風冷溫度波動相對平緩，熱感覺一直為寒冷.

圖7 濱江與內陸居住小區的風冷溫度變化

Fig.7 Wind chill temperature difference between riverside residential area and inland residential area

2.1.2 測點數據平均值分析

濱江與內陸居住小區溫度、風速及風冷溫度平均值詳見表4.濱江小區平均空氣溫度和黑球溫度明顯低于內陸小區，圍合式布局和行列式布局內平均空氣溫度分別相差2.06 ℃和2.84 ℃，平均黑球溫度分別相差2.38 ℃和4.93 ℃.形成此溫度差值的原因為濱江小區北臨松花江，相對開敞，而內陸小區周邊建筑密集，相對封閉，居民生活、交通運輸、建筑物等向外排放更多熱量，且熱量難以散失，從而導致上述差異的產生.

表4濱江與內陸居住小區測點平均值

Tab.4 Average data of measurement points in riverside and inland residential areas

測點編號及位置空氣溫度/℃黑球溫度/℃風速/(m?s-1)風冷溫度/℃a1(濱江圍合式布局)-13．12-9．780．63-13．12a2(濱江行列式布局)-15．44-14．171．60-21．18b1(內陸圍合式布局)-11．06-7．400．40-11．06b2(內陸行列式布局)-12．60-9．240．87-12．06

濱江小區行列式布局平均風速最大，為1.6 m/s，比內陸小區大0.73 m/s.圍合式布局平均風速相差較小，濱江小區比內陸小區大0.23 m/s.此種現象是由于濱江小區北臨松花江，該江段寬為1.3 km，測試期間主導風向為東北向，導致江面形成巨大“風道”，影響覆蓋于整個濱江區域.而內陸小區周圍建筑密集、道路縱橫，粗糙的城市下墊層增加了對風的阻力，使風速降低，從而也導致內陸小區內部熱量不易散失，這也是濱江與內陸小區溫差形成的另一個原因.

濱江小區的寒冷程度與內陸小區相比較高，熱舒適度較低.濱江小區行列式布局和圍合式布局平均風冷溫度分別為-21.18 ℃和-13.12 ℃，比內陸小區分別低9.12 ℃和2.06 ℃.

2.2 濱江居住小區建筑布局對熱環境影響分析

2.2.1 測點數據逐時變化分析

為分析濱江居住小區建筑布局對熱環境的影響，選取c1、c2、c3、c4和a2測試數據進行分析，測點位置如圖1(a)，測點設置說明見表5.

表5濱江居住小區測點設置說明

Tab.5 Information on measurement points of riverside residential area

測點測點位置周邊環境c1小區臨江入口處入口寬度為16mc2圍合式建筑布局內部四周為7層住宅c3廣場中央四周無建筑遮擋c4半圍合式建筑布局中央西側為8層點式住宅，東側為7層L型住宅a2行列式建筑布局內部南北均為7層板式住宅，住宅間距為35m

濱江居住小區各測點空氣溫度及黑球溫度逐時變化情況如圖8、9所示.從9:00-11:00各點空氣溫度逐漸升高，至午間時段(11:00-14:00)氣溫趨于穩定，且達到最高，隨后氣溫逐漸下降.黑球溫度也存在相同的變化規律.溫度整體變化趨勢與測試期間太陽輻射強度變化趨勢基本一致，測點間的溫度差值隨著太陽輻射強度的提高會有所增大.

此外，小區廣場處空氣溫度曲線變化幅度較大，且在14:00之前氣溫明顯高于其他測點，最大差值可以達到4.1 ℃，隨后下午時段氣溫下降，且下降速度明顯大于其他測點，黑球溫度也存在同樣的變化規律，并且更加明顯.這是因為小區廣場四周開敞空曠，無建筑遮擋，所受太陽輻射影響最大，但熱量容易散失，所以當太陽輻射強度較大時，溫度明顯高于其他測點，而隨著太陽高度角變小，太陽輻射強度逐漸減弱，溫度也隨之快速下降.

圍合式布局、半圍合式布局和行列式布局內空氣溫度曲線波動相對平緩，且接近平行.這是由于冬季哈爾濱太陽高度角低，測點c2、c4和a2始終處于建筑陰影當中，基本沒有接受到太陽直射，主要影響其溫度的是散射輻射和地面及建筑墻體的長波輻射，所以溫度曲線波動相對平緩.

小區臨江入口處在12:00時空氣溫度出現峰值，且在峰值前后曲線斜率較大，溫度發生明顯變化，黑球溫度也同樣存在以上現象，且更加明顯.這是因為小區臨江入口處在11:00-12:00之間在太陽直射下，溫度驟然上升，而隨后被建筑陰影遮擋，黑球溫度快速下降約4 ℃.可見，建筑陰影會削弱太陽輻射對溫度的提升作用.

圖8 濱江居住小區測點空氣溫度變化

Fig.8 Air temperature of measurement points in riverside residential area

圖9 濱江居住小區測點黑球溫度變化

Fig.9 Black-bulb temperature of measurement points in riverside residential area

濱江居住小區各測點風速逐時變化情況如圖10所示.行列式布局內風速變化曲線波動最大，且明顯大于其他測點，最大差值可達2.6 m/s.廣場處次之，而小區臨江入口處、圍合式布局及半圍合式布局內風速相對平穩，且較為接近.小區臨江入口處在13:00-14:00時風速較大出現峰值，并且此時溫度也略微下降如圖8、9所示.這說明當太陽輻射強度較弱時，風速對溫度的影響較大.

濱江居住小區各測點風冷溫度逐時變化情況如圖11所示.行列式布局內風冷溫度日間波動最大，且寒冷程度明顯高于其他測點，9:00-10:00熱感覺一直為非常寒冷.廣場和臨江入口處寒冷程度次之，而圍合式布局和半圍合式布局內風冷溫度最高，且波動相對平穩，熱感覺始終為寒冷.

圖10 濱江居住小區測點風速變化

Fig.10 Wind speed of measurement points in riverside residential area

圖11 濱江居住小區測點風冷溫度變化

Fig.11 Wind chill temperature of measurement points in riverside residential area

2.2.2 測點數據平均值分析

濱江居住小區各測點溫度、風速及風冷溫度平均值見表6.平均空氣溫度和平均黑球溫度最高的是廣場處，分別為-12.22 ℃和-8.24 ℃.這是由于c3點在太陽光直射下，而且太陽輻射是冬季室外環境得熱最主要的來源，所以廣場處平均溫度最高.圍合式布局內平均空氣溫度，為-13.32 ℃，比半圍合式布局和小區臨江入口處分別高0.70 ℃和0.74 ℃.行列式布局內平均空氣溫度最低，為-15.44 ℃.平均黑球溫度差異趨勢與空氣溫度基本相同，且測點間差值更大.

由此可見，冬季太陽輻射對居住小區內溫度提升作用效果最大；其次，建筑布局圍合程度越高，墻體面積越大，釋放的長波輻射熱量相對較多，且熱量不易散失，可提高環境溫度.

平均風速最大的是行列式布局內a2點，為1.60 m/s，明顯大于其他測點，這是因為測試期間主導風向為東北向，該測點處出現了狹管效應.其次為廣場中央，為1.08 m/s，由于廣場四周相對空曠，無建筑遮擋，所以此處風速較大.圍合式建筑布局與半圍合式建筑布局內部由于受到建筑遮擋，所以平均風速較小，分別為0.34 m/s和0.41 m/s.李維臻[19]、麻連東[20]均運用數值模擬的方法對寒地住區冬季風環境進行分析，研究指出冬季行列式布局風環境最差，圍合式布局風環境相對舒適，兩者日平均風速相差約1.5 m/s.與本文研究結果基本一致，存在差值是由數值模擬邊界條件設置造成.

行列式布局內平均風冷溫度最低，為-21.18 ℃，寒冷程度最高.廣場和臨江入口處平均風冷溫度次之，分別為-15.98 ℃和-14.06 ℃.圍合式布局和半圍合式布局內平均風冷溫度最高，分別為-13.32 ℃和-14.02 ℃，熱舒適度相對較高.

表6濱江居住小區測點平均值

Tab.6 Average data of measurement points in riverside residential area

測點編號及位置空氣溫度/℃黑球溫度/℃風速/(m?s-1)風冷溫度/℃c1(臨江入口)-14．06-11．280．63-14．06c2(圍合式布局)-13．32-10．590．34-13．32c3(廣場中央)-12．22-8．241．08-15．98c4(半圍合式布局)-14．02-12．760．41-14．02a2(行列式布局)-15．44-14．171．60-21．18

從上述研究可知，冬季濱江小區行列式布局內部寒冷程度較高，熱舒適性較差.但是近年來新建濱江居住小區為獲取更好的景觀視野及室內采光、通風，多采用行列式布局.所以為進一步分析冬季濱江小區行列式布局內部熱環境，選取測點c6、c7和a2進行對比分析，測點位置如圖1(a)所示，測點設置說明見表7.

濱江居住小區行列式布局內各測點溫度、風速及風冷溫度平均值見表8.c6點平均空氣溫度和黑球溫度略高于c7，均明顯高于a2，分別相差1.73 ℃和2.24 ℃.c7點平均風速明顯偏大，分別大于c6，1.03 m/s和a2，0.61 m/s.c6點平均風冷溫度最高，分別高于c7，2.39 ℃和a2，3.18 ℃.這說明增大行列式布局建筑間距能夠有效削弱布局內部狹管效應，提升布局內部溫度，從而降低布局內部寒冷程度，提高熱舒適度.但臨江側開口設計對布局內部風環境及寒冷程度影響很大.

表7行列式布局測點設置說明

Tab.7 Information on measurement points of row layout pattern

測點測點位置周邊環境a2行列式建筑布局內部南北均為7層板式住宅，住宅間距為35mc6行列式建筑布局內部北側為18層板式住宅，南側7層板式住宅，住宅間距為90mc7行列式建筑布局內部南北均為33層板式住宅，住宅間距為65m

表8行列式布局測點平均值

Tab.8 Average data of measurement points of row layout pattern

測點編號空氣溫度/℃黑球溫度/℃風速/(m?s-1)風冷溫度/℃a2-15．44-14．171．60-21．18c6-13．71-11．931．18-18．00c7-13．72-12．442．21-20．39

3 結 論

1)通過分析濱江與內陸居住小區熱環境差異，可得到：濱江居住小區溫度明顯低于內陸居住小區，圍合式布局和行列式布局內平均空氣溫度分別相差2.06 ℃和2.84 ℃，平均黑球溫度分別相差2.38 ℃和4.93 ℃.且濱江小區最高溫度出現時間比內陸小區早30 min.濱江小區圍合式布局和行列式布局內平均風速比內陸小區分別大0.23 m/s和0.73 m/s；濱江居住小區冬季寒冷程度與內陸小區相比較高，熱舒適性較差.濱江小區圍合式布局和行列式布局內平均風冷溫度比內陸小區分別低2.06 ℃和9.12 ℃.

2)通過分析濱江居住小區不同建筑布局內熱環境，可得到：濱江居住小區日間溫度波動主要受太陽輻射的影響，接受太陽直接輻射區域溫度波動較大，陰影區域溫度波動較小，黑球溫度相差2～3 ℃，空氣溫度相差0.5 ℃.并且建筑陰影會削弱太陽輻射對溫度的提升作用，使黑球溫度下降約4 ℃.因此，在建筑空間布局中，建議減少居民活動區域的陰影面積；廣場處平均空氣溫度分別比圍合式布局、半圍合式布局、臨江入口、行列式布局高1.10、1.80、1.84、3.22 ℃.廣場處平均黑球溫度分別比圍合式布局、臨江入口、半圍合式布局、行列式布局高2.35、3.04、4.52、5.93 ℃.因此，冬季太陽輻射對小區內溫度提升作用最為顯著，其次建筑布局圍合程度越高，布局內部溫度越高；濱江小區行列式布局日間風速波動最大，廣場處次之，而臨江入口處、圍合式布局及半圍合式布局內風速相對平穩.行列式布局內部平均風速分別比廣場、臨江入口處、半圍合式布局、圍合式布局大0.52、0.97、1.19、1.26 m/s；濱江小區行列式布局風冷溫度日間波動最大，且寒冷程度明顯高于其他建筑布局.廣場和臨江入口處寒冷程度次之，而圍合式布局和半圍合式布局內風冷溫度最高，熱舒適度相對較高.并且對于濱江小區行列式布局，增大建筑間距能夠有效降低布局內部寒冷程度，提高熱舒適度.但臨江側開口設計對布局內部風環境及寒冷程度影響很大.

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ThermalenvironmentofriversideresidentialareasatHarbininwinter

LIU Zheming1, ZHAO Xudong1, 2, JIN Hong1

(1.School of Architecture, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China；2.University of Hull, HU6 7RX, UK)

To study the thermal environment characteristic of the riverside residential areas in severe cold region in winter, field measurements on air temperature and black-bulb temperature have been carried out in riverside residential area and inland residential area of Harbin on typical weather day, then quantitative methods are used to analyze the thermal environment differences in winter between riverside residential area and inland residential area, and the impact of building layout in residential area on thermal environment. Furthermore, human thermal sensation is evaluated according to the wind chill temperature. The results indicate that the thermal environment of riverside residential area is worse than that of inland residential area, and there are significant differences in thermal environment among varied building layout patterns. The mean air temperature of riverside residential area is 2.45 ℃ lower than that of inland residential area, the average black-bulb temperature of riverside residential area is 3.66 ℃ lower, the average wind velocity is 0.48 m/s bigger and the average wind chill temperature is 5.59 ℃ lower. The solar radiation has the maximum effect on raising riverside residential areas’ temperature in winter, the second is buildings’ layout. Row layout pattern has the highest cold degree, followed by the square, and the riverside entrance, enclosing and semi-enclosing layout pattern has the lowest cold degree. Besides, increasing the building interval in the row layout can effectively reduce the cold degree and improve the thermal comfort degree.

severe cold region；riverside residential area；inland residential area；thermal environment；measurement

10.11918/j.issn.0367-6234.201607098

TU113.4

A

0367-6234(2017)10-0164-08

2016-07-25

國家自然科學基金重點項目"嚴寒地區城市微氣候調節原理與設計方法研究"(51438005)

劉哲銘(1988—)，男，博士研究生；

趙旭東(1965—)，男，教授，博士生導師；

金 虹(1963—)，女，教授，博士生導師

金 虹，729443932@qq.com

(編輯張 紅)