洛陽老城十字街夏季熱環(huán)境模擬及規(guī)劃改造策略

肖軼 呂皖豫

摘要：城市街谷的熱環(huán)境質量決定室外人員的活動舒適性，同時也是影響建筑能耗的主要因素。結合洛陽市老城區(qū)的氣候特點，從城市微氣候及熱環(huán)境適應性設計的角度出發(fā)，本文探討街谷形態(tài)與微氣候之間的關系。以洛陽市老城區(qū)十字街街谷為例，對街谷的夏季溫濕度及風熱環(huán)境進行調查實測，分析洛陽老城十字街街谷的夏季微氣候環(huán)境，并基于ENVI-met軟件，對洛陽老城十字街街谷的夏季熱環(huán)境進行模擬，分析模擬數(shù)據(jù)，探究夏季洛陽老城十字街街谷的微氣候環(huán)境問題，通過對比分析街谷在特定時段內，在不同的街道朝向、立面連續(xù)性以及街谷高寬比等要素條件下，街谷內的空氣溫度變化，進而揭示街谷空間形態(tài)要素對于街谷氣候環(huán)境的影響機制?；谇笆鲅芯砍醪娇偨Y出夏季街谷微氣候環(huán)境設計的基本原則，由此進一步針對老城十字街的規(guī)劃改造提出了相應的氣候適應性的規(guī)劃改造策略。

關鍵詞：熱環(huán)境;街道空間形態(tài);模擬分析;設計策略

當前氣候變化問題已經(jīng)被世界各國政府和科學家所共同關注，以變暖為顯著特征的氣候變化正在影響著城市空間環(huán)境，氣候變化問題普遍受到人們的密切關注。研究適應氣候的城市規(guī)劃與設計，能夠將規(guī)劃與氣候相結合，設計出更加宜居的城市居住生態(tài)環(huán)境，同時也是可持續(xù)發(fā)展策略的體現(xiàn)。城市街谷是指兩側有連續(xù)建筑物的相對狹長的街道空間，其所形成的街谷微氣候直接影響著人們的熱舒適度，夏季熱環(huán)境又直接影響著人們的戶外活動空間使用，因此，對街谷的空間形態(tài)與熱環(huán)境狀況間的關系研究十分必要。又基于對歷史街區(qū)更新規(guī)劃研究的需要，本文主要以洛陽歷史街區(qū)的老城十字街為例，對洛陽市夏季城市街谷微氣候有針對性地進行實測與模擬研究，探究洛陽街谷的空間形態(tài)與熱環(huán)境之間的關系，總結并分析其影響因素，進而提出基于街谷微氣候的更新規(guī)劃策略。

1 洛陽老城十字街夏季熱環(huán)境調研實測分析

1.1 模擬地點的選擇

作為洛陽歷史街區(qū)的老城十字街區(qū)，位于北緯N34°40′49.79″，東經(jīng)E112°28′23.88″。其用地功能混合，建筑密集，多為低層民居。內部道路為東西和南北走向，多為窄小的支路，并缺乏足夠的綠化和活動空間，街谷內熱環(huán)境狀況較差，亟需進行研究與改善更新。因此，本次模擬選取洛陽老城十字街的西大街和南大街兩條典型街谷（圖1） 作為熱環(huán)境模擬研究的對象。這兩條道路為傳統(tǒng)商業(yè)街，在空間形態(tài)方面，街谷平面均為一字形，道路鋪地材質主要是青灰色大理石。路兩側多為兩層青磚傳統(tǒng)民居，布局呈圍合式，形成封閉的內向庭院，這種庭院空間的入口大多與街道連通，與建筑的門窗洞口一起分割街谷立面，改變了街谷立面的連續(xù)性。同時，這兩條街谷內綠化種類較單一，綠化稀缺，屏蔽了綠化對于熱環(huán)境的影響。

1.2 洛陽老城十字街區(qū)夏季典型氣象日調查研究

該模擬研究所使用的溫度、風速等氣象數(shù)值選取2015年7月18日數(shù)據(jù)，因為該時間點的氣象數(shù)據(jù)為洛陽市夏季典型氣象日數(shù)據(jù)，該天的空氣溫濕度、風速等氣象數(shù)據(jù)極具代表性。經(jīng)由查閱、整理得到當日各種氣象數(shù)據(jù)，時間從早上8點到下午19點，數(shù)據(jù)詳見下表1：

1.3 模擬軟件及方法

本次模擬時間為2015年7月18日的早上9：00到下午19：00，進行十小時的街谷熱環(huán)境模擬，模擬時間內氣溫為26.5–33.3℃，空氣濕度范圍為45-71%，十米高度的風速為3.2m/s，風向角度為200°。模擬軟件選用ENVI-met，按照老城十字街區(qū)現(xiàn)狀建模，設置好各種參數(shù)進行熱環(huán)境模擬，得出街谷時間段內空氣溫度、濕度、風速等綜合數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)來分析各種街谷空間形態(tài)對熱環(huán)境的影響。

1.4 測點布置

在空間形態(tài)上，本文主要研究在不同的街谷朝向、立面連續(xù)性、街谷高寬比等形態(tài)要素條件下的街谷熱環(huán)境狀況。因此，在老城區(qū)西大街和南大街各選擇10個測點進行模擬分析（圖2）。其中a1、a2、a3、a4、a5測點與b1、b2、b3、b4、b5測點分別位于西大街和南大街。各點街谷空間形態(tài)數(shù)據(jù)如表2所示。

2 洛陽老城十字街夏季街谷熱環(huán)境模擬研究

2.1 街谷朝向

為了研究街谷朝向對街谷熱環(huán)境的影響機制，本文選取西大街的a1和南大街的b1等兩個具有相同建筑高寬比和街谷立面連續(xù)性的，且有不同街谷朝向的對象進行熱環(huán)境模擬。在早九點至晚十九點的時段內，模擬的不同朝向街谷內的空氣溫度變化情況見圖3。

從圖3曲線中可以看出，兩條不同朝向的街谷內空氣溫度變化趨勢大致相同。但是，東西向的a街空氣溫度相對偏低，并且溫度波動的幅度較小。測試點a1的最高溫度是16：00的32.31℃，最低溫度是10：00的26.39℃。b1點的最高溫度也是16：00的33℃，最低溫度是10：00的26.64℃。東西向a街的每個點均比南北向的b街低，兩者間存在著差值，差值的峰值是在14：00達到0.88℃。由溫度變化過程可知，兩者之間存在差值是因為東西向街谷內的建筑會遮擋日照從而形成陰影區(qū)，導致該街谷內相對缺少太陽輻射。雖然在夏季，東西向街谷內不會形成長時間、大面積的遮擋區(qū)，但與南北向街谷相比，依然會受到一定影響，因此，東西向街谷內空氣溫度會相對較低，且溫度波動幅度也較小。圖4為兩測點溫差最大時所形成的熱環(huán)境模擬圖。

這正如Pearlmuttera等在對東西向的緊湊街谷研究后所提出的，在冬季，東西向的街谷會受到陰影影響導致街谷內熱量損失，而南北向街谷在這方面的損失則相對較少。其與本文研究的結論相同。

2.2 立面連續(xù)性

為了研究街谷立面連續(xù)性對于街谷熱環(huán)境的影響機制，本文選取西大街的測點a4、a5以及南大街的測點b4、b5等兩組具有相同的街谷朝向和高寬比（H/W=0.5）的，且有不同立面連續(xù)性的對象進行熱環(huán)境模擬。模擬時間為早九點到晚十九點，測點模型見圖5、圖6。在不同街谷立面連續(xù)性條件下街谷內空氣溫度變化情況見圖7、圖8。

通過將a4和a5、b4和b5的空氣溫度變化曲線對比研究，可以得出在相同的街谷高寬比和朝向條件下，門洞口的測點空氣溫度高于街谷立面連續(xù)的其他測點。測點a4和a5，最大溫差值是在15：00，差值為1.74℃。測點b4和b5的最大溫差值是在14：00，差值為0.69，后者溫差相對較小。圖9為兩測點溫差值最大的時間點熱環(huán)境模擬圖。

由圖中可知，各測點的溫度變化趨勢一致，立面連續(xù)性不完整的a5和b5測點要比連續(xù)性完整的a4和b4測點溫度高。其原因是，相比于立面連續(xù)處的建筑，門洞口處的建筑與外界的接觸面更多，外表面積更大，建筑散熱更加明顯，空氣溫度會相對較高。且由于立面連續(xù)性的差異，也同時導致門洞口處與連續(xù)立面處的風環(huán)境出現(xiàn)差異，這也影響了其熱環(huán)境。正如Shashua—Bar等在對夏季封閉的院落進行熱環(huán)境研究后所指出的，街旁房屋處的空氣溫度要比城市冠層溫度高出許多，差值峰值為3.4℃。即立面連續(xù)性不完整的測點空氣溫度明顯比街谷內其他測點溫度高。

2.3 街谷高寬比

為了研究街谷高寬比對街谷熱環(huán)境的影響機制，本文分別選取西大街的a2、a3以及南大街的b2、b3兩組具有相同街谷朝向、街谷立面連續(xù)性的，且有不同街谷高寬比的對象進行熱環(huán)境模擬，模擬時間為早九點到晚十九點，圖10為高寬比示意圖，圖11，圖12為在不同街谷高寬比下街谷空氣溫度的變化。

從圖中可知，在不同街谷高寬比下，各測點的空氣溫度相差不大，且在時段內溫度變化趨勢大致相同，但高寬比為0.5的街谷內空氣溫度均比高寬比為1.0的街谷內高。街谷高寬比為0.5的測點a2、b2最高溫度分別為32.78℃和32.77℃，街谷高寬比為1.0的測點a3、b3最高溫度分別為32.38℃和32.35℃。同一條街中不同高寬比的a2和a3測點空氣溫度差值的峰值為0.45℃，b2和b3測點空氣溫度差值的峰值為0.55℃。由此可知，當街谷寬度相同時，建筑高度越低，能夠接受到的太陽輻射更多，溫度會更高。所以，高寬比為0.5的街谷比高寬比為1.0的街谷空氣溫度高0.45-0.55℃。趙敬源、Pearlmuttera等也得出了類似的研究結論。圖13為兩測點溫差值最大的時間點熱環(huán)境模擬圖。

此外，將兩條大街對比分析，如圖14所示，可得出南大街的兩個測點空氣溫度比西大街的兩個測點空氣溫度略高一點。這是因為南北向的南大街能夠接受到更多的太陽輻射，使得南大街的空氣溫度率高于西大街。由此可知，除了街谷高寬比對溫度有影響外，街谷朝向也是影響街谷熱環(huán)境的因素之一。建筑高寬比和街谷朝向共同作用，相互制約，共同影響著街谷熱環(huán)境狀況。

3 規(guī)劃設計改造策略

通過實測與模擬，本文分析了街谷的朝向、立面連續(xù)性、高寬比等空間形態(tài)要素對街谷熱環(huán)境影響的作用機制。由于洛陽市夏季高溫持續(xù)時間長，而人們對于老城歷史文化街區(qū)的體驗更多是購物、游玩、娛樂等，戶外活動時間較長，因此，良好的戶外熱環(huán)境是人們所期望的。基于前述研究，針對老城街谷空間熱環(huán)境的改善可以提出對應的規(guī)劃設計改造策略。

3.1 基于街谷朝向的規(guī)劃設計改造

基于街谷朝向對街谷熱環(huán)境存在著直接影響的結論，合理的街谷朝向能夠營造良好、健康的街谷熱環(huán)境。因此，在進行街谷規(guī)劃改造時，要充分考慮街谷朝向因素?？赏ㄟ^對當?shù)匾延邢嗨祁愋偷慕止冗M行模擬研究，從而選擇當?shù)刈罴训慕止瘸虿季?。相比較于南北走向街谷，洛陽市老城十字街東西向的街谷空氣溫度更低。因此，在十字街改造時，應考慮將東西向街谷作為主要景觀街道。創(chuàng)造出更適合夏季出行的老城街谷熱環(huán)境。

3.2 立面連續(xù)性規(guī)劃設計

根據(jù)前述研究得出的立面連續(xù)性對于熱環(huán)境的影響較大。同一街谷內，門洞口處的空氣溫度高于街谷內有連續(xù)立面位置的溫度的結論。在不考慮風環(huán)境條件下，僅考慮立面連續(xù)性對熱環(huán)境的影響，在老城的街道規(guī)劃改造時，不僅要避免形成過長的、單一的街道立面形式，注重街谷界面的分割，還要從整體的角度出發(fā)，維護街谷立面的連續(xù)性，使街谷既擁有良好的空間韻律感，又擁有良好的熱環(huán)境。

3.3 街谷高寬比控制規(guī)劃設計

在傳統(tǒng)的舊城規(guī)劃改造中，主要從城市風貌保護的規(guī)劃視角來關注對街谷高寬比的控制。通過對洛陽老城十字街街谷的模擬分析，可以看出街谷的高寬比對街谷的熱環(huán)境也有著重要影響。在一定范圍內，較高的街谷高寬比能夠產(chǎn)生更多的建筑陰影區(qū)，以減少街谷的太陽輻射，從而相對降低街谷內的空氣溫度。因此，在對老城十字街規(guī)劃改造時，可以適當提高街道的高寬比。在不影響風貌尺度的情況下，改善街谷熱環(huán)境狀況。

4 結論

夏季城市戶外熱環(huán)境狀況決定了城市公共空間的環(huán)境質量以及行人的熱舒適度。因此，本文以洛陽老城十字街的西大街和南大街為例，基于ENVI-met軟件模擬測試了不同街谷空間形態(tài)下洛陽老城夏季城市街谷微氣候的變化，分析了街谷的朝向、立面連續(xù)性、高寬比等空間形態(tài)要素與微氣候要素之間的作用關系。指出街谷的朝向、立面連續(xù)性、高寬比等街谷空間形態(tài)均對街谷熱環(huán)境狀況有著直接的影響作用，并且提出各種街谷空間形態(tài)因素的影響程度與太陽輻射、建筑散熱等有關。進而針對洛陽老城十字街的規(guī)劃改造，初步提出了基于微氣候改善的規(guī)劃設計策略，對改善城市環(huán)境，調節(jié)城市微氣候有著重大意義。（通訊作者：呂皖豫）

參考文獻：

[1] 王祥榮.生態(tài)與環(huán)境——城市可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境調控新論[M].南京：東南大學出版社，2004

[2] 張輝.氣候環(huán)境影響下的城市熱環(huán)境模擬研究——以武漢市漢正街中心城區(qū)熱環(huán)境研究為例[D].武漢：華中科技大學，2006

[3] Pearlmuttera D， Berlinera P， Shavivb E. Integrated modeling of pedestrian energy exchange and thermal comfort in urban street canyons[J]. Building and Environment， 2007（06）.

[4] Shashua-Bar L， Hoffman M E，Tzamir Y. Integrated thermal effects of generic built forms and vegetation on the UCL microclimate[J]. Building and Environment， 2006（03）.

[5] 趙敬源，劉加平.城市街谷綠化的動態(tài)熱效應[J].太陽能學報，2009（08）.

（作者單位：河南科技大學建筑學院）