國際城市綠色空間熱環(huán)境相關(guān)標準比較?

周 越 鮑沁星 張敏霞

浙江農(nóng)林大學風景園林與建筑學院 杭州 311300

近半世紀以來,隨著全球城市規(guī)模擴張、人口增長,城市熱島效應(yīng)已經(jīng)成為嚴重的生態(tài)問題之一,并逐步危害人類生活[1]。 炎熱氣候?qū)е虏糠旨膊“l(fā)生率升高,例如2003 年在歐洲發(fā)生的熱浪導(dǎo)致約4 萬人死亡[2];我國北京、杭州等地區(qū)因夏季連續(xù)高溫使人極度不適而被稱作“火爐”,其城市熱島面積呈現(xiàn)逐年增加趨勢且受影響范圍不斷擴張[3-4]。 熱島效應(yīng)會降低暖通空調(diào)系統(tǒng)在夏季的能量轉(zhuǎn)換效率[5],引起資源浪費、損害社會效益。因此,改善城市熱環(huán)境需引起重視。

城市熱環(huán)境[6]是由外部氣候、城市結(jié)構(gòu)及下墊面、藍綠空間等要素與氣候因子相互影響而形成的特殊環(huán)境。 城市綠色空間主要以公園綠地、宅旁綠地、道路及屋頂綠化等形式存在,大量研究證實其具有降低周圍氣溫、調(diào)節(jié)城市熱環(huán)境功能。 綠地中的植物通過光合作用、蒸騰與蒸散作用顯著降低地表溫度,植物結(jié)構(gòu)豐富的綠地降溫效果佳,空間三維綠量越大其內(nèi)部溫度就越低[7];水體能有效調(diào)節(jié)相對濕度,其熱輻射能力相對城市建筑表面也小得多,儲熱能力強,面積較大的水體會形成局地小氣候和局地環(huán)流改變熱量傳輸方式[8-9];空間結(jié)構(gòu)布置能阻擋并減少到達人群活動范圍內(nèi)的太陽輻射,降低地表溫度,同時也能改變空氣流通路徑、調(diào)節(jié)通風,避免形成渦流、風口等[10];此外,鋪裝等其他景觀要素也能影響空間熱環(huán)境。

我國現(xiàn)行城市綠地相關(guān)標準中缺少針對熱環(huán)境的規(guī)范, 亟待一套完善科學的標準為設(shè)計者提供現(xiàn)實指導(dǎo)。 因此, 筆者以風景園林視角,梳理并比較國內(nèi)外城市綠色空間熱環(huán)境相關(guān)標準規(guī)范與評估條例, 基于現(xiàn)階段我國城市綠地熱環(huán)境的研究, 指出標準制定的注意點和未來研究方向, 以期為中國城市綠地熱環(huán)境標準的制定提供內(nèi)容層面的參考性啟示。

1 相關(guān)熱環(huán)境標準特點概述

我國現(xiàn)行熱環(huán)境標準有居住區(qū)熱環(huán)境標準和室內(nèi)熱環(huán)境標準, 后者與城市綠色空間相差甚遠故不做討論。 建筑、 城市規(guī)劃等領(lǐng)域?qū)岘h(huán)境研究起步較早, 歐、 美、 日等發(fā)達國家的標準均值得借鑒。 國際上涉及熱環(huán)境且空間尺度與城市綠地相似的標準主要集中于風景園林可持續(xù)和綠色建筑兩大評估體系中(表1)。 綠色建筑評估標準中的熱環(huán)境規(guī)范主要針對建筑周邊綠地, 但在城市綠地中的建筑也不可缺少,商業(yè)建筑、 公共建筑的附屬綠地與城市綠地環(huán)境極為相似, 其標準一般可直接應(yīng)用。

表1 相關(guān)熱環(huán)境標準總覽

1.1 熱環(huán)境設(shè)計標準

居住區(qū)熱環(huán)境標準的制定目的是為了規(guī)范城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計, 改善居住區(qū)熱環(huán)境,提高居住區(qū)環(huán)境的熱舒適性, 降低建筑能耗[11]。我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2013 年頒布的《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標準》 (JGJ 286-2013), 是綜合戶外熱環(huán)境研究、 綠色理念與我國各地氣象參數(shù)等條件編制而成。 該標準要求居住區(qū)采取規(guī)定性設(shè)計或評價性設(shè)計, 其中, 規(guī)定性設(shè)計含通風、 遮陽、 滲透與蒸發(fā)、 綠地與綠化4個方面; 評價性設(shè)計采取WBGT 熱指數(shù)和平均熱島強度計算公式, 使抽象的熱環(huán)境指標更直觀和具體地表達, 對未來項目的規(guī)劃設(shè)計具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1.2 風景園林可持續(xù)評估體系中的熱環(huán)境標準

目前我國尚未制定可持續(xù)性風景園林評估標準, 而美、 英等國已形成一系列比較完善的以“可持續(xù)” 作為核心理念的風景園林評估體系。 美國可持續(xù)場地倡議(The Sustainable Sites Initiative, SITES) 用以界定和強調(diào)場地開發(fā)的可持續(xù)性, 衡量景觀績效, 評估環(huán)境、 經(jīng)濟和社會效益[12], 其中包括為降低城市熱島效應(yīng)制定的熱環(huán)境設(shè)計標準[13]。 英國的景觀特征評估(Landscape Character Assessment, LCA) 是一個鑒別與描述景觀特征變化并運用此信息協(xié)助管理的過程[14], 其中包含環(huán)境影響評價, 強調(diào)景觀應(yīng)注重局部氣候的調(diào)節(jié)[15]。 國外針對場地或社區(qū)的可持續(xù)性評估體系也得到了廣泛應(yīng)用,其中涉及的建筑室外環(huán)境標準大多可直接被應(yīng)用于風景園林尺度[16], 如BREEAM-Communities[17]、GSC-Communities[18]、 STAR-Communities[19], 都 從不同側(cè)重點提供豐富的指標體系及評測依據(jù),這些評估體系均將“減緩城市熱島效應(yīng)” 作為衡量設(shè)計的一條重要標準。

1.3 綠色建筑評估體系中的熱環(huán)境標準

我國《綠色建筑評價標準》 將室外熱環(huán)境列入測評, 新增“采取措施降低熱島強度, 提高環(huán)境舒適度[20]” 等條例, 并給出日照、 遮陽、 通 風、 綠 量 等 設(shè) 計 指 標。 美 國 LEED(Leadership in Energy and Environmental Design,能源與環(huán)境設(shè)計先鋒) 是目前應(yīng)用最廣泛的綠色建筑評估體系, 在《建筑設(shè)計施工》 《住宅》[21]等分冊中均含熱環(huán)境設(shè)計條例。 日本CASBEE (Comprehensive Assessment System for Building Environmental Efficiency, 建筑物綜合環(huán)境性能評價體系) 從環(huán)境品質(zhì)和環(huán)境負荷兩個方面對建筑物進行綜合評價[22], 在設(shè)計中充分考慮建筑外環(huán)境對周邊的影響, 對通風環(huán)境、綠色面積等都列出具體規(guī)范[23]。 此外, BREEAM[24]、 DGNB[25]、 BCA Green Mark[26]、 GSC[27]等世界先進綠色建筑評估體系中也含有針對綠色空間熱環(huán)境的標準。

2 相關(guān)熱環(huán)境標準系統(tǒng)剖析

2.1 制定目的

風景園林可持續(xù)評估體系、《LEED》 和《GSC》中熱環(huán)境標準制定的目的是營造舒適的局部空間微氣候, 改善不合理設(shè)計造成的過熱過寒、 不良通風等, 提升舒適度。 宏觀層面上是為了緩解城市熱島效應(yīng)以適應(yīng)氣候變化, 合理的熱環(huán)境設(shè)計還能惠及周邊區(qū)域, 城市中的綠色空間能夠?qū)φ麄€城市起到冷卻效果, 在炎熱氣候下效果尤為明顯[28]。 居住區(qū)熱環(huán)境和綠色建筑標準更多地把提升人居環(huán)境質(zhì)量作為出發(fā)點, 增加戶外活動頻率和時長以保證身心健康。 《SITES》 《DGNB》 等標準也融合其他可持續(xù)發(fā)展理念, 強調(diào)生態(tài)平衡。

2.2 主要內(nèi)容

2.2.1 涉及要素

綠地內(nèi)地形、 水體、 植物等布置會影響空間氣溫、 相對濕度、 太陽輻射和風速等從而決定空間熱環(huán)境舒適度, 熱環(huán)境標準通過限制各景觀要素調(diào)節(jié)局部小氣候。 《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標準》 將所有標準分為通風、 遮陽、 滲透與蒸發(fā)、 綠地與綠化4 類。 通風能夠調(diào)節(jié)溫度、濕度, 促進空氣流通; 遮陽主要原理即阻擋與反射, 可以防止建筑物和地面因太陽輻射產(chǎn)生的熱量積聚, 屋頂和建筑外表面選取高反射率的材料以減少熱輻射影響; 表面裝飾材料滲透性會影響環(huán)境濕度, 設(shè)置水體或人工霧化裝置能有效調(diào)節(jié)環(huán)境濕度; 植物通過遮蔭與蒸騰作用調(diào)節(jié)場地溫濕度, 其群落結(jié)構(gòu)與覆蓋度直接決定小氣候調(diào)節(jié)程度。 本文參照此分類對所有標準進行了系統(tǒng)梳理。

《BREEAM-Communities》和《CASBEE》中的標準包含整個4 大類別;《GSC-Communities》和《BCA-Green Mark》提及其中3 項,二者均未制定“通風”標準;其余標準都只規(guī)范了其中的1 項或者2 項;《LCA》《Star-communities》和《BREEAM》只提及“考慮場地小氣候”并未提出具體的措施(表2)。 此外,通過對比發(fā)現(xiàn)風景園林可持續(xù)評估標準大多對“綠地和綠化”有所要求,而綠色建筑評估標準對“遮陽”更為重視,體現(xiàn)了不同領(lǐng)域的側(cè)重點。 從數(shù)量分布結(jié)果可知,占比最高的是“遮陽”(37%),其次是“綠地與綠化”(21%)和“通風”(19%),“滲透與蒸發(fā)”(12%)在4 個要素中最低,其他占比11%,此結(jié)果在一定程度上反映了控制“遮陽”對改善熱環(huán)境更為有效。

表2 各熱環(huán)境標準類目及指標數(shù)量

2.2.2 定量化指標

不同標準中針對同一熱環(huán)境要素衡量的定量指標也有所不同(表3)。 通風條件在各標準中涉及的量化指標較少,可分為直接指標和間接指標。 直接指標是風環(huán)境本身屬性,如風速、風壓差,我國《綠色建筑評價標準》中提及“人行區(qū)距地高1.5 m 處風速小于5 m/s[20]”;間接指標是針對影響風環(huán)境的外界因素,例如迎風面積、建筑退縮尺度、建筑間距指數(shù)等,建筑物高度、間距等條件通過改變局部風向與風速避免形成強對流、渦流等。

表3 各熱環(huán)境標準中的量化指標

建筑物和景觀下墊面所用材料的光學和熱學特性與城市氣候和外界溫度系統(tǒng)有著密切關(guān)系[29], 他們吸收太陽輻射, 并通過對流和輻射把積累的熱量釋放到空氣中, 從而導(dǎo)致環(huán)境溫度上升[30]。 多數(shù)西方國家都在遮陽標準中規(guī)定表面材料的太陽反射指數(shù)(SRI) 和整體太陽反射率(SR), 如《LEED》 中規(guī)定“場地鋪裝材料初始SR 值至少為0.33[21]”。

地面材料的滲透性能和水體蒸發(fā)能夠調(diào)節(jié)熱環(huán)境中的溫濕度, 其涉及的量化指標主要有滲透面積比率、 地面透水系數(shù)、 蒸發(fā)量等。 綠化量化指標比較常見的有綠地率、 綠化面積、綠化3D 體積等。

2.2.3 時間與空間維度

時間維度上, 《SITES》《LEED》和《DGNB》等評估標準除了規(guī)定項目初始規(guī)劃設(shè)計指標之外,還涉及運營維護的周期性內(nèi)容,如《SITES》的“3 年后建筑遮蔭結(jié)構(gòu)的SR 值至少為0.28[13]”;《DGNB》中對綠化項目要求“至少保證2 年的增長與設(shè)計計劃一致[25]”。 《中國綠色建筑評估標準》和《BREEAM-Communities》在標準設(shè)置上考慮到季節(jié)變化導(dǎo)致不同的氣候,提出“夏季提供遮陽、降溫和防眩光;冬季防風雨[20]”“使用落葉樹來提供夏季遮蔭[17]”等要求。 制定具有時效性的標準與創(chuàng)新類指標的目的是為可持續(xù)性的長效控制和管理建立長期維持的機制。

空間維度上,各體系指標不僅針對場地尺度,還涵蓋小到材料、大到全球氣候的尺度。 全球尺度如《GSC-Communities》指出“將應(yīng)對全球氣候變化的戰(zhàn)略納入設(shè)計[19]”等;場地尺度指標對場地外環(huán)境的影響也同樣關(guān)注,如《SITES》提到“改善氣候條件包括對當?shù)貧夂蛘{(diào)節(jié)[13]”、《BREEAM-Communities》中“鼓勵增強小氣候條件的設(shè)計造福社區(qū)環(huán)境[17]”;細節(jié)尺度更是涉及建筑材料的限定,如《CASBEE》建議“使用不容易升溫的鋪裝材料[23]”和《BREEAM》的“運用低影響材料[24]”等。

2.3 衡定依據(jù)

1) 現(xiàn)行標準和法規(guī)。 在以上熱環(huán)境標準中,《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標準》 《SITES》 《Star-Communities》 《LEED》 《中國綠色建筑評估標準》 都提出了評估的先決條件, 《BREEAM》 提出了強制性標準。 這些指標提出的依據(jù)主要來自國家及地區(qū)頒布的強制性標準和法規(guī), 遵守滿足這些標準是必要的前提條件。

2) 相關(guān)學會或機構(gòu)研究支撐。 在現(xiàn)行相關(guān)標準或法規(guī)條例空缺情況下,需要通過相關(guān)研究確認衡量標準,我國《城市居住區(qū)熱環(huán)境標準》中的一部分技術(shù)性內(nèi)容由華南理工大學建筑節(jié)能研究中心負責;《SITES》《LEED》《Star-Communities》常常引用美國實驗材料學會(ASTM)、美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(ASHRAE)、美國土木工程師學會(ASCE)和美國國家標準學會(ANSI)等的研究成果[16],而當針對同一指標的兩個標準不一致時,均要求選擇其中更嚴格的標準來執(zhí)行。 另外,支撐指標的第三方機構(gòu)的評價或認證也可以作為衡量依據(jù),如《SITES》中的“選用擁有環(huán)保產(chǎn)品聲明的材料[13]”等。

3) 實地監(jiān)測與實驗?zāi)M結(jié)果。 標準制定部門根據(jù)附近氣象站、 區(qū)域氣象熱力監(jiān)測局等提供的數(shù)據(jù)資料, 組織有關(guān)部門對場地進行一段時期監(jiān)測獲得氣候、 地形數(shù)據(jù)等確定具體的量化指標, 如我國居住區(qū)熱環(huán)境標準數(shù)據(jù)來源于氣象局提供的各省夏季典型氣象日氣象參數(shù)[11]。在實際測量較難實現(xiàn)的情況下, 可基于設(shè)計數(shù)據(jù)建立計算模型或算法公式進行模擬實驗獲得參照數(shù)據(jù)。 《GSC》 《DGNB》 通過建立自適應(yīng)方法、 熱舒適性模型, 利用高精計算機軟件模擬真實環(huán)境, 有效地節(jié)省人力、 財力, 多次計算還有利于規(guī)劃設(shè)計參數(shù)對城市熱環(huán)境的影響,為標準的制定提供可靠的參考依據(jù)。

3 啟示與展望

1) 城市綠地熱環(huán)境設(shè)計標準制定確有必要。制定城市綠地熱環(huán)境標準不但是對設(shè)計層面的完善, 更是出于對人群健康福祉的考慮。 城市綠地是城市中最典型、 與人互動頻率最高的綠色空間, 舒適的環(huán)境會使人身心愉悅, 預(yù)防疾病、 保障健康[31]。 利用熱環(huán)境設(shè)計標準指導(dǎo)設(shè)計, 不但能使空間小氣候適宜, 還能調(diào)節(jié)城市氣候、 有效緩解熱島效應(yīng)、 降低城市能耗、 符合可持續(xù)發(fā)展理念。

2) 要充分認識我國城市綠地特點。 對我國城市綠地類型、 規(guī)模面積、 分布特點等進行系統(tǒng)分析, 并將它們作為標準制定的依據(jù), 分區(qū)域、 分類型、 分限制條件地指導(dǎo)我國城市綠地熱環(huán)境標準的制定與實際應(yīng)用。 分區(qū)上, 我國國土廣袤、 地形豐富, 不同地理位置氣候條件差異較大, 在制定標準時應(yīng)分建筑氣候區(qū)和季節(jié)變化作相應(yīng)調(diào)整; 分類上, 根據(jù)不同空間類型和附屬環(huán)境細化標準和相應(yīng)措施, 以提高實用性; 此外, 還需根據(jù)地區(qū)政策、 人文條件等作相應(yīng)變化。 歐美等國在氣候地理、 政治文化等方面與我國存在本質(zhì)差別, 其標準值得借鑒,但實際應(yīng)用時需以我國實情為必要前提。

3) 應(yīng)將熱環(huán)境研究成果引入標準制定。 標準制定基于大量的科學研究, 應(yīng)將國內(nèi)外學者對我國城市綠地熱環(huán)境的研究成果合理應(yīng)用以保證標準的科學性。 標準制定關(guān)鍵在于指標體系的構(gòu)建, 如何確定合適的指標以及部分尚不成熟或無條件量化的指標如何納入未來體系中具有逐步調(diào)整的空間。 國內(nèi)相關(guān)標準中評價指標所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較為缺乏, 包括對相關(guān)指標的監(jiān)測、 數(shù)據(jù)的來源、 獲取方式等均會影響數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建, 這是未來研究重點。 應(yīng)鼓勵新技術(shù)應(yīng)用于評價標準中, 尤其在過程反饋等環(huán)節(jié)。

中國對于城市綠地熱環(huán)境標準研究尚在起步階段, 筆者主要通過對比國際城市綠色空間相關(guān)熱環(huán)境標準, 結(jié)合我國實際情況就標準的制定問題提出了一些關(guān)鍵點和未來研究方向供相關(guān)專家學者討論。