基于集總參數法的住宅小區室外熱環境優化研究
——以重慶地區為例

蔣超，方小桃，劉茜茜，王怡Jiang Chao,Fang Xiaotao,Liu Qianqian,Wang Yi

（重慶市設計院有限公司，重慶 400015）

0 引言

在我國快速城鎮化的進程中，新建住宅小區如雨后春筍般出現，居住區的規模迅速擴張，由此產生了一系列問題，如城鎮居住區采用大量的瀝青、水泥、屋面等硬質鋪裝，下墊面硬質化，綠化率較低，建筑密度及容積率大，喬木、水體等體量較小等。這些特點使得夏季小區熱環境較為惡劣，導致城市熱島效應加劇[1]。小區熱環境惡化及城市熱島效應加劇成為城鎮化快速發展過程中亟待解決的問題。

為規范城市居住區熱環境設計，改善居住區熱環境，提高居住區環境的熱舒適性[2]，《城市居住區熱環境設計標準》（JGJ 286—2013）于2013年頒布實施。筆者通過梳理相關標準，總結出適用于重慶地區住宅小區熱環境優化設計指標，即提高透水鋪裝比例、提高建筑底層通風架空率、提高場地遮陽覆蓋率、提高屋頂綠化比例、降低場地太陽輻射吸收系數；同時以《城市居住區熱環境設計標準》評價性指標計算方法為依據，采用計算機模擬的方式，研究了重慶地區典型住宅小區室外熱環境和五個設計指標的關系，提出了適用于重慶地區的室外熱環境優化設計方法。

1 基本原理

《城市居住區熱環境設計標準》（JGJ 286—2013）第五章提出了城市居住區室外熱環境評價性設計方法，計算居住區夏季逐時黑球溫度和平均熱島強度。評價性設計采用集總參數法。集總參數模型是建立在熱平衡的基礎上，使用建筑群熱時間常數的方法來計算局部建筑環境的空氣溫度隨外界熱量擾動變化情況的一種方法[3]。

居住區夏季逐時濕球黑球溫度按下列公式進行計算[2]：

居住區夏季平均熱島強度按下列公式進行計算：

重慶地區典型氣象日參數取自《城市居住區熱環境設計標準》附錄A，表A.0.1。

2 研究方法

2.1 模擬法

模擬法采用住區熱環境設計分析軟件PKPM-TED進行建模和熱環境計算，分析住宅小區的逐時濕球黑球溫度和夏季平均熱島強度與各設計指標的關系。住區熱環境設計分析軟件PKPMTED由北京構力科技有限公司（PKPM）自主研發，根據《城市居住區熱環境設計標準》（JGJ 286）給出的集總參數法，快速統計場地各項參數，計算平均熱島強度、濕球黑球溫度等，并自動統計達標情況及可視化效果圖片，輸出可溯源的報告書[4]。

2.2 模擬研究對象

本文在重慶市市區范圍內選取了常見的兩種類型的住宅小區進行模擬研究，案例1為高層住宅小區，案例2為低層住宅小區。項目基本情況如表1所示。

表1 典型住宅小區基本情況

模擬模型如圖1、圖2所示。

圖1 高層住宅小區模型（圖片來源：作者自繪）

圖2 低層住宅小區模型（圖片來源：作者自繪）

2.3 室外熱環境設計指標選取

筆者通過梳理國內相關標準，發現在小區總用地面積、建筑密度、容積率、綠地率等設計因素確定的前提下，改善室外熱環境的設計措施主要有加強自然通風、增加遮陽措施、改善下墊面和增加綠化等四個方面。梳理的標準和涉及的條文如表2所示。

表2 改善室外熱環境設計措施標準條文一覽

上述設計措施中，平均迎風面積比達標為強制性條文[5]，其他都為優化指標。結合重慶本地設計現狀，筆者總結出適用于重慶地區的五個優化設計指標，即提高透水鋪裝比例、提高建筑底層通風架空率、提高場地遮陽覆蓋率、提高屋頂綠化比例、降低場地太陽輻射吸收系數。筆者通過計算機模擬，研究了以上五個設計指標和住宅小區逐時濕球黑球溫度及熱島強度的關系，分析提出了重慶地區的室外熱環境優化設計方法。

2.4 設計指標選取原則

本文采用定量分析方法，在其他設計指標值不變的情況下，通過連續改變單一設計指標值的方法，探尋設計指標對室外熱環境的影響。其中，所有設計指標的基準值，按照現行重慶市地方標準[6]的執行條文要求選取。

3 模擬及結果分析

利用第二章所述的模擬方法，對選取的典型住宅小區進行模擬，可得到不同設計指標與住宅小區逐時濕球黑球溫度和熱島強度的定量關系。

3.1 透水鋪裝比例

在其他設計指標相同的情況下，使場地透水鋪裝比例從50%到90%進行變化，模擬得到逐時濕球黑球溫度和熱島強度分布曲線，如圖3—圖6所示。透水鋪裝比例每提高10%，案例1熱島強度降低0.02℃，案例2熱島強度降低0.008℃。熱島強度下降趨勢不明顯。

圖3 案例1逐時濕球黑球溫度分布圖

圖6 案例2逐時熱島強度分布圖

圖4 案例2逐時濕球黑球溫度分布圖

圖5 案例1逐時熱島強度分布圖

3.2 建筑底層通風架空率

在其他設計指標相同的情況下，場地底層通風架空率從0到40%進行變化，模擬得到逐時濕球黑球溫度和熱島強度分布曲線，如圖7—圖10所示。建筑底層通風架空率每增加10%，案例1熱島強度降低0.06℃，案例2熱島強度降低0.02℃，有下降趨勢，但下降趨勢不明顯。

圖7 案例1逐時濕球黑球溫度分布圖

圖8 案例2逐時濕球黑球溫度分布圖

圖9 案例1逐時熱島強度分布圖

圖10 案例2逐時熱島強度分布圖

3.3 場地遮陽覆蓋率

在其他設計指標相同的情況下，使場地遮陽設置比例從10%到50%進行變化，模擬得到逐時濕球黑球溫度和熱島強度分布曲線，如圖11—圖14所示。場地遮陽設置比例每增加10%，案例1熱島強度降低0.14℃，案例2熱島強度降低0.04℃，有一定下降。

圖11 案例1逐時濕球黑球溫度分布圖

圖14 案例2逐時熱島強度分布圖

圖12 案例2逐時濕球黑球溫度分布圖

圖13 案例1逐時熱島強度分布圖

3.4 屋頂綠化比例

在其他設計指標相同的情況下，使場地屋頂綠化設置比例從0到40%進行變化，模擬得到逐時濕球黑球溫度和熱島強度分布曲線如圖15—圖18所示。屋頂綠化設置比例每增加10%，案例1熱島強度降低0.03℃，案例2熱島強度降低0.02℃，有一定下降趨勢，但下降趨勢不明顯。

圖15 案例1逐時濕球黑球溫度分布圖

圖16 案例2逐時濕球黑球溫度分布圖

圖17 案例1逐時熱島強度分布圖

圖18 案例2逐時熱島強度分布圖

3.5 場地太陽輻射吸收系數

在其他設計指標相同的情況下，使場地太陽輻射吸收系數設置比例從0.4到0.8進行變化，模擬得到逐時濕球黑球溫度和熱島強度分布曲線如圖19—圖22所示。場地太陽輻射吸收系數每降低0.1，案例1熱島強度降低0.29℃，案例2熱島強度降低0.08℃，有較明顯的下降趨勢。

圖19 案例1逐時濕球黑球溫度分布圖

圖22 案例2逐時熱島強度分布圖

圖20 案例2逐時濕球黑球溫度分布圖

圖21 案例1逐時熱島強度分布圖

4 總結及討論

從數據分布圖和數據分析中看出，以上設計指標中，降低場地太陽輻射吸收系數對改善住宅小區室外熱環境、降低熱島強度效果最好，其次是提高場地遮陽覆蓋率，提高透水鋪裝比例、提高屋頂綠化比例及建筑底層通風架空率對改善重慶住宅小區室外熱環境、降低熱島強度效果不明顯。

在五個優化指標中，每提升10%或降低0.1，熱島效應降低明顯程度從高到低排序為：降低場地太陽輻射吸收系數＞提高場地遮陽覆蓋率＞提高底層通風架空率＞提高屋頂綠化比例＞提高透水鋪裝比例。這是因為，重慶市夏季太陽輻射量較高，通過降低場地的太陽輻射吸收量能較好地改善室外熱環境，因此，降低場地太陽輻射吸收系數和提高場地遮陽比例的效果相對較好，而屋面綠化雖然可以降低城市級別的熱島效應[7]，但對于居住區人行活動場地的熱環境改善效果有限。重慶市夏季室外風速不高，因此，采用提高底層通風架空率來增加場地通風的方式對降低場地熱島效應效果也不明顯。由于透水鋪裝降低熱島效應的效果主要體現在下雨后或進行道路澆灑后，蒸發冷卻效果顯著[8]，但模型中并不能反映這一過程，因此在計算中幾乎沒有降低熱島效應的效果。

綜上所述，在重慶市工程設計時，應優先考慮采用太陽輻射吸收系數小于0.4的淺色鋪裝、涂刷高反射涂層等方式降低場地太陽輻射吸收量[8]，并設置足夠的綠化遮陽或構筑物遮陽設施；其次，根據重慶夏季多雨的特點，應采用透水鋪裝，發揮其在雨后改善室外熱環境的作用；最后，宜配合采用局部架空的手法，加強場地通風，增加屋面綠化，進一步改善室外熱環境，降低熱島效應。