小區建筑布局對室外熱環境影響的模擬研究★

莫海蘭，曹林森，覃栩玥

(江蘇師范大學地理測繪與城鄉規劃學院,江蘇 徐州 221116)

0 引言

小區室外熱環境對城市居民的室外活動舒適性體驗有重要影響。小區建筑布局形式是影響室外熱環境的主要因素之一,國內對此展開了一系列研究。如胡春景等[1]模擬分析了天津市在夏季典型日不同的建筑形態和布局形式的室外熱環境,發現總建筑面積相同時,塔式建筑小區風環境優于板式建筑,板式建筑小區平均溫度和UTCI值均低于塔式建筑;張永益等[2]分析了嚴寒地區大慶市不同類型的建筑布局的室外微環境狀況,發現分散式布局方式可以獲得較好的微氣候效應;Yingjie Jiang等[3]運用ENVI-met模擬分析了武漢市6種典型的住宅建筑布局室外風和熱環境之間的關系,提出武漢市氣候條件下的小區建筑布局策略;李晗等[4]通過對青島市3種小 區建筑布局形式進行熱環境模擬,發現圍合式和行列式相較于點群式的熱島效應更明顯。Qing Li等[5]從建筑布局、容積率與建筑密度的要素運用CFD軟件模擬分析不同要素對住宅小區夏季室外熱環境的影響且得到兩者的相關性。

我國國土遼闊,不同地區和氣候區之間的氣象條件差異較大,對于小區建筑布局的微氣候適應性設計,有必要對各地區、各氣候區進行針對性探討。為探討徐州地區氣象條件下小區建筑布局形式對室外微氣候及熱舒適的影響,本文在提取四種常見小區建筑布局形式的基礎上,運用ENVI-met軟件對其進行熱環境模擬,分析對比各布局形式對微氣候及熱舒適的影響,以期為徐州市居住小區的建筑布局規劃提供參考。

1 研究區域及方法

1.1 研究區域

徐州(34°15″W,117°11″E)位于華北平原東南部、江蘇省西北部,屬溫帶季風氣候,四季分明,夏季高溫多雨,冬季寒潮頻襲,年氣溫14 ℃。徐州處于夏熱冬冷和寒冷地區的交界處,根據相關數據,該地氣候兼有寒冷地區與冬冷夏熱地區的特點,即“夏季最高溫度接近40 ℃,平均濕度為80%,冬季溫度接近-10 ℃,平均濕度為74%”。

1.2 建筑布局提取

利用Google map獲取徐州市居住小區的衛星影像,對既有的小區建筑布局形式進行分類,根據住宅小區室外活動空間分布的不同劃分為四種基本的類型,主要包括集中式、錯列式、行列式和分散式(見表1)。

表1 徐州市居住小區分類及測點位置

1.3 模擬方法

ENVI-met軟件在微氣候領域的模擬應用已經得到很多學者的驗證[6]。本研究利用ENVI-met軟件模擬場地的空氣溫度、風速、濕度等微氣候效應。在ENVI-met4豎直方向網格劃分方式中選取等距網格,設置5個嵌套網格,分別建立300 m×300 m的四種常見居住小區的模型。模擬區域的網格數為60×60×8,分辨率為dx=5 m,dy=5 m,dz=5 m。區域內部單體建筑體量為60 m×15 m,東西間距為15 m,南北間距為36 m,建筑高度為33 m。根據徐州市歷年氣候數據,設置模擬日期及微氣候參數為2022年6月15日,風速2.80 m/s,風向126°,初始溫度為21.2 ℃,最高溫度為31.4 ℃,相對濕度設置夏季時段平均估值60%～80%;地面粗糙度系數選取系統默認值0.1,輸出時間為下午14:00,高度為1.5 m。在每種布局形式的相同位置設定12個測試點(見表1),提取各測點的氣候模擬數值并進行對比分析。

2 模擬結果與分析

2.1 空氣溫度

4種布局形式空氣溫度模擬結果如圖1所示,可見小區空氣溫度主要集中在28.5 ℃～29.0 ℃之間。受風向及建筑陰影影響,小區整體東南空氣溫度高,西北空氣溫度低。錯列式與行列式布局條件下,空氣溫度分布較為平均;集中式和分散式布局條件下,在場地空白區域形成較為明顯的高溫區域。

小區各測點的平均空氣溫度對比結果如圖2所示,可見空氣溫度最低的為行列式,最高的為錯列式,但兩者僅相差0.04 ℃。由此可知4種布局條件下各測點的空氣溫度均值幾乎沒有差異。

2.2 風速

4種布局形式風速模擬結果如圖3所示,可見建筑及其布局方式對小區風速影響效果明顯。由于文氏效應,4種類型的最大風速均出現在住宅小區的東側和主導風向的上方向。由于峽口效應,集中式和分散式在室外活動區域的東南-西北角同樣出現較大面積的高風速區域。從整體上看,行列式高風速區域面積最小。

小區各測點的平均風速對比結果如圖4所示,可見不同布局條件下風速差異較為明顯,其中錯列式風速最高,約為3.5 m/s;行列式風速最低,約為2.7 m/s,兩者差值約為0.8 m/s。由此可知小區建筑布局對風速影響較為明顯。

2.3 相對濕度

4種布局形式空氣濕度模擬結果如圖5所示,可見濕度主要集中在61.4%～62.8%之間。同樣受風向及建筑陰影影響,整體東南空氣濕度高,西北空氣濕度低。錯列式與行列式布局條件下,空氣濕度分布較為平均;集中式和分散式條件下,在場地空白區域濕度較高。

小區各測點的平均濕度對比結果如圖6所示,可見集中式空氣濕度最低,行列式空氣濕度最高,但兩者僅相差0.08%,由此可知4種布局條件下各測點的空氣濕度均值幾乎沒有差異。

2.4 熱舒適指數PET

目前,評估戶外熱舒適的指標以基于人體能量平衡的機理指標為主,常用指標有預測平均投票(PMV)、生理等效溫度(PET)、標準有效溫度(SET*)和通用熱氣候指數(UTCI)。其中PET除了考慮空氣溫度、相對濕度、風速、平均輻射溫度等氣象參數,同時還關注人的活動產熱、新陳代謝率、服裝熱阻等個體參數,具有一定優勢。本文選取PET指數來綜合闡述室外微氣候對人體熱舒適的影響。表2給出了PET評價區間。

表2 PET指標的熱感覺溫度區間

從4種布局形式的14:00時PET分布圖(如圖7所示)可以看出,熱舒適PET值主要集中在34.04 ℃～46.36 ℃之間。由于建筑對光照的遮擋,建筑陰影處形成明顯的低PET值區域。同理由于建筑對風速的影響,建筑下風口方向形成高PET值區域。集中式和分散式的空白活動區域東北-西南方向形成高PET值區域。整體來看,錯列式低PET值區域面積高于其他布局形式。

由4種布局各測點的PET均值對比圖(如圖8所示)可見,錯列式PET值為38.21 ℃,明顯低于其他布局形式。行列式和分散式PET均值最高,且差距不大。結合前文分析結果可知,錯列式布局形式對風速的影響,是其可以獲得較好熱舒適的主要原因。

2.5 白天PET值對比

為進一步分析建筑布局對小區PET值的影響,模擬并計算白天9:00～17:00時4種建筑布局各測點的PET均值,結果如表3,圖9所示。可見整體上,錯列式布局條件下PET均值較低,分散式和行列式PET均值較高且差異不明顯。由此可知建筑布局形式對PET影響在白天并不受時間的影響,錯列式一直可以獲得較好的熱舒適體驗。

表3 9:00～17:00時各個測點的PET平均值 ℃

3 結論與討論

本文提取溫帶地區徐州市4種小區基本建筑布局形式,通過ENVI-met軟件模擬特定時間不同類型小區的室外微氣候及熱舒適狀況,經比較分析得出如下結論:

1)4種小區建筑布局條件下,小區風速差異明顯,其中錯列式風速明顯高于其他布局形式。小區空氣溫度和濕度差異較小;2)就熱舒適PET而言,錯列式整體PET值最低,可以獲得較好的熱舒適,且不受時間的影響;3)風速是導致不同布局條件熱舒適差異的主要原因。因此,建議在居住小區建筑布局規劃時,多考慮錯列式布局形式,以提高小區的熱舒適度。

本文研究未考慮綠化對小區局部氣候的影響,而且模型較為簡單,未考慮不同層高、多類建筑混合的空間布局形式,這在今后的研究中將進一步完善。