洛阳老城十字街夏季热环境模拟及规划改造策略

肖轶 吕皖豫

摘要：城市街谷的热环境质量决定室外人员的活动舒适性，同时也是影响建筑能耗的主要因素。结合洛阳市老城区的气候特点，从城市微气候及热环境适应性设计的角度出发，本文探讨街谷形态与微气候之间的关系。以洛阳市老城区十字街街谷为例，对街谷的夏季温湿度及风热环境进行调查实测，分析洛阳老城十字街街谷的夏季微气候环境，并基于ENVI-met软件，对洛阳老城十字街街谷的夏季热环境进行模拟，分析模拟数据，探究夏季洛阳老城十字街街谷的微气候环境问题，通过对比分析街谷在特定时段内，在不同的街道朝向、立面连续性以及街谷高宽比等要素条件下，街谷内的空气温度变化，进而揭示街谷空间形态要素对于街谷气候环境的影响机制。基于前述研究初步总结出夏季街谷微气候环境设计的基本原则，由此进一步针对老城十字街的规划改造提出了相应的气候适应性的规划改造策略。

关键词：热环境;街道空间形态;模拟分析;设计策略

当前气候变化问题已经被世界各国政府和科学家所共同关注，以变暖为显著特征的气候变化正在影响着城市空间环境，气候变化问题普遍受到人们的密切关注。研究适应气候的城市规划与设计，能够将规划与气候相结合，设计出更加宜居的城市居住生态环境，同时也是可持续发展策略的体现。城市街谷是指两侧有连续建筑物的相对狭长的街道空间，其所形成的街谷微气候直接影响着人们的热舒适度，夏季热环境又直接影响着人们的户外活动空间使用，因此，对街谷的空间形态与热环境状况间的关系研究十分必要。又基于对历史街区更新规划研究的需要，本文主要以洛阳历史街区的老城十字街为例，对洛阳市夏季城市街谷微气候有针对性地进行实测与模拟研究，探究洛阳街谷的空间形态与热环境之间的关系，总结并分析其影响因素，进而提出基于街谷微气候的更新规划策略。

1 洛阳老城十字街夏季热环境调研实测分析

1.1 模拟地点的选择

作为洛阳历史街区的老城十字街区，位于北纬N34°40′49.79″，东经E112°28′23.88″。其用地功能混合，建筑密集，多为低层民居。内部道路为东西和南北走向，多为窄小的支路，并缺乏足够的绿化和活动空间，街谷内热环境状况较差，亟需进行研究与改善更新。因此，本次模拟选取洛阳老城十字街的西大街和南大街两条典型街谷（图1） 作为热环境模拟研究的对象。这两条道路为传统商业街，在空间形态方面，街谷平面均为一字形，道路铺地材质主要是青灰色大理石。路两侧多为两层青砖传统民居，布局呈围合式，形成封闭的内向庭院，这种庭院空间的入口大多与街道连通，与建筑的门窗洞口一起分割街谷立面，改变了街谷立面的连续性。同时，这两条街谷内绿化种类较单一，绿化稀缺，屏蔽了绿化对于热环境的影响。

1.2 洛阳老城十字街区夏季典型气象日调查研究

该模拟研究所使用的温度、风速等气象数值选取2015年7月18日数据，因为该时间点的气象数据为洛阳市夏季典型气象日数据，该天的空气温湿度、风速等气象数据极具代表性。经由查阅、整理得到当日各种气象数据，时间从早上8点到下午19点，数据详见下表1：

1.3 模拟软件及方法

本次模拟时间为2015年7月18日的早上9：00到下午19：00，进行十小时的街谷热环境模拟，模拟时间内气温为26.5–33.3℃，空气湿度范围为45-71%，十米高度的风速为3.2m/s，风向角度为200°。模拟软件选用ENVI-met，按照老城十字街区现状建模，设置好各种参数进行热环境模拟，得出街谷时间段内空气温度、湿度、风速等综合数据，根据数据来分析各种街谷空间形态对热环境的影响。

1.4 测点布置

在空间形态上，本文主要研究在不同的街谷朝向、立面连续性、街谷高宽比等形态要素条件下的街谷热环境状况。因此，在老城区西大街和南大街各选择10个测点进行模拟分析（图2）。其中a1、a2、a3、a4、a5测点与b1、b2、b3、b4、b5测点分别位于西大街和南大街。各点街谷空间形态数据如表2所示。

2 洛阳老城十字街夏季街谷热环境模拟研究

2.1 街谷朝向

为了研究街谷朝向对街谷热环境的影响机制，本文选取西大街的a1和南大街的b1等两个具有相同建筑高宽比和街谷立面连续性的，且有不同街谷朝向的对象进行热环境模拟。在早九点至晚十九点的时段内，模拟的不同朝向街谷内的空气温度变化情况见图3。

从图3曲线中可以看出，两条不同朝向的街谷内空气温度变化趋势大致相同。但是，东西向的a街空气温度相对偏低，并且温度波动的幅度较小。测试点a1的最高温度是16：00的32.31℃，最低温度是10：00的26.39℃。b1点的最高温度也是16：00的33℃，最低温度是10：00的26.64℃。东西向a街的每个点均比南北向的b街低，两者间存在着差值，差值的峰值是在14：00达到0.88℃。由温度变化过程可知，两者之间存在差值是因为东西向街谷内的建筑会遮挡日照从而形成陰影区，导致该街谷内相对缺少太阳辐射。虽然在夏季，东西向街谷内不会形成长时间、大面积的遮挡区，但与南北向街谷相比，依然会受到一定影响，因此，东西向街谷内空气温度会相对较低，且温度波动幅度也较小。图4为两测点温差最大时所形成的热环境模拟图。

这正如Pearlmuttera等在对东西向的紧凑街谷研究后所提出的，在冬季，东西向的街谷会受到阴影影响导致街谷内热量损失，而南北向街谷在这方面的损失则相对较少。其与本文研究的结论相同。

2.2 立面连续性

为了研究街谷立面连续性对于街谷热环境的影响机制，本文选取西大街的测点a4、a5以及南大街的测点b4、b5等两组具有相同的街谷朝向和高宽比（H/W=0.5）的，且有不同立面连续性的对象进行热环境模拟。模拟时间为早九点到晚十九点，测点模型见图5、图6。在不同街谷立面连续性条件下街谷内空气温度变化情况见图7、图8。

通過将a4和a5、b4和b5的空气温度变化曲线对比研究，可以得出在相同的街谷高宽比和朝向条件下，门洞口的测点空气温度高于街谷立面连续的其他测点。测点a4和a5，最大温差值是在15：00，差值为1.74℃。测点b4和b5的最大温差值是在14：00，差值为0.69，后者温差相对较小。图9为两测点温差值最大的时间点热环境模拟图。

由图中可知，各测点的温度变化趋势一致，立面连续性不完整的a5和b5测点要比连续性完整的a4和b4测点温度高。其原因是，相比于立面连续处的建筑，门洞口处的建筑与外界的接触面更多，外表面积更大，建筑散热更加明显，空气温度会相对较高。且由于立面连续性的差异，也同时导致门洞口处与连续立面处的风环境出现差异，这也影响了其热环境。正如Shashua—Bar等在对夏季封闭的院落进行热环境研究后所指出的，街旁房屋处的空气温度要比城市冠层温度高出许多，差值峰值为3.4℃。即立面连续性不完整的测点空气温度明显比街谷内其他测点温度高。

2.3 街谷高宽比

为了研究街谷高宽比对街谷热环境的影响机制，本文分别选取西大街的a2、a3以及南大街的b2、b3两组具有相同街谷朝向、街谷立面连续性的，且有不同街谷高宽比的对象进行热环境模拟，模拟时间为早九点到晚十九点，图10为高宽比示意图，图11，图12为在不同街谷高宽比下街谷空气温度的变化。

从图中可知，在不同街谷高宽比下，各测点的空气温度相差不大，且在时段内温度变化趋势大致相同，但高宽比为0.5的街谷内空气温度均比高宽比为1.0的街谷内高。街谷高宽比为0.5的测点a2、b2最高温度分别为32.78℃和32.77℃，街谷高宽比为1.0的测点a3、b3最高温度分别为32.38℃和32.35℃。同一条街中不同高宽比的a2和a3测点空气温度差值的峰值为0.45℃，b2和b3测点空气温度差值的峰值为0.55℃。由此可知，当街谷宽度相同时，建筑高度越低，能够接受到的太阳辐射更多，温度会更高。所以，高宽比为0.5的街谷比高宽比为1.0的街谷空气温度高0.45-0.55℃。赵敬源、Pearlmuttera等也得出了类似的研究结论。图13为两测点温差值最大的时间点热环境模拟图。

此外，将两条大街对比分析，如图14所示，可得出南大街的两个测点空气温度比西大街的两个测点空气温度略高一点。这是因为南北向的南大街能够接受到更多的太阳辐射，使得南大街的空气温度率高于西大街。由此可知，除了街谷高宽比对温度有影响外，街谷朝向也是影响街谷热环境的因素之一。建筑高宽比和街谷朝向共同作用，相互制约，共同影响着街谷热环境状况。

3 规划设计改造策略

通过实测与模拟，本文分析了街谷的朝向、立面连续性、高宽比等空间形态要素对街谷热环境影响的作用机制。由于洛阳市夏季高温持续时间长，而人们对于老城历史文化街区的体验更多是购物、游玩、娱乐等，户外活动时间较长，因此，良好的户外热环境是人们所期望的。基于前述研究，针对老城街谷空间热环境的改善可以提出对应的规划设计改造策略。

3.1 基于街谷朝向的规划设计改造

基于街谷朝向对街谷热环境存在着直接影响的结论，合理的街谷朝向能够营造良好、健康的街谷热环境。因此，在进行街谷规划改造时，要充分考虑街谷朝向因素。可通过对当地已有相似类型的街谷进行模拟研究，从而选择当地最佳的街谷朝向布局。相比较于南北走向街谷，洛阳市老城十字街东西向的街谷空气温度更低。因此，在十字街改造时，应考虑将东西向街谷作为主要景观街道。创造出更适合夏季出行的老城街谷热环境。

3.2 立面连续性规划设计

根据前述研究得出的立面连续性对于热环境的影响较大。同一街谷内，门洞口处的空气温度高于街谷内有连续立面位置的温度的结论。在不考虑风环境条件下，仅考虑立面连续性对热环境的影响，在老城的街道规划改造时，不仅要避免形成过长的、单一的街道立面形式，注重街谷界面的分割，还要从整体的角度出发，维护街谷立面的连续性，使街谷既拥有良好的空间韵律感，又拥有良好的热环境。

3.3 街谷高宽比控制规划设计

在传统的旧城规划改造中，主要从城市风貌保护的规划视角来关注对街谷高宽比的控制。通过对洛阳老城十字街街谷的模拟分析，可以看出街谷的高宽比对街谷的热环境也有着重要影响。在一定范围内，较高的街谷高宽比能够产生更多的建筑阴影区，以减少街谷的太阳辐射，从而相对降低街谷内的空气温度。因此，在对老城十字街规划改造时，可以适当提高街道的高宽比。在不影响风貌尺度的情况下，改善街谷热环境状况。

4 结论

夏季城市户外热环境状况决定了城市公共空间的环境质量以及行人的热舒适度。因此，本文以洛阳老城十字街的西大街和南大街为例，基于ENVI-met软件模拟测试了不同街谷空间形态下洛阳老城夏季城市街谷微气候的变化，分析了街谷的朝向、立面连续性、高宽比等空间形态要素与微气候要素之间的作用关系。指出街谷的朝向、立面连续性、高宽比等街谷空间形态均对街谷热环境状况有着直接的影响作用，并且提出各种街谷空间形态因素的影响程度与太阳辐射、建筑散热等有关。进而针对洛阳老城十字街的规划改造，初步提出了基于微气候改善的规划设计策略，对改善城市环境，调节城市微气候有着重大意义。（通讯作者：吕皖豫）

参考文献：

[1] 王祥荣.生态与环境——城市可持续发展与生态环境调控新论[M].南京：东南大学出版社，2004

[2] 张辉.气候环境影响下的城市热环境模拟研究——以武汉市汉正街中心城区热环境研究为例[D].武汉：华中科技大学，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] 赵敬源，刘加平.城市街谷绿化的动态热效应[J].太阳能学报，2009（08）.

（作者单位：河南科技大学建筑学院）