街道设计与城市小气候研究——分析街道几何形状和朝向对城市小气候的影响

张 振

（华南农业大学，广东 广州 510220）

1 介绍

街区对城市气候的不稳定性有影响，能够改变自己的气候。城市开放空间的小气候受城市形态几何、城市密度、植被、水位、地表性质等参数的影响。上述参数的不恰当实施导致了严酷的环境问题，这种现象被称为城市热岛效应。形成热岛效应的主要原因包括城市几何形状的热捕捉、城市表面的性质、越多的地表覆盖物取代植被以及人造热源。

由于超过1/4的城市区域通常被街道所覆盖，所以，城市街道的设计在创造城市气候方面发挥着重要的作用。城市街道的几何形状由高/宽比（H/W）和长/宽比（L/W）以及长轴定义的方向决定。这些参数直接影响太阳辐射的吸收和排放，也对城市通风有重要影响，街道内及周围环境的温度变化（UHI）[1]。本文重点研究了街道几何形状、高宽比和朝向对城市街道峡谷中气流和太阳辐射的影响。

2 街道峡谷设计与城市小气候

街道峡谷是指由两条典型的平行的由街道分隔的建筑组成的空间，它创造了现代城市[2]的基本单元。街道峡谷的几何形状由它的“纵横比”表示，包括建筑物的高度（H）与街道宽度（W）的比值。如果峡谷的展弦比约等于1，且墙体上没有主要开口，则称为统一的街道峡谷。长宽比小于0.5的峡谷为浅街峡谷；长宽比为2，表示深的街道峡谷。峡谷的长度（L）表示将街道峡谷细分为短（L/H=3）、中（L/H=5）和长（L/H=7）的两个主要十字路口之间的道路距离[3]。

研究表明，街道峡谷的几何形状和朝向影响着室内外环境、建筑内外的太阳能接入、城市通风对气流的渗透性以及整个城市系统的降温潜力。因此，街道设计影响着行人的舒适性以及全球建筑能耗[4]。

根据相关研究最多的街道峡谷几何参数（高宽比）和街道朝向是导致街道峡谷微气候变化的最相关的城市参数[5]。这些参数直接影响街道水平气流势、太阳活动[6]，进而影响城市小气候[7]。虽然传统建筑和现代建筑都在努力根据气候进行城市街道的设计，但是为了调节气候舒适度，仍然需要对尽可能最好的街道设计进行量化信息[8]，并以科学的方法为基础[9]。

3 街道设计对气流的影响

城市气流模式是由接近的风与建筑环境之间的相互作用决定的[10]。街道内气流的形成对人体健康、室内外热舒适、空气质量、建筑节能等都至关重要。提供宜人的城市小气候[11]。几项研究表明，现有的区域风在流经建筑环境时会改变其模式[12]。因此，建筑环境尤其是街道的设计是城市气流形态形成的关键因素。

城市上空的空气主要分为城市冠层和城市边界层。城市冠层是指在建筑物之间的空间中，受落在建筑物外立面和地面上的太阳辐射影响的一层。城市边界层高于建筑物的平均高度。传热、污染物排放、蒸发和蒸腾作用以及现代城市发展是影响城市边界层大气温度的主要因素。

由于建筑物、树木等障碍物的存在，城市冠层内的气流比城市边界层内的气流更加受阻。因此，城市冠层内的气流比周围农村地区要慢[14]。城市边界层驱动的二次循环特征为城市峡谷提供了气流，而城市峡谷受街道朝向和几何形状（H/W和L/W）的强烈影响[8]。当城市边界层内的气流近似垂直于街道轴线时，根据长宽比（H/W）和建筑比（L/W），可以出现三种不同特征的气流状态[15]：（a）单独分析建筑之间气流的路径（图1a）；（b）气流路径对周边环境的影响；（c）途径范围。从一种状态到另一种状态的转换发生在H/W和L/W的临界组合[18-19]（图1b）。

图1 在一系列屏障上的气流状况与每个屏障相关的主要气流特征

随着H/W比的增大，尾迹受到扰动，产生尾迹干涉。H/W比值的进一步增大使得街道峡谷与城市边界层的循环空气隔离，因此，一个稳定的循环涡旋在峡谷中形成。这种稳定的循环涡旋产生吸引现象，这种现象在城市地区最为常见[6]。因此，可以得出结论，与浅谷相比，深谷的气流较慢。

街道设计对气流的影响已有研究。例如，Johansson[13]研究了街道几何形状对气流的影响，并在摩洛哥进行了超过一年半的实际现场测量案例研究。对深沟和浅沟进行了详细的研究，长宽比分别为9.7 m和0.6 m。结果说明了一个明显的街道峡谷几何和小气候的关系在一个城市峡谷（1.7 m）。这项研究表明，风速更慢，更稳定的深峡谷（0.4 m/s）在冬季和夏季，而较浅的街道峡谷平均风速为0.7 m/s，在夏天和冬天为0.8 m/s。在Al-Sallal等[14]在迪拜的另一项研究中，已经证明狭窄的街道峡谷（4 m及以下）可以通过提高它的风速，从而产生更好的被动的冷却性能，但在弯曲角度产生涡流。风速越高（5 m/s），风越深入传统的狭窄街道，提供更好的输热潜力。大部分街道峡谷纵横比为2～0.67（占研究地区的49%～57%）风速由大风至微风不等。

另外，一些研究评估了建筑物高度对街道峡谷内气流的影响。Priyadarsini等[15]发现，当气流平行或垂直于峡谷时，有策略性地放置几个街区的高层塔楼可以提高街道峡谷内的速度。此外，Robins等[16]发现创建额外的空气交换和U型涡流可能会通过设计一些高层建筑在城市周围建筑物限制冠层（图2）。上游高层建筑将带来更多的垂直向上流动气流，从街道峡谷到城市边界层。下游的建筑物将创造额外的垂直流动气流，从城市边界层进入城市冠层。其次，在街道和庭院之间提供足够的开口可以改善城市冠层内的空气交换。

图2 具有流畅的十字路口的高层建筑，表现街道之间的气流交换和由于大型建筑而增加的气流混合过程

4 街道设计对太阳光线接入的影响

有几项研究评估了街道的几何形状和朝向，其对太阳光线入射通道与城市峡谷的影响。Arnfield[17]用数据方法研究了不同城市峡谷的太阳能接入量。本研究的目的是发现光的长宽比和方向对峡谷面（墙壁和地板）和行人模型的依赖关系。研究了东西向和南北向街道在不同纬度、不同季节的朝向。此外，纵横比的范围被认为从0.25到4。评估月平均射线说明，H/W比影响太阳能的数量受到建筑和地面建筑在街道峡谷之间通过减少H/W比太阳能接收到大街上表面的数量增加。然而，这个太阳光线不是平均分配在各种表面的城市街道。从根本上说，与垂直表面（墙）相比，地面接收到更多的太阳辐射量。对于同一街道峡谷，H/W比值对地面的影响大于对墙体的影响。月平均辐照度和不同展弦比如图3所示。

图3 模拟了6月东西向和南北向峡谷的月平均辐照度和不同展弦比

本研究的Arnfield[18]发现街道的朝向对墙体获得的太阳能量更有影响，H/W比值影响地面太阳能的可用性。此外，朝向的影响在夏季比冬季更为显著。朝向N-S（即E-W街道）的建筑墙体在夏季受到保护，冬季暴露在外，因此更容易实现季节性的太阳能控制。对于行人来说，方向几乎不影响辐照度。对于高纬度地区，冬季太阳的位置较低，会造成强烈的障碍。因此，高纬度地区的辐照度降低，这一点在E-W方向上尤为明显。不同季节，在20°～40°纬度地区，街道的H/W比值和朝向对地面和其他街道表面接收太阳能的影响更为显著。这说明在亚热带气候条件下，街道测量对太阳控制更为重要。

之前的研究已经被Van，Esch等人[19]证实，他们分析了街道设计参数（宽度和方向）对城市冠层太阳能接入的影响；研究了四种街道宽度：10、15、20和25 m，两个方向；E-W和N-S。

5 结语

街道的几何形状（H/W和L/W比值）和朝向直接影响城市峡谷中的气流和太阳辐射的通道，因此，在满足基本人为要求水平上的舒适性，更宽的街道提供了更好的空气交流，因此更好的气流在城市峡谷。另外，不同建筑高度的通风效果更好。此外，H/W的比影响街道表面（立面、屋顶和地面）获得的太阳能的数量。H/W比的降低增加了街道的太阳辐射的接入。街道朝向对峡谷的太阳辐射量几乎没有影响：它导致了不同街道表面的总辐射量分布的差异。

因此，为了提供一个适宜的小气候在城市地区，设计城市街道的方式带来适当的气流和利用太阳是至关重要的。建筑会影响全球气候和能源的消耗。