高密度城市密集型屋顶绿化空间环境热舒适分析——以成都市为例

钟艾锦

(西南交通大学 建筑与设计学院，四川 成都 611756)

1 引言

高密度城市的要素是建筑高度聚集、各类构筑物密集、环境质量欠佳、地价高昂,可以用于绿化的土地空间极为有限[1]，而发展屋顶绿化能够为已经建成的硬质化的屋顶重新添绿，为城市居民提供公共休闲空间，同时还具有缓解城市热岛效应和提供生态栖息地等功能，这使得屋顶绿化近年来越来越受到重视。

密集型屋顶绿化空间相较于其他类型的屋顶绿化空间，有更高的使用率并且承担了游憩、娱乐、商业活动等多种使用功能，这就对密集型屋顶绿化空间的热舒适度提出了更高的要求。根据学者研究表明屋顶绿化能够在夏季有效地降低温度，促使屋顶空间的生理等效温度PET和UTCI达相对舒适水平[2,3]。然而，国内对于屋顶绿化热舒适的研究仍然较少，因此本文以成都市为例，对高密度城市密集型屋顶绿化空间的热舒适进行探讨。

2 热舒适的相关理论

2.1 定义

影响人体冷热程度的各种因素所构成的环境称为热环境[4]，包括了空气温度、湿度、风速、平均辐射温度等要素，而热舒适则是人在热环境感到满意的状态[5]。热舒适是在客观物理环境条件影响下的个人主观感受，因此除了客观的环境条件外，个人的性别、年龄、职业及文化背景等因素也会对热舒适感受产生影响。

2.2 屋顶绿化空间热舒适的相关研究

目前对于屋顶绿化空间的热舒适的研究主要还是集中于从热环境因子角度，对不同屋顶绿化空间热环境进行实地调研和测量，结合计算机软件模拟屋顶绿化空间的热环境和热舒适指标值，提出利于提高热舒适的屋顶植物种类和配置方式及景观空间布局模式[6～9]。但是热舒适是主客观因素共同作用的结果，且密集型屋顶绿化空间相较于粗放和半密集型绿化空间通常有更多人为活动，只考虑客观环境因素影响是不够的。

在刘滨谊等学者研究地面空间如街道和广场的热舒适时除了测定仅反映室外热环境参数对人热生理状态的影响的气象指标PET值外，还将其与通过热舒适问卷得到的热舒适、热中性和热认知这些使用者心理感知因素对比分析，以此来为不同热环境空间设计提供参考[10～12]。

2.3 主要的评价指标和评价分析的方法

2.3.1 评价指标

在量化评价户外空间的热舒适的指标模型中，常用的有以下几个。

(1)丹麦学者 Fanger[13]在人体热舒适方程的基础上根据实验和调研数据建立了预测平均投票值和不满意度(PMV/PPD)。

(2)在旧标准有效温度的基础上，美国学者Gagge[14]提出了将气温、湿度、风速、辐射、活动水平和衣着量共6个因素进行计算的新标准有效温度(SET)。基于此标准，Parsons K C.给出在标准有效温度为22.2～25.6 ℃时，人坐着的状态达到热中性，热感觉为舒适。而室外标准有效温度(OUT_SET)的定义与室内标准有效温度一样，只是将其应用于室外环境。

(3)生理等效温度(PET)由 H ppe[15]基于人体能量平衡模型(Munich Energy-balance Model for Individuals，MEMI)提出，由于该指标既能用于室外冷环境，又可用于室外热环境，因而被广泛用于各种气候条件下的室外热舒适的评价。值得注意的是，尤其是在炎热的环境下，生理等效温度对于湿度的变化不是很敏感。

(4)国际生物气象学会建立了通用热气象指数(UTCI)[16]，被用来评价室外热环境。该指数是建立在Fiala的人体体温调解数学模型，并结合适应服装模型，以此来确定人体的生理变量。

2.3.2 评价分析的方法

根据现有文献调研结果，目前针对屋顶绿化空间的热舒适评价分析的主要方式为现场实测和数值模拟，常用于其他户外绿化环境的方式如问卷调研还使用较少。

现场实测一般使用专业的气候测量仪器，测定特定地点一定时间段内的各项气候数值，得到的数值可代入不同的指标模型计算，以得到在特定时间点的热舒适值。现在，有如德国研究员将RayMan模型编译为软件，提供免费的下载，可计算SET、PET、PMV等值；国际生物气象学会同时也提供了在线计算UTCI的方式。

数值模拟主要是通过模拟软件，通过建模、数值模拟及数理统计等方法对场地的微气候及其影响下的热舒适值进行预测和分析。在微气候及热舒适的分析上应用较多的软件是ENVI-met、RayMan模型等。ENVI-met软件整合了从流体动力学到热力学，再到植物生理学或土壤科学等广泛的不同科学学科形成一个单一的模型，以便所有元素都可以彼此交互并重现可以在现实中观察到的协同作用。在最新版的ENVI-met4.4.4中提供三维的模型显示并可与Rinho/Grasshopper建模软件实现交互转换。RayMan模型软件主要计算室外三维空间中平均辐射温度和辐射通量，再基于人体热平衡方程式得到不同的热舒适指标。目前，对于动态热环境，RayMan模型作为一个静态模型还不太适用。

3 成都市密集型屋顶环境的现状及特征

3.1 成都市环境气候特征

3.1.1 成都气候特征

成都市地处亚热带季风气候区，年平均温度为16.5～18.0 ℃，年极端最高气温为35.2～37.4 ℃，年极端最低气温为-5.3～-1.4 ℃；年平均活动积温为4700～5300 ℃，全年无霜期大于337d。成都地区全年晴天少、阴天多，年总日照时数为917.1～1320.7 h。年总降水量为1126.2～1707.2 mm，雨量主要集中在7～8月份，相对湿度全年平均值为82%。成都年平均风速低，在1.3 m/s，最多风向为静风，风向频率为39%，次多风向为北风，风向频率为14%。

总的来说成都市气候温和，能够为植物生长提供较为充足的热量和水分以及适宜的温度，另外静风和低风速也有利于屋顶绿化空间中的植物生长，适宜于建造密集型屋顶绿化。同时，适宜的温度和天气也有利于屋顶户外活动的开展。

3.1.2 温度

成都地区年平均气温为15.6～16.9 ℃，春季平均气温13.6～15.1 ℃，夏季平均气温23.2～24.6 ℃，秋季平均气温16.3～17.6 ℃，冬季平均气温6.2～7.7 ℃[17]。近40年来，成都市春季、秋季及冬季的均温升高，成都地区的阴冷不舒适得到改善，气候舒适度得到提升；而夏季均温升高，使天气变得更加炎热，加重不舒适感。屋顶环境遮蔽较少，受太阳辐射及周围建筑表面辐射影响较大，白天温度更高，昼夜温差更大。

3.1.3 相对湿度

通常将人体感到舒适湿度定义在50%～80%之间，1980～2016 年，成都地区多年平均月均相对湿度在 73.5%～83.7%，介于舒适和湿润之间。其中，又以秋季最高，冬季最低。近年来，成都地区的年均相对湿度呈现下降趋势，有利于改善因潮湿引起的不舒适。相对湿度在一定高差范围内的变化幅度不大，主要受周边植被及水体的影响，因此可判定成都市屋顶空间相对湿度特征与地面观测情况一致。

3.1.4 风速

根据相关调查显示，成都地区春季、夏季和秋季的平均风速总趋势均呈现波动式减小态势，其中春夏两季平均风速减小态势显著；冬季平均风速为波动式增大态势，但不显著[18]。虽然随着高度的增加，风速会增大，但根据黄瑞[19]等研究计算，20～400 m建筑高度范围内，屋顶月平均风速变化在1.0～3.1 m/s之间，仍然处于微风范围。对于夏季来说，适当提高风速有利于提高空间热舒适度，而冬季刮风则不受到人们喜爱。

3.1.5 太阳辐射

成都市年平均日太阳辐射量为10.249 MJ/m2属于太阳辐射较少地区，年日照时数仅有900～1300 h。随着建筑高度增加，屋顶空间所受的周边建筑遮挡减少，且由于风速的增加使得污染物及气溶胶浓度的降低，屋顶空间较其他地面绿地空间能接受更多的太阳辐射。此外，除太阳的短波辐射，周边建筑墙体以及玻璃幕墙的长波辐射也会提高屋顶环境温度，影响屋顶的热舒适。

3.2 成都市密集型屋顶绿化分类及特征

常见的屋顶绿化类型有平台式、错层式、阶梯式、斜坡式(图1)。在成都平台式和错层式是较为常见的类型，阶梯式的密集型屋顶花园暂未在成都发现较为有特征的代表，而斜坡式主要受建筑屋面形态影响，发展密集型屋顶绿化难度较大，一般以发展粗放型的绿化为主。

图1 屋顶绿化类型

3.2.1 平台式

平台式屋顶绿化是最为常见的一种类型，它通常建于公共、办公建筑的裙楼或住宅的屋顶上。这种类型的屋顶绿化还可细分为无遮挡型、单面遮挡型或多面遮挡型。较少的底面高差变化使得这类的屋顶空间能承载更多的商业、文化、娱乐和游憩等功能，而不同的功能活动和使用人群对应了不同的热舒适需求，这就需要在结合使用功能的基础上通过利用不同的景观要素和不同的空间塑造手段来创造不同的小空间满足不同热舒适需求。

3.2.2 错层式

错层式的屋顶绿化空间通常设计师在建筑设计之初就已经将屋顶的绿化空间考虑，使得建筑与屋顶绿化空间融合在一起，具有代表性的有成都来福士广场的屋顶绿化空间。该空间中错层的建筑形式使得每层屋顶之间需要依靠阶梯相连，变化丰富的高差给予了设计师更多的创造可能。特别是在水景的处理上，通过水池和跌水的处理，使得不同高度的空间有了联系，同时流动的水体能增加空气的流通，在夏季能降低周边环境气温，有利于提高周边环境的热舒适感受。

3.2.3 阶梯式

与错层式相似，阶梯式屋顶绿化空间与建筑结合紧密，但是通常此类型屋顶空间被高差分隔，面积较小或呈条带状阶梯式分布，且与每层楼出入口结合紧密，这就限制了这类绿化空间的使用功能。在考虑这类屋顶绿化空间时，更多会结合出入口考虑通行、短暂停留等这类活动的热舒适需求为主。

3.2.4 斜坡式

这一类型的屋顶空间较少建造密集型屋顶绿化，再因其坡度较陡，基本不能承载一般的人为活动，而热舒适是人对于热环境的感受，所以讨论这类空间的中的热舒适意义不大。

4 结语

通过梳理，本文总结了现有屋顶热舒适的评价和研究方法，分析了成都市屋顶气候现状，并分类讨论了不同类型的密集型屋顶绿化空间的热舒适相关特征，接下来还有以下内容需要进一步地深化研究。

第一，热舒适是人的主观感受，现有指标虽然能够反映人体热舒适的状况，但由于地区、文化、年龄、职业等因素的影响，问卷调研应作为补充手段。

第二，不同类型的屋顶绿化空间其使用功能有不同的偏重，因而需要进一步探讨不同功能小空间的人为活动需求和热舒适需求之间的关系，进而进行优化调整。