国际城市绿色空间热环境相关标准比较∗

周 越 鲍沁星 张敏霞

浙江农林大学风景园林与建筑学院 杭州 311300

近半世纪以来,随着全球城市规模扩张、人口增长,城市热岛效应已经成为严重的生态问题之一,并逐步危害人类生活[1]。 炎热气候导致部分疾病发生率升高,例如2003 年在欧洲发生的热浪导致约4 万人死亡[2];我国北京、杭州等地区因夏季连续高温使人极度不适而被称作“火炉”,其城市热岛面积呈现逐年增加趋势且受影响范围不断扩张[3-4]。 热岛效应会降低暖通空调系统在夏季的能量转换效率[5],引起资源浪费、损害社会效益。因此,改善城市热环境需引起重视。

城市热环境[6]是由外部气候、城市结构及下垫面、蓝绿空间等要素与气候因子相互影响而形成的特殊环境。 城市绿色空间主要以公园绿地、宅旁绿地、道路及屋顶绿化等形式存在,大量研究证实其具有降低周围气温、调节城市热环境功能。 绿地中的植物通过光合作用、蒸腾与蒸散作用显著降低地表温度,植物结构丰富的绿地降温效果佳,空间三维绿量越大其内部温度就越低[7];水体能有效调节相对湿度,其热辐射能力相对城市建筑表面也小得多,储热能力强,面积较大的水体会形成局地小气候和局地环流改变热量传输方式[8-9];空间结构布置能阻挡并减少到达人群活动范围内的太阳辐射,降低地表温度,同时也能改变空气流通路径、调节通风,避免形成涡流、风口等[10];此外,铺装等其他景观要素也能影响空间热环境。

我国现行城市绿地相关标准中缺少针对热环境的规范, 亟待一套完善科学的标准为设计者提供现实指导。 因此, 笔者以风景园林视角,梳理并比较国内外城市绿色空间热环境相关标准规范与评估条例, 基于现阶段我国城市绿地热环境的研究, 指出标准制定的注意点和未来研究方向, 以期为中国城市绿地热环境标准的制定提供内容层面的参考性启示。

1 相关热环境标准特点概述

我国现行热环境标准有居住区热环境标准和室内热环境标准, 后者与城市绿色空间相差甚远故不做讨论。 建筑、 城市规划等领域对热环境研究起步较早, 欧、 美、 日等发达国家的标准均值得借鉴。 国际上涉及热环境且空间尺度与城市绿地相似的标准主要集中于风景园林可持续和绿色建筑两大评估体系中(表1)。 绿色建筑评估标准中的热环境规范主要针对建筑周边绿地, 但在城市绿地中的建筑也不可缺少,商业建筑、 公共建筑的附属绿地与城市绿地环境极为相似, 其标准一般可直接应用。

表1 相关热环境标准总览

1.1 热环境设计标准

居住区热环境标准的制定目的是为了规范城市居住区热环境设计, 改善居住区热环境,提高居住区环境的热舒适性, 降低建筑能耗[11]。我国住房和城乡建设部于2013 年颁布的《城市居住区热环境设计标准》 (JGJ 286-2013), 是综合户外热环境研究、 绿色理念与我国各地气象参数等条件编制而成。 该标准要求居住区采取规定性设计或评价性设计, 其中, 规定性设计含通风、 遮阳、 渗透与蒸发、 绿地与绿化4个方面; 评价性设计采取WBGT 热指数和平均热岛强度计算公式, 使抽象的热环境指标更直观和具体地表达, 对未来项目的规划设计具有现实指导意义。

1.2 风景园林可持续评估体系中的热环境标准

目前我国尚未制定可持续性风景园林评估标准, 而美、 英等国已形成一系列比较完善的以“可持续” 作为核心理念的风景园林评估体系。 美国可持续场地倡议(The Sustainable Sites Initiative, SITES) 用以界定和强调场地开发的可持续性, 衡量景观绩效, 评估环境、 经济和社会效益[12], 其中包括为降低城市热岛效应制定的热环境设计标准[13]。 英国的景观特征评估(Landscape Character Assessment, LCA) 是一个鉴别与描述景观特征变化并运用此信息协助管理的过程[14], 其中包含环境影响评价, 强调景观应注重局部气候的调节[15]。 国外针对场地或社区的可持续性评估体系也得到了广泛应用,其中涉及的建筑室外环境标准大多可直接被应用于风景园林尺度[16], 如BREEAM-Communities[17]、GSC-Communities[18]、 STAR-Communities[19], 都 从不同侧重点提供丰富的指标体系及评测依据,这些评估体系均将“减缓城市热岛效应” 作为衡量设计的一条重要标准。

1.3 绿色建筑评估体系中的热环境标准

我国《绿色建筑评价标准》 将室外热环境列入测评, 新增“采取措施降低热岛强度, 提高环境舒适度[20]” 等条例, 并给出日照、 遮阳、 通 风、 绿 量 等 设 计 指 标。 美 国 LEED(Leadership in Energy and Environmental Design,能源与环境设计先锋) 是目前应用最广泛的绿色建筑评估体系, 在《建筑设计施工》 《住宅》[21]等分册中均含热环境设计条例。 日本CASBEE (Comprehensive Assessment System for Building Environmental Efficiency, 建筑物综合环境性能评价体系) 从环境品质和环境负荷两个方面对建筑物进行综合评价[22], 在设计中充分考虑建筑外环境对周边的影响, 对通风环境、绿色面积等都列出具体规范[23]。 此外, BREEAM[24]、 DGNB[25]、 BCA Green Mark[26]、 GSC[27]等世界先进绿色建筑评估体系中也含有针对绿色空间热环境的标准。

2 相关热环境标准系统剖析

2.1 制定目的

风景园林可持续评估体系、《LEED》 和《GSC》中热环境标准制定的目的是营造舒适的局部空间微气候, 改善不合理设计造成的过热过寒、 不良通风等, 提升舒适度。 宏观层面上是为了缓解城市热岛效应以适应气候变化, 合理的热环境设计还能惠及周边区域, 城市中的绿色空间能够对整个城市起到冷却效果, 在炎热气候下效果尤为明显[28]。 居住区热环境和绿色建筑标准更多地把提升人居环境质量作为出发点, 增加户外活动频率和时长以保证身心健康。 《SITES》 《DGNB》 等标准也融合其他可持续发展理念, 强调生态平衡。

2.2 主要内容

2.2.1 涉及要素

绿地内地形、 水体、 植物等布置会影响空间气温、 相对湿度、 太阳辐射和风速等从而决定空间热环境舒适度, 热环境标准通过限制各景观要素调节局部小气候。 《城市居住区热环境设计标准》 将所有标准分为通风、 遮阳、 渗透与蒸发、 绿地与绿化4 类。 通风能够调节温度、湿度, 促进空气流通; 遮阳主要原理即阻挡与反射, 可以防止建筑物和地面因太阳辐射产生的热量积聚, 屋顶和建筑外表面选取高反射率的材料以减少热辐射影响; 表面装饰材料渗透性会影响环境湿度, 设置水体或人工雾化装置能有效调节环境湿度; 植物通过遮荫与蒸腾作用调节场地温湿度, 其群落结构与覆盖度直接决定小气候调节程度。 本文参照此分类对所有标准进行了系统梳理。

《BREEAM-Communities》和《CASBEE》中的标准包含整个4 大类别;《GSC-Communities》和《BCA-Green Mark》提及其中3 项,二者均未制定“通风”标准;其余标准都只规范了其中的1 项或者2 项;《LCA》《Star-communities》和《BREEAM》只提及“考虑场地小气候”并未提出具体的措施(表2)。 此外,通过对比发现风景园林可持续评估标准大多对“绿地和绿化”有所要求,而绿色建筑评估标准对“遮阳”更为重视,体现了不同领域的侧重点。 从数量分布结果可知,占比最高的是“遮阳”(37%),其次是“绿地与绿化”(21%)和“通风”(19%),“渗透与蒸发”(12%)在4 个要素中最低,其他占比11%,此结果在一定程度上反映了控制“遮阳”对改善热环境更为有效。

表2 各热环境标准类目及指标数量

2.2.2 定量化指标

不同标准中针对同一热环境要素衡量的定量指标也有所不同(表3)。 通风条件在各标准中涉及的量化指标较少,可分为直接指标和间接指标。 直接指标是风环境本身属性,如风速、风压差,我国《绿色建筑评价标准》中提及“人行区距地高1.5 m 处风速小于5 m/s[20]”;间接指标是针对影响风环境的外界因素,例如迎风面积、建筑退缩尺度、建筑间距指数等,建筑物高度、间距等条件通过改变局部风向与风速避免形成强对流、涡流等。

表3 各热环境标准中的量化指标

建筑物和景观下垫面所用材料的光学和热学特性与城市气候和外界温度系统有着密切关系[29], 他们吸收太阳辐射, 并通过对流和辐射把积累的热量释放到空气中, 从而导致环境温度上升[30]。 多数西方国家都在遮阳标准中规定表面材料的太阳反射指数(SRI) 和整体太阳反射率(SR), 如《LEED》 中规定“场地铺装材料初始SR 值至少为0.33[21]”。

地面材料的渗透性能和水体蒸发能够调节热环境中的温湿度, 其涉及的量化指标主要有渗透面积比率、 地面透水系数、 蒸发量等。 绿化量化指标比较常见的有绿地率、 绿化面积、绿化3D 体积等。

2.2.3 时间与空间维度

时间维度上, 《SITES》《LEED》和《DGNB》等评估标准除了规定项目初始规划设计指标之外,还涉及运营维护的周期性内容,如《SITES》的“3 年后建筑遮荫结构的SR 值至少为0.28[13]”;《DGNB》中对绿化项目要求“至少保证2 年的增长与设计计划一致[25]”。 《中国绿色建筑评估标准》和《BREEAM-Communities》在标准设置上考虑到季节变化导致不同的气候,提出“夏季提供遮阳、降温和防眩光;冬季防风雨[20]”“使用落叶树来提供夏季遮荫[17]”等要求。 制定具有时效性的标准与创新类指标的目的是为可持续性的长效控制和管理建立长期维持的机制。

空间维度上,各体系指标不仅针对场地尺度,还涵盖小到材料、大到全球气候的尺度。 全球尺度如《GSC-Communities》指出“将应对全球气候变化的战略纳入设计[19]”等;场地尺度指标对场地外环境的影响也同样关注,如《SITES》提到“改善气候条件包括对当地气候调节[13]”、《BREEAM-Communities》中“鼓励增强小气候条件的设计造福社区环境[17]”;细节尺度更是涉及建筑材料的限定,如《CASBEE》建议“使用不容易升温的铺装材料[23]”和《BREEAM》的“运用低影响材料[24]”等。

2.3 衡定依据

1) 现行标准和法规。 在以上热环境标准中,《城市居住区热环境设计标准》 《SITES》 《Star-Communities》 《LEED》 《中国绿色建筑评估标准》 都提出了评估的先决条件, 《BREEAM》 提出了强制性标准。 这些指标提出的依据主要来自国家及地区颁布的强制性标准和法规, 遵守满足这些标准是必要的前提条件。

2) 相关学会或机构研究支撑。 在现行相关标准或法规条例空缺情况下,需要通过相关研究确认衡量标准,我国《城市居住区热环境标准》中的一部分技术性内容由华南理工大学建筑节能研究中心负责;《SITES》《LEED》《Star-Communities》常常引用美国实验材料学会(ASTM)、美国采暖制冷与空调工程师学(ASHRAE)、美国土木工程师学会(ASCE)和美国国家标准学会(ANSI)等的研究成果[16],而当针对同一指标的两个标准不一致时,均要求选择其中更严格的标准来执行。 另外,支撑指标的第三方机构的评价或认证也可以作为衡量依据,如《SITES》中的“选用拥有环保产品声明的材料[13]”等。

3) 实地监测与实验模拟结果。 标准制定部门根据附近气象站、 区域气象热力监测局等提供的数据资料, 组织有关部门对场地进行一段时期监测获得气候、 地形数据等确定具体的量化指标, 如我国居住区热环境标准数据来源于气象局提供的各省夏季典型气象日气象参数[11]。在实际测量较难实现的情况下, 可基于设计数据建立计算模型或算法公式进行模拟实验获得参照数据。 《GSC》 《DGNB》 通过建立自适应方法、 热舒适性模型, 利用高精计算机软件模拟真实环境, 有效地节省人力、 财力, 多次计算还有利于规划设计参数对城市热环境的影响,为标准的制定提供可靠的参考依据。

3 启示与展望

1) 城市绿地热环境设计标准制定确有必要。制定城市绿地热环境标准不但是对设计层面的完善, 更是出于对人群健康福祉的考虑。 城市绿地是城市中最典型、 与人互动频率最高的绿色空间, 舒适的环境会使人身心愉悦, 预防疾病、 保障健康[31]。 利用热环境设计标准指导设计, 不但能使空间小气候适宜, 还能调节城市气候、 有效缓解热岛效应、 降低城市能耗、 符合可持续发展理念。

2) 要充分认识我国城市绿地特点。 对我国城市绿地类型、 规模面积、 分布特点等进行系统分析, 并将它们作为标准制定的依据, 分区域、 分类型、 分限制条件地指导我国城市绿地热环境标准的制定与实际应用。 分区上, 我国国土广袤、 地形丰富, 不同地理位置气候条件差异较大, 在制定标准时应分建筑气候区和季节变化作相应调整; 分类上, 根据不同空间类型和附属环境细化标准和相应措施, 以提高实用性; 此外, 还需根据地区政策、 人文条件等作相应变化。 欧美等国在气候地理、 政治文化等方面与我国存在本质差别, 其标准值得借鉴,但实际应用时需以我国实情为必要前提。

3) 应将热环境研究成果引入标准制定。 标准制定基于大量的科学研究, 应将国内外学者对我国城市绿地热环境的研究成果合理应用以保证标准的科学性。 标准制定关键在于指标体系的构建, 如何确定合适的指标以及部分尚不成熟或无条件量化的指标如何纳入未来体系中具有逐步调整的空间。 国内相关标准中评价指标所需基础数据较为缺乏, 包括对相关指标的监测、 数据的来源、 获取方式等均会影响数据库的构建, 这是未来研究重点。 应鼓励新技术应用于评价标准中, 尤其在过程反馈等环节。

中国对于城市绿地热环境标准研究尚在起步阶段, 笔者主要通过对比国际城市绿色空间相关热环境标准, 结合我国实际情况就标准的制定问题提出了一些关键点和未来研究方向供相关专家学者讨论。