小区建筑布局对室外热环境影响的模拟研究★

莫海兰，曹林森，覃栩玥

(江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院,江苏 徐州 221116)

0 引言

小区室外热环境对城市居民的室外活动舒适性体验有重要影响。小区建筑布局形式是影响室外热环境的主要因素之一,国内对此展开了一系列研究。如胡春景等[1]模拟分析了天津市在夏季典型日不同的建筑形态和布局形式的室外热环境,发现总建筑面积相同时,塔式建筑小区风环境优于板式建筑,板式建筑小区平均温度和UTCI值均低于塔式建筑;张永益等[2]分析了严寒地区大庆市不同类型的建筑布局的室外微环境状况,发现分散式布局方式可以获得较好的微气候效应;Yingjie Jiang等[3]运用ENVI-met模拟分析了武汉市6种典型的住宅建筑布局室外风和热环境之间的关系,提出武汉市气候条件下的小区建筑布局策略;李晗等[4]通过对青岛市3种小 区建筑布局形式进行热环境模拟,发现围合式和行列式相较于点群式的热岛效应更明显。Qing Li等[5]从建筑布局、容积率与建筑密度的要素运用CFD软件模拟分析不同要素对住宅小区夏季室外热环境的影响且得到两者的相关性。

我国国土辽阔,不同地区和气候区之间的气象条件差异较大,对于小区建筑布局的微气候适应性设计,有必要对各地区、各气候区进行针对性探讨。为探讨徐州地区气象条件下小区建筑布局形式对室外微气候及热舒适的影响,本文在提取四种常见小区建筑布局形式的基础上,运用ENVI-met软件对其进行热环境模拟,分析对比各布局形式对微气候及热舒适的影响,以期为徐州市居住小区的建筑布局规划提供参考。

1 研究区域及方法

1.1 研究区域

徐州(34°15″W,117°11″E)位于华北平原东南部、江苏省西北部,属温带季风气候,四季分明,夏季高温多雨,冬季寒潮频袭,年气温14 ℃。徐州处于夏热冬冷和寒冷地区的交界处,根据相关数据,该地气候兼有寒冷地区与冬冷夏热地区的特点,即“夏季最高温度接近40 ℃,平均湿度为80%,冬季温度接近-10 ℃,平均湿度为74%”。

1.2 建筑布局提取

利用Google map获取徐州市居住小区的卫星影像,对既有的小区建筑布局形式进行分类,根据住宅小区室外活动空间分布的不同划分为四种基本的类型,主要包括集中式、错列式、行列式和分散式(见表1)。

表1 徐州市居住小区分类及测点位置

1.3 模拟方法

ENVI-met软件在微气候领域的模拟应用已经得到很多学者的验证[6]。本研究利用ENVI-met软件模拟场地的空气温度、风速、湿度等微气候效应。在ENVI-met4竖直方向网格划分方式中选取等距网格,设置5个嵌套网格,分别建立300 m×300 m的四种常见居住小区的模型。模拟区域的网格数为60×60×8,分辨率为dx=5 m,dy=5 m,dz=5 m。区域内部单体建筑体量为60 m×15 m,东西间距为15 m,南北间距为36 m,建筑高度为33 m。根据徐州市历年气候数据,设置模拟日期及微气候参数为2022年6月15日,风速2.80 m/s,风向126°,初始温度为21.2 ℃,最高温度为31.4 ℃,相对湿度设置夏季时段平均估值60%～80%;地面粗糙度系数选取系统默认值0.1,输出时间为下午14:00,高度为1.5 m。在每种布局形式的相同位置设定12个测试点(见表1),提取各测点的气候模拟数值并进行对比分析。

2 模拟结果与分析

2.1 空气温度

4种布局形式空气温度模拟结果如图1所示,可见小区空气温度主要集中在28.5 ℃～29.0 ℃之间。受风向及建筑阴影影响,小区整体东南空气温度高,西北空气温度低。错列式与行列式布局条件下,空气温度分布较为平均;集中式和分散式布局条件下,在场地空白区域形成较为明显的高温区域。

小区各测点的平均空气温度对比结果如图2所示,可见空气温度最低的为行列式,最高的为错列式,但两者仅相差0.04 ℃。由此可知4种布局条件下各测点的空气温度均值几乎没有差异。

2.2 风速

4种布局形式风速模拟结果如图3所示,可见建筑及其布局方式对小区风速影响效果明显。由于文氏效应,4种类型的最大风速均出现在住宅小区的东侧和主导风向的上方向。由于峡口效应,集中式和分散式在室外活动区域的东南-西北角同样出现较大面积的高风速区域。从整体上看,行列式高风速区域面积最小。

小区各测点的平均风速对比结果如图4所示,可见不同布局条件下风速差异较为明显,其中错列式风速最高,约为3.5 m/s;行列式风速最低,约为2.7 m/s,两者差值约为0.8 m/s。由此可知小区建筑布局对风速影响较为明显。

2.3 相对湿度

4种布局形式空气湿度模拟结果如图5所示,可见湿度主要集中在61.4%～62.8%之间。同样受风向及建筑阴影影响,整体东南空气湿度高,西北空气湿度低。错列式与行列式布局条件下,空气湿度分布较为平均;集中式和分散式条件下,在场地空白区域湿度较高。

小区各测点的平均湿度对比结果如图6所示,可见集中式空气湿度最低,行列式空气湿度最高,但两者仅相差0.08%,由此可知4种布局条件下各测点的空气湿度均值几乎没有差异。

2.4 热舒适指数PET

目前,评估户外热舒适的指标以基于人体能量平衡的机理指标为主,常用指标有预测平均投票(PMV)、生理等效温度(PET)、标准有效温度(SET*)和通用热气候指数(UTCI)。其中PET除了考虑空气温度、相对湿度、风速、平均辐射温度等气象参数,同时还关注人的活动产热、新陈代谢率、服装热阻等个体参数,具有一定优势。本文选取PET指数来综合阐述室外微气候对人体热舒适的影响。表2给出了PET评价区间。

表2 PET指标的热感觉温度区间

从4种布局形式的14:00时PET分布图(如图7所示)可以看出,热舒适PET值主要集中在34.04 ℃～46.36 ℃之间。由于建筑对光照的遮挡,建筑阴影处形成明显的低PET值区域。同理由于建筑对风速的影响,建筑下风口方向形成高PET值区域。集中式和分散式的空白活动区域东北-西南方向形成高PET值区域。整体来看,错列式低PET值区域面积高于其他布局形式。

由4种布局各测点的PET均值对比图(如图8所示)可见,错列式PET值为38.21 ℃,明显低于其他布局形式。行列式和分散式PET均值最高,且差距不大。结合前文分析结果可知,错列式布局形式对风速的影响,是其可以获得较好热舒适的主要原因。

2.5 白天PET值对比

为进一步分析建筑布局对小区PET值的影响,模拟并计算白天9:00～17:00时4种建筑布局各测点的PET均值,结果如表3,图9所示。可见整体上,错列式布局条件下PET均值较低,分散式和行列式PET均值较高且差异不明显。由此可知建筑布局形式对PET影响在白天并不受时间的影响,错列式一直可以获得较好的热舒适体验。

表3 9:00～17:00时各个测点的PET平均值 ℃

3 结论与讨论

本文提取温带地区徐州市4种小区基本建筑布局形式,通过ENVI-met软件模拟特定时间不同类型小区的室外微气候及热舒适状况,经比较分析得出如下结论:

1)4种小区建筑布局条件下,小区风速差异明显,其中错列式风速明显高于其他布局形式。小区空气温度和湿度差异较小;2)就热舒适PET而言,错列式整体PET值最低,可以获得较好的热舒适,且不受时间的影响;3)风速是导致不同布局条件热舒适差异的主要原因。因此,建议在居住小区建筑布局规划时,多考虑错列式布局形式,以提高小区的热舒适度。

本文研究未考虑绿化对小区局部气候的影响,而且模型较为简单,未考虑不同层高、多类建筑混合的空间布局形式,这在今后的研究中将进一步完善。