居住小区室外活动空间微气候差异及其适宜性等级划分

■ 姜之点 JIANG Zhidian 杨 峰 YANG Feng 陈虹屹 CHEN Hongyi

0 引言

随着城市化进程逐渐转向存量更新，住区规划设计日益强调环境舒适、空间适宜，加之不同群体存在舒适度感知差异，针对“全龄化”的室外环境设计备受关注[1]。由于居住小区内部的建筑遮阴和局部通风会影响冷热源交换和多重辐射过程，进而引起人体热感觉差异[2]，因此，定量评价小区室外活动空间微气候差异并确定室外活动空间适宜性，有助于室外活动设施的空间落位，合理分配各群体最佳活动空间范围。这也是从中小尺度解决宏观城市问题的重要一环。

关于室外微气候，国家相关标准对其温度、风速风压、建筑材料、迎风面积比、绿化率等指标进行了规定。其中：《城市居住区热环境设计规范》（JGJ 286—2013）[3]规定了逐时湿球黑球温度≤33 ℃、平均热岛强度≤1.5 ℃和不同气候区的平均迎风面积比；《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）[4]明确了建筑阴影区外绿化遮阴占比、道路与屋面反射系数范围和不同室外空间风速风压上限；《绿色生态城区评价标准》（GB/T 51255—2017）[5]将热岛强度≤3.0 ℃（或≤2.5 ℃）以及开敞空间和通风廊道的连续性作为评分项；《民用建筑绿色设计规范》（JGJ/T 229—2010）[6]同样规定了绿化遮阴、建筑和道路反射率以及场地通风条件。另外，一些地方性标准规范提出，将屋顶绿化和垂直绿化用于室外环境补偿性或激励性指标。可以看出，既有规范多针对室外客观环境进行上下限值约束，并未充分体现地域性差异，部分定性描述难以精准指导实际项目。

舒适度指标可综合考虑环境因子与人群生理感受，量化评价人体舒适程度。然而，相关实测研究多关注特定点[7]或线性[8]舒适度和热感觉差异，模拟研究则通常评估单个案例舒适度局部空间变化[9]或多场景之间的整体水平[10]；鲜有研究对小区室外活动空间进行类型化区分和量化比较。

本文将以重庆市为例，基于城市矢量数据提取3 个典型居住小区类型，开展室外微气候和人体舒适度模拟，对不同室外活动空间的微气候和舒适度的时空差异进行量化分析。

1 研究样本选择

1.1 提取典型城市形态

重庆市位于长江上游，其中心城区建成面积约745 km2，常住人口约1 034 万[11]。借助百度地图端口（API）、OpenStreetMap、BIGEMAP等公开数据平台，获取重庆市中心城区现状路网、建筑边界、建筑层数、属性等矢量数据；进而统计居住小区地块尺寸、建筑尺寸及街道交叉口距离，得到重庆市平均地块规模和建筑体量特征。经统计：中心城区内6 378 个地块的平均面积为42 865 m2、平均周长为737 m，长宽比约为1，道路交叉口平均距离 为184 m；137 912 栋 建 筑 的 平均基底面积为644 m2、平均周长为101 m，长宽比集中在1/2～1/3；单栋建筑平均高度（以层高3 m 估算）约23 m，且50%的高度值分布在10～55 m（图1）。

图1 中心城区内居住地块、建筑单体形态参数分布

基于现状统计及相关规范[3]、规定[12]，提取低层行列式、中层点式和高层点式作为重庆市典型居住小区类型。建立理想化模型：①将地块尺寸统一近似为200 m×200 m，建筑尺寸（高度）则分别为48 m×12 m（12 m）、30 m×16 m（27 m）和40 m×26 m（54 m）；②设置建筑退让范围为4～15 m，建筑间距为15～42 m，山墙距离为15 m；③在组团内部设置相同面积的集中绿地。在此基础上，统计每个地块的建筑密度、高宽比、天空视域系数、容积率和绿地率等指标（表1）。

表1 理想化居住小区模型及形态指标

1.2 室外空间划分

为量化描述居住小区微气候和舒适度空间分异现象，依据下垫面类型，将室外活动空间划分为中心广场（S1）、中心绿地（S2）、宅间绿地（S3）和山墙空间（S4）；为细化受边界效应影响较大的小区入口空间，分设南侧入口（S5）和北侧入口（S6）。在各室外活动空间的中心开敞区域布置监测点，以获取近地面逐时气象数据；同时，为量化比较不同室外空间对气象因素的响应范围，统计各典型小区室外活动空间分析区域的面积（表2）。

表2 居住小区室外活动空间划分及其面积

2 研究方法

2.1 模型选择

借 助ENVI-met 和RayMan 软件开展室外微气候和人体舒适度模拟。ENVI-met 是德国美因茨大学Bruse 团队[13]开发的三维动态微气候模型软件，主要基于流体力学和热力学原理，模拟城市建筑、植被、大气三者间的相互关系；RayMan 则是德国弗莱堡大学Matzarakis 团队[14]于2007年开发的热环境评估模型软件，主要考虑背景气象因子和人体生理参数计算室外舒适度指标。其中，生理等效温度（PET）表示人体体表温度和体内温度达到与典型室内环境同等热状态所对应的理想环境温度，可划分为9 个等级的人体舒适度范围[15]（表3）。其因综合考虑辐射、风、热（温/湿度）等气象参数和年龄、代谢、穿衣指数等生理参数，被广泛应用于不同气候室外热舒适度评价及微气候研究中[16]。

表3 PET 范围对应的热感觉和生理应激等级

2.2 模型误差

ENVI-met 模型敏感性及结果有效性已在全球多地得到检验。相比同类模型，ENVI-met 的气象参数拟合度最高，植物传热过程最优[17]。Tsoka[18]曾基于52 个验证案例总结，得到大气温度的均方根误差（RMSE）范 围 为0.52～4.30 ℃，R2范 围 为0.40～0.98；而针对重庆所属夏热冬冷地区的验证结果显示，大气温度的RMSE 范围为0.81～1.95℃，R2约为0.93[19-20]。这些研究均证实ENVI–met 模型具有合理的敏感性和稳定性，其误差主要与边界条件、建模尺度和网格精度的设置，下垫面多重辐射反射，人为热释放，以及土壤横向热传递等模型本身的不准确性有关。

2.3 模型设置

3 个典型小区模型统一设置为南北朝向。每个模拟场景设置200 m× 200 m 矩 形 地 块，排 布2 m×2 m网格；纵向网格数依据建筑高度分别 设 置 为20、35、50 个，分 辨 率为2 m。基于中国标准气象数据集（CSWD），选择夏至日（6 月23日）和冬至日（12 月21 日）0:00—24:00 的气象数据作为背景参数。重庆属夏热冬冷热工区，日平均气温在8.7（12 月）～31.4℃（8 月）之间；全年风速较低，约0.9～2.1 m/s，夏冬两季主导风向分别为东南风和西北风；年日照时数约1 180 h。借助国家地面气象站数据获取平均云量，同时参照城市地理位置和辐射调整系数（0.7），生成逐时太阳辐射。初始土壤温湿度和植被属性均参照同类气候区设置[19]，建筑参数满足当地设计要求[12,21]。此外，为全面反映不同人群的PET差异，分别参照普通成年人、老年人和儿童体质特征[22]，设置年龄、体重、身高和新陈代谢等属性。模型主要输入参数及取值见表4。

表4 模型主要输入参数及取值

2.4 数据处理和分级原则

借助ENVI-met 获取具有空间属性的近地面（1.5 m）大气温度、湿度、风速和平均辐射温度，并剔除建筑所占网格数据；将逐时气象数据和不同人群生理参数输入舒适度模型RayMan，生成PET文本文件（.txt）；导入ArcGIS，转换为网格点数据（.shp）；叠加矢量边界，统计6 类室外活动空间上述各参数的平均值。

本研究中，居民出行时段按日出后1 h—日落后1 h 计，即：夏季6:00—20:00（15 h）、冬 季8:00—18:00（11 h）。综合考虑居民出行时段的频率特征[23]，汇总该时段内不同热感觉等级的累积时长，并连接至对应的平面空间。在此基础上，依据夏冬两季PET范围，以舒适感觉累积时长为阈值[24]，划分出3 类（适宜、较适宜和不适宜）室外活动空间适宜性等级（表5）。

表5 室外活动空间适宜性等级划分

3 结果分析

3.1 室外空间微气候差异

3.1.1 温度时空差异

如图2 所显示，各典型小区室外活动空间大气温度均呈现夏季白天差异大、夜晚差异小，冬季白天差异小、夜晚差异大的日变化规律。夏季，6 类室外活动空间均于9:00 逐渐出现温度差异，并随时间推移不断增大，并在14:00 前后达到最大（0.9～1.1℃），之后则迅速减弱；而在20:00 以后至次日清晨，各室外空间保持较小差异，普遍在0.5℃以下。冬季，各典型小区的温度日变化规律与夏季基本一致，但植被呼吸作用放热更为显著，致使各室外空间夜晚温差（0.4～0.9℃）较白天（0.1～0.4℃）更大。由于热效应的累积作用和滞后性，冬季各室外空间温度差异出现时刻较夏季延时1～2 h，结束时刻则比夏季提前约1 h，但均在14:00 存在较大差异。因此，将14:00 作为典型时刻来分析后续温度差异的空间分布特征。

图2 夏冬两季温度逐时变化规律

（1）由图3 可以看出，室外空间的温度差异受建筑物阴影和绿化面积影响较大。夏季，植被产生的凉爽空气沿入流风向东南扩散，在地块西南侧形成“冷岛区”；且在平均1.7 m/s 的背景风速下，冷空气可扩散至下风向10～30 m。冬季，主导风向置换，冷空气多集中在地块东南侧，最低气温通常出现在建筑山墙或建筑南侧风影区。其中，高层点式地块具有最大建筑阴影面积，平均温度最低（31.4℃）；其较大开敞空间更有利于风场发展，空气传播速度更快，不同室外空间温度差异最小（0.9℃）。

图3 夏冬两季14:00 温度平面空间（1.5 m 高）分布特征

（2）图4 反映了各典型小区不同室外活动空间在夏冬两季14:00 时的温度差异。夏季，S1 平均温度最低（31.4℃），而S5 平均温度最高（32.3℃）；其他4 类空间的平均温度则集中在31.6～31.9℃。由于温度较低区域更易产生集聚效应，S1 均低于该小区平均温度，而S5 均高于该小区类型平均温度；其他4 类空间的温度分布相近，且61%～82%区域低于该小区平均温度。冬季，S4 和S1 的平均温度较低（10.5～10.8℃），且几乎所有区域均低于该小区平均温度；而位于地块外围的S5 和S6 平均温度较高（10.7～11.1℃），其中高于该小区平均温度的区域占50%以上；S2 和S3 则 有12%～47% 的 区域高于该小区平均温度。

图4 夏冬两季14:00 室外活动空间温度差异

3.1.2 风速时空差异

由图5 可以看出，各典型小区的风速逐时变化规律并不显著，全天均较为平缓，表现为：白天冷、暖气压减小，正午时段风速小幅降低；而夜晚湍流交换明显增加，风速稍有提升。低层行列式、中层点式、高层点式场地内，夏季14:00 的平均风速分别为1.0、1.1、1.2 m/s，全天风速差异均在0.2 m/s 上下波动；冬季则分别为0.6、0.7、0.9 m/s，全天风速变化幅度不超过0.1 m/s。其中，高层点式地块密度低、迎风面积小，更有利于延长湍流传输，因而风速更大。另外，室外活动空间风速受迎风面积和入流方向影响较大，夏冬两季各典型小区均呈现出S4 平均风速最大、S2 平均风速最小的情况。

图5 夏冬两季14:00 室外活动空间风速差异

3.2 室外空间舒适度评价

3.2.1 舒适度时空差异

图6 反映了夏冬两季PET的逐时变化规律：夏季0:00—6:00，各典型小区的PET均值在22.3℃左右（舒适）；18:00—24:00 时，PET均值在27.5℃左右（稍暖）。两个时段内，PET曲线均随时间推移而减小。10:00前后，部分室外活动空间突降，这是由于太阳高度角变化，开敞区域逐渐受到建筑阴影遮挡；从12:00 开始，开敞空间接受太阳直射，PET回升；15:00 前后，PET达到峰值（极热），并持续约2 h。冬季PET变化与夏季相似，但拐点时刻在早、晚分别延后和提前约1～2 h。

图6 夏冬两季PET 逐时变化规律

地块内PET空间分布特征与辐射环境一致，均显示夏季建筑阴影侧和冬季建筑南侧日照区域舒适度最高；此外风影区湍流速度较小，夏冬两季均存在一定高温区域（图7）。低层行列式、中层点式和高层点式场地内人行高度1.5 m 处，夏季14:00的PET范围分别为31.4～49.0 ℃、30.6～47.6℃、29.9～46.4℃；冬季则分别为10.3～28.5℃、9.8～27.7℃、9.3～27.2℃。

图7 夏冬两季14:00 PET 平面空间（1.5 m 高）分布特征

3.2.2 不同人群室外舒适度差异

以低层行列式地块为例，比较不同人群室外舒适度差异。老年人和儿童的PET逐时变化规律与普通成年人相似，热感觉等级基本一致。夏季，白天时段仅在S3 和S5 存在明显的人群差异，老年人和儿童较普通成年人极热感觉出现时刻提前约1 h，且正午时段的PET峰值高0.3～0.9℃；夜晚时段，老幼群体仅在S4 较普通成年人PET更低，但热感觉等级并无差异。冬季与夏季类似，在同一室外活动空间中，老年人和儿童更易产生偏冷感觉。

老年人和儿童14:00 时的PET空间分布特征与普通成年人相差较小，仅在风场变化快的建筑与入流方向相切处差异较大。居住小区范围内，难以捕捉不同人群的热感觉等级差异，但仍表现出普通成年人PET范围最小（夏季31.4～49.0℃、冬季10.31～28.53℃），老年人PET范围其次（夏季31.4～49.1 ℃、冬季9.85～28.50 ℃）， 儿 童PET范围最高（夏季31.3～49.2 ℃、冬季10.12～28.58℃），即：普通成年人对室外热环境的适应性最强，敏感性较弱；儿童的适应性最差，对室外环境变化更为敏感。

在建筑阴影空间和风速较大区域，老幼群体室外舒适度低于普通成年人。从图8 可以看出：夏季，S4和S6 中不同人群PET差异较大，而其他4 类空间中差异较小；冬季，不同人群PET差异更大，但仍未体现出热感觉等级差异。

图8 夏冬两季14:00 室外活动空间PET 人群差异

3.3 室外活动空间的适宜性分类

3.3.1PET热感觉等级累积时长

图9 显示了各典型小区不同室外活动空间白天主要活动时段（夏季6:00—20:00、冬季8:00—18:00）PET热感觉等级的累积时长。夏季，室外活动空间的舒适和稍暖感觉均在4～7 h，相差较小；S1 和S5 的极热感觉时长最长（约7 h），位于阴影区域的S3 和S4 极热感觉时长最短（约3 h），S2 和S6 的极热感觉时长则在4～6 h。冬季的热感觉累积时长规律与夏季相反，不同室外活动空间的极冷感觉时长相差较小，范围均在1～2 h；而舒适感觉时长相差较大，在4～8 h 之间。其中，最大可能接受太阳直射的S3 和S4 舒适感觉时长最长（约5 h），其次为S1、S2和S5，S6 冬季舒适状况最差。

图9 夏冬两季主要出行时段PET 热感觉累积时长

3.3.2 场地适宜性等级划分

通过叠加夏至日和冬至日人行高度1.5 m 处PET热感觉等级空间分布，统计各热感觉累积时长，划分室外活动空间的适宜性等级。夏季舒适时段主要集中在上午，即日出后2～3 h；其白天近地面储热量直至日落后才逐渐消散[25]，因而夏季日落时段较少存在舒适区间。冬季舒适时段较夏季更长，且主要集中在正午时段，日出和日落时多为凉或冷感觉。各典型小区室外活动空间场地适宜性等级划分规律一致。如图10 所示，S1 和S2 的适宜空间主要分布在南侧；S3 的适宜空间主要位于北侧近建筑空间；S4 受日照和风场双重作用，适宜空间占比较大，但分布零散；而S5 和S6 通常位于地块边缘，温度和风速变化较快，且受周边道路和地块影响大，适宜空间较少。

图10 理想化居住小区适宜性等级划分

进一步定量描述各典型小区适宜、较适宜和不适宜室外活动空间的面积及占比（表6）。低层行列式、中层点式和高层点式3 类典型小区中，S5 的适宜活动空间占比最高（超过50%），但可利用面积不足 ；S2的适宜活动空间占比分别为52%、31%、50%，且可利用面积较多；S3 和S6 的适宜活动空间占比偏低，而不适宜活动空间占比较高；S1 和S4 适宜活动空间占比一般，且不同类型小区差异较大，但较适宜活动空间占比较高。

表6 室外活动空间场地分级范围

3.4 实践应用

实践案例位于重庆市北碚区蔡家组团内，为中层点式和行列式建筑混合居住小区。项目占地约13.6 hm2，总建筑面积为287 284 m2，平均建筑高度约27 m（9 层），建筑密度约33%。通过分析项目在夏冬两季人行高度空间典型时刻的舒适度，了解不同室外活动空间的微气候差异，分析热感觉等级的累积时长及室外活动场地划分类型（图11）。可以看出，该项目适宜活动空间面积占比最大，但多位于地块边缘区域；而较适宜活动场地和不适宜室外活动场地占比接近。其中：适宜区域主要分布在中心广场和组团绿地北侧；山墙空间受日照和风场双重作用，适宜区域占比大，但分布零散；边缘空间的适宜区域则集中在地块西侧和南侧；而宅间绿地周边多为不适宜区域，仅北侧近建筑空间为适宜区域，且可利用面积不多，需重点进行微环境优化设计。

图11 蔡家项目前期设计方案及场地分级类型

4 结论与讨论

综上所述，本文基于城市矢量数据提取典型居住小区类型，借助ENVI-met 和RayMan 模型软件，定量描述6 类室外活动空间的风、热环境，讨论不同人群的舒适度差异；通过叠加夏至日和冬至日PET热感觉等级累积时长，对舒适度指标进行空间化表征，划分室外空间适宜性等级。研究结果能够增加对室外活动空间现状微气候定量差异认识，并可直观引导室外空间规划设计和活动设施空间落位。

（1）随开发强度增加，居住小区近地面空间平均温度更低、风速更大、热交换更快，其内部室外活动空间环境平均差异也更小。不同室外活动空间夏冬两季最大温差分别出现在正午14:00（0.9～1.1℃）和早晨6:00（0.4～0.9℃）。夏季，小区绿化产生的凉爽空气集中在地块西北侧；冬季，主导风向易置，最低气温通常出现在南侧建筑阴影区。此外，室外活动空间风速受迎风面积和入流方向影响较大，其中山墙空间受建筑角隅作用明显，比其他室外活动空间平均风速高约0.5 m/s。

（2）PET热感觉变化主要受辐射环境作用，昼夜差异显著。夏季舒适感觉时段主要集中在日出前和日落后，且不同室外活动空间中，因宅间绿地和山墙空间存在部分建筑遮阴区域，夏季舒适度更优；而小区南侧入口空间因接受日照时间最长，冬季舒适度最大。此外，老年人和儿童对室外舒适度更敏感，尤其是在建筑阴影下和风场变化更快的建筑与入流风场方向相切处；但热感觉等级与普通成年人基本一致。

本次研究建立了完整的室外空间微气候量化评估和适宜性等级划分的方法流程，但在模拟误差、PET适用范围和居民主观感受等方面仍有待深入。未来场地舒适度评价可在实地观测和问卷调研基础上，深度集成建筑设计软件和有限元计算接口，开展动态耦合模拟和模型校验，以进一步提高场地微气候和适宜性评价的效率和精度。