居住小区空间载体的微气候调节作用及其落位原则

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

0 引言

在高密度开发背景下，城市环境承载力面临巨大挑战[1-2]。与此同时，居住小区规划设计日益强调空间适宜性与环境舒适度[3-4]，使得基于室外空间微气候的优化设计备受关注。立体空间拓展和绿化设施配置在对地面绿量进行补充的同时，也影响着下垫面传热、局部通风和多重辐射过程，进而引起人体热感觉差异。因此，定量评估空间载体微环境及舒适度改善作用，将成为气候适应性城市建设的重要一环。

目前，相关研究多关注在下沉空间开发和屋顶空间利用等方面，以语义评价或问卷调查等社会学方法，提出室外活动设施内容、规模、分级等规划控制指标的指导意见。例如，王博等[2]将客观的眼动追踪技术与主观的语义解析法相结合，从使用者角度对城市下沉广场景观满意度进行评价，认为尺度感和围合感是下沉花园景观满意度的重要空间要素；而葛翠玉等[5]通过实地和网络调查发现，激励措施不足和建造成本高等工程管理因素将限制屋顶花园的大规模推广，对此提出针对性对策。另有研究借助场地观测或数值模拟等气候学方法，探讨室外活动设施降温、通风和舒适度等热效应指标的时空差异。研究表明，建筑底层架空可有效改善高密度城市热环境，提高室外活动空间舒适度水平和通风状况[3]，而下沉广场冬季热中性温度比周围环境低约0.9℃[4]；屋顶绿化在围合布局中的降温强度最大（0.5℃），在分散布局中则对街区整体热环境的改善最佳[6]。然而，当前研究多关注小区整体层面的空间组织和下垫面特征，尚未细化至空间载体类型；虽然针对特定季节的微环境改善工作逐年增加，但通常具有地域性限制，较少覆盖夏冬两季及具有山地特性（或纵向高差）的住区环境。笔者团队曾在之前的研究[7]中，以重庆市为对象，探讨居住小区室外活动空间的微气候差异，并尝试适宜性等级划分；本文将在此基础上，进一步对当地居住小区空间载体的微气候调节作用及其落位原则进行探讨。

1 研究方法

本研究参照重庆地域特征，建立下沉花园和屋顶花园两类典型的居住小区空间载体，借助ENVI-met 和RayMan 软件，开展室外微气候和人体舒适度模拟，并应用ArcGIS 量化评估夏、冬两季的热风环境和舒适度改善程度，提出基于微气候优化的空间载体落位原则。研究结果拟丰富住区室外立体空间规划内容，为引导室外活动设施的空间选位和规划实践提供支撑。

1.1 空间载体类型设置

重 庆 市（118°45′E，32°25′N）地处长江上游，山地和丘陵占总面积的近94%，建城区用地高差变化较大，海拔在100～1 000 m 之间[8]。本研究依据山地环境的特殊性，建立多种空间载体应用场景，为居住小区规划设计提供装配式模块化的室外场景选择，“定制”微气候条件。空间载体的基础设计单元一般包括平行盒子、漫游客厅、下沉花园、屋顶花园等空间载体形式及多场景设计模块，其中：平行盒子和漫游客厅可分别置于小区公共空间和入户空间，丰富社区功能；下沉花园结合地势高差，拓展纵向空间；屋顶花园利用闲置空间，补充绿地覆盖。本文基于后两类改善型空间载体，分别设置设计场景和参照场景（参照场景均为未布置空间载体对应的场地状况）：下沉花园依据中庭位置，布置为下沉中庭、架空中庭、错层中庭和分台中庭4 种模式；屋顶花园则依据屋顶空间所属建筑的体量差异，分设小区公共单体建筑、点式住宅、行列式双拼住宅和底层商业裙房4 种模式；且所有场景中的建筑均布置为南北朝向（表1）。

表1 空间载体类型及设计尺寸

表2 PET 舒适度等级划分

1.2 模型配置和分析方法

1.2.1 微气候模型和舒适度指标

微气候模拟软件ENVI-met 主要借助流体力学和热力学原理，模拟建筑、植被与大气之间的作用关系[9]，其气象参数拟合度最高，植物传热性能最优[10]。根据相关研究结果[6,11-12]，重庆市大气温度标准误差（RMSE）范围为0.68～1.21℃，其中屋顶绿化场景比地面绿化场景的误差高约0.4℃；而在街区尺度绿地、滨水和硬质地面场景中，大气温度标准误差通常在1.02～1.95℃之间。以往的研究均证实ENVI-met 具有连续稳定性，其误差主要与边界条件、建模尺度及网格精度等模型设置和模型本身不确定性有关。

舒适度模型软件RayMan 综合考虑背景气象因子和人体生理参数，评价室外人体舒适度[13]。生理等效温度（PET）用于表征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时所对应的理想环境温度，可划分为9 个等级的舒适度范围[14]（表2）。PET能够有效反映大气温湿度、风速和平均辐射温度等热环境参数对人体生理状态的影响，广泛应用于不同气候条件下的室外舒适度评价。

1.2.2 模型配置

参考两类空间载体的组合形式和地被覆盖类型进行建模，统一将模拟场景设置为100×100 平面网格且分辨率为2 m×2 m 的模拟域。纵向网格数依据建筑高度分别设置为20、35、50 个，分辨率均为2 m。模型主要输入参数见表3。

表3 ENVI-met 模型主要输入参数及取值

（1）基于中国标准气象数据集[15]，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。①重庆属Ⅱ类夏热冬冷热工区，日均温度在8.7（12 月）～31.4 ℃（8 月）之间；全年风速较低（0.9～2.1 m/s），且夏季主导风向为东南风（SE），冬季主导风向为西北风（NW）；年日照时数约1 180 h。②借助地面气象站数据平台，获取平均云量和太阳辐射范围；进而参照城市地理位置、云量和调整系数（0.7），自动生成逐时太阳辐射。③初始土壤的温、湿度和植被属性[11-12]均参照同类气候区设置。

（2）建筑表面反射率和传热系数参数均满足地方设计要求。

（3）为精细化表达屋顶绿化热作用过程，在ENVI-met 中添加绿化表皮模块。

此外，在舒适度模型中，参照普通成年人生理特征，设置年龄35 岁、体重75 kg、身高175 cm；且夏、冬季服装热阻分别设置为0.047、0.186 m2K/W。

1.2.3 数据处理

为定量评价空间载体对室外微气候的改善状况，需对夏、冬季热风环境和PET热感觉等级变化进行全面分析。

借助ENVI-met 输出具有空间属性的逐时大气温湿度、风速和平均辐射温度，并剔除建筑所占网格。将逐时气象数据输入RayMan，计算PET并生成文本文件（.txt）；继而导入ArcGIS，转换为矢量网格点数据（.shp）。统计距地面（或屋面）1.5 m 处水平剖面处的近空间载体三维空间10 m 内所有网格（分析区域已标注在图1、2 中）、大气温度、风速和PET的平均值。

图1 夏、冬季14:00 各模式空间载体布置前后距地面1.5 m 高处温度变化特征

选择热累计强度较大的14:00 为样本时段[11]，叠加设计和参照场景的微气候分布图，计算大气温度和风速差值（正值表示降温和阻风作用，负值表示升温和促风作用），分析白天热、风环境的空间差异；同时，提取居民主要活动时段[16]（日出后1 h—日落后1 h，即夏季6:00—20:00、冬季8:00—18:00），分析该时段内PET热感觉累计时长变化。

根据昼夜大气温度和风速差值与参照场景中同时段平均温度及风速之间的比值，以及PET热感觉为极热或极寒的时数变化与昼夜总时数之间的比值，分别评价空间载体对微环境和舒适度的改善程度，识别最大化提升场地热效应的设计模式。

2 结果分析

2.1 室外热、风环境

2.1.1 热环境

由图1 可以看出，两类空间载体均表现为降温作用，其中夏季降温强度及覆盖范围明显大于冬季，且主要降温区域受季节主导风向和空间开敞度影响显著。

下沉花园对周边和局部环境均表现为降温效应。夏季，架空中庭模式产生的降温强度最大，且狭窄空间的风压较大，有利于风场加速，在架空层南北两侧均存在较大降温覆盖范围；下沉中庭和错层中庭模式均为半开敞空间，其内部植被产生的凉爽空气聚集在下沉空间北侧或西北侧；全开敞的分台中庭模式具有最大降温覆盖范围，但降温强度最低，且受退台阻隔，冷空气多在地形高差处向东西两侧扩散，难以爬升至北侧建筑空间。冬季，各下沉花园模式的降温强度略有减小，主要降温区域位于下沉空间的东南侧或开口方向。

相较下沉花园，屋顶花园降温强度更小，降温辐射范围更大。夏季，屋顶植被产生的最大降温强度一般位于屋面西侧。建筑高度较低的公共单体和商业裙房的屋顶绿化降温强度最大，但水平方向的降温覆盖范围较小；同时，因低层建筑缩短了冷空气纵向传播距离，也在一定程度上改善了近地面人行高度热环境。点式住宅和双拼住宅屋顶处的风速更大，因而屋顶花园降温覆盖范围扩大，平均降温强度随之减小。冬季，主要降温区域移至屋面东南侧，屋顶植被降温效应也被削弱。

2.1.2 风环境

室外空间载体通常具有阻风作用，但下沉花园因扩展风场发展空间，存在局部促风作用。由图2 可以看出，夏、冬季两类空间载体各模式之间的差异规律一致，但夏季阻风或促风作用略大于冬季。

图2 夏、冬季14:00 各模式空间载体布置前后距地面1.5 m 高处风速变化特征

下沉花园布置后，风场向下沉空间延伸，而后尾流区因受到围墙阻隔，最大风速均出现在下沉空间中心区域。其中，架空中庭模式的风场加速最为显著；分台中庭模式最为开敞，风场方向分散；而半开敞的下沉中庭和错层中庭模式，其风速增加程度介于前两者之间。

屋顶花园对空间改造较小，仅植被增大了表面粗糙度，对风速的影响与下沉花园相反，表现为阻风作用。一般情况下，屋顶南侧迎风面的风速降低最明显，而下风向的屋顶北侧因同时受纵向气流影响，阻风作用被削弱；且高层比低层建筑屋顶空间的风速更大。相同屋顶花园植被密度下，点式住宅和双拼住宅模式的阻风作用更明显；公共单体和商业裙房屋顶空间的风场发展因受建构筑物阻碍，局部掩盖了屋顶植被的阻风作用。此外，冬季由于入流风向置换，风速减小，两类空间载体的阻风或促风作用均相应减弱。

2.1.3 不同空间载体对室外微气候的影响程度

进一步统计两类空间载体夏、冬季昼夜时段热、风环境的平均状况，分析空间载体对环境因子的影响程度。图3 显示，两类空间载体均起到降温作用，但对风速的影响并不一致。其中，下沉花园扩展了风场发展的空间，起到促风作用；而屋顶花园各种模式均不同程度增加了表面粗糙度，起到阻风作用。下沉花园白天时段对热环境的平均改善程度分别为1.2%（0.25～0.55 ℃）和0.6%（0.11～0.24 ℃），对风环境的平均影响程度分别为15.4%（0.18～0.35 m/s） 和 11.7%（0.10～0.23 m/s）； 而 夜 晚 时 段对热环境的作用相反，且影响程度明显降低，平均升温在0.1℃以内。屋顶花园白天时段均起到降温和阻风作用，对热环境的平均改善程度分别为1.4%（0.34～0.42 ℃）和1.1%（0.25～0.33 ℃），对风 环境的平均影响程度分别为15.1%（0.17～0.31 m/s） 和 13.4%（0.15～0.22 m/s）；而夜晚时段对风热环境的影响程度减弱，但仍保持与白天时段一致的微气候作用。

图3 夏、冬季两类空间载体布置前后微气候差异

2.2 室外舒适度

2.2.1 逐时变化特征

各模式空间载体布置前后，PET及其热感觉范围变化存在明显昼夜差异（图4）。其中，PET在10:00—16:00（6 h）时段内均有降低，最大降幅达到8.2 ℃；而在20:00—次日6:00（10 h）时段内，PET稍有上升。

图4 夏、冬季两类空间载体布置前后PET 逐时变化

夏季，PET在6:00 降到谷值，约为22.6 ℃（舒适）；且随时间推移逐渐升高，在15:00 达到峰值，约为44.2 ℃（极热）；之后PET逐渐减小，直至次日凌晨，热感觉由暖、稍暖向舒适逐级变化。其中，相对封闭的下沉花园（模式1～3）随着太阳高度角增大，逐渐产生遮荫空间，PET在10:00 前后出现突降，并在正午12:00 时，太阳高度角达到最大，下沉空间中心区域的阴影减少，PET回升；而屋顶植被因正午大气温度和辐射累积强度较高，植被光合作用减弱，PET在12:00—16:00 出现短暂下降。

冬季与夏季PET逐时变化规律相似；但太阳入射角度和辐射强度均有下降，使得下沉花园遮荫作用缩短近2 h，屋顶花园PET波动亦有所减弱。

2.2.2 日累积热感觉等级变化

下沉花园或屋顶花园布置后，人体热感觉等级逐渐由极热或极冷向舒适集中。其中：夏季极热时段减少1～5 h，热时段减少1～2 h，稍暖和舒适时段均增加约1 h；冬季极冷时段减少2～3 h，寒冷时段减少1～2 h，稍冷和舒适时段增加1～3 h（图5）。下沉花园中，架空中庭对热舒适的改善程度最大，夏季极热时段减少约3 h，冬季极冷时段减少2 h；而分台中庭对室外舒适度改善程度相对较小，但仍可降低1 h 左右的极热或极寒热感觉等级。屋顶花园中，低层建筑模式对舒适度的改善程度明显优于高层，其中：公共单体和商业裙房夏、冬季均降低极端热感觉2 h；点式和双拼住宅则可降低夏季屋顶空间极热感觉3 h，但冬季极寒感觉仅减少1 h。

图5 夏、冬季两类空间载体布置前后热感觉等级累计时长

2.3 案例应用

应用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。该小区占地面积约13.6 hm2，建筑面积为287 284 m2；场地最大高差约28 m，最大坡度达到6.3%，平均建筑高度约27 m（9层），建筑密度约33%。两类空间载体布置后，夏季极热感觉时段减少1～3 h，冬季极冷感觉时段减少1～2 h；小区中心布置的下沉花园最大降温约0.63 ℃，屋顶花园可降低屋面空间温度0.35 ℃。由上风向屋顶花园和下沉花园产生的凉爽空气，渗透至建筑底部，并在风场作用下穿过架空层，可将冷空气扩散至下风向30 m 处（图6）。可以看出，两类空间载体对夏、冬季室外环境的作用规律一致，但需求相反。合理布置空间载体可在一定程度上改善夏季室外舒适度状况，且同等响应规律在冬季明显减弱，对整体室外环境影响较小；此外，空间载体中的植被在白天可有效吸收热量，而在夜间能够延缓能量释放过程，尤其对冬季室外环境，具有更大的改善作用。

图6 夏、冬季14：00 案例场地优化前后人行高度1.5 m 处热环境变化

3 室外活动设施落位原则

3.1 空间载体落位

基于社区层面[7]和设施层面的模拟分析，可分别从社区规划布局、室外活动空间和室外活动设施等方面提出基于场地风热环境和室外舒适度优化的设计原则。以理想化社区模型和典型空间载体为背景，对不同室外活动空间的热、风环境差异进行分析，并根据舒适类型及累计时长，从布局上划分室外活动空间适建等级，从组织上识别空间载体对局部微气候的改善潜力。

场地微气候由布局形态、开发强度、下垫面类型、植被水体等因素共同决定。开发强度和社区整体布局决定了社区微环境的平均水平（如高层社区的各室外活动空间温度均低于低层社区[7]），而建筑间的组合又形成了存在环境差异的室外活动空间。通过场地分级确定各室外空间中3 类场地的占比和面积[7]，在较适宜或不适宜场地，以空间载体各模式的列举顺序（由左向右）作为同条件下的优选顺序，优先布设下沉花园和屋顶花园，可实现对微气候的改善；并进一步结合植被、水体、遮阳和铺装等设计元素，辅以住区微气候优化（图7）。

图7 空间载体落位技术路线

3.2 空间载体设计

两类空间载体布置后，能够起到微环境改善作用；且除本身空间形式外，主要由载体内部绿地植被发挥作用。因此，对于无条件地块或已建成地块的室外空间布置，应以降温设施布置在夏季主导风上风向为主要落位原则，合理搭配乔、灌、草，并设置主动式微环境调节装置。同时，为实现微环境改善的规模效益，下沉花园或屋顶花园需至少预留500 m2。

3.2.1 下沉花园

架空中庭模式在夏、冬季均具备最佳热效应，宜优先考虑。错层中庭和下沉中庭模式可利用规模绿地或开阔水体形成降温区域，布置在下沉空间南侧（夏季主导风迎风侧）；北侧和东西两侧则设置缓坡或逐级退台，以利于延伸风场路径。分台中庭模式单侧开放难以高效积聚凉爽空气，可将建筑提前至下沉断面或单侧落至下沉空间，以获得更多室内天然采光。

3.2.2 屋顶花园

屋顶绿化不仅是改善微气候的重要设施，还可作为有效绿化面积（按20%）冲抵集中绿化面积[18]。在公共单体及商业裙房等低层建筑的屋顶绿化可产生更大的热效应，且因风速较低，宜优先选配多种植被结合的花园型屋顶绿化；若局部种植，宜考虑屋顶迎风侧，有利于冷空气辐射下风向区域。高层建筑屋顶处风速更大，宜优先铺设草坪或低矮灌木的简易型屋顶绿化。

3.2.3 综合布置

单一空间载体可实现对局部微环境的改善，但辐射范围仍较小，且易随风场变化流失于非活动区域。若两种空间载体有机组合，可获得最大化降温的边界效益（图8）。

图8 室外活动设施组合形式布置

（1）前后结合：将下沉花园和低层建筑屋顶花园布置在建筑南侧，可有效延续降温区域至架空层；将下沉花园布置于低层建筑屋顶花园下风向，建筑屋顶宜南高北低，有利于引导冷空气沉降至近地面，进而延伸至建筑架空层或积聚在半封闭的下沉空间；若将下沉花园置于屋顶花园上风向处，建筑屋顶应南低北高，以利于抬升下沉花园入流风场，引入屋顶空间。

（2）上下结合：在同一建筑的屋顶种植绿化且底层架空，可同时满足冷空气下沉和底层通风的条件，并在近地面实现降温效应叠加，扩大微环境改善范围。

4 结语

在城市公共空间诉求增加和城市环境越发复杂的双重压力下，居住小区立体空间开发无疑是改善空间品质、提升环境质量的重要方式。本文将室外微环境和人体舒适度模拟作为居住小区室外空间载体比选和落位的基础，对热风环境的时空分布和改善程度进行较为完整的评估，研究具有科学性。当然，本文尚存在一定局限性：并未统一空间载体的设计尺寸和控制单一绿量，忽略了其可能引起的规模效应；相关环境因子的累积效应、舒适度指标的动态耦合方法也有待深入；此外，模型部分输入参数取自默认值，建筑材料和植被属性对热环境的潜在影响未作充分考虑。但本次模拟结果仍然揭示了不同设计场景之间的相对差异，亦可作为立体空间多方案比选和落位的参照。因此，在高密度山地城市增设下沉花园和屋顶花园等空间载体，不失为调节微气候的有效干预手段。