关于广州生活性街谷热环境数值模拟的探索

作者：郑晓敏

   城市街谷热环境是地域气候等自然条件和城市规模等社会与人工因素综合作用的结果。对街谷热环境的各个主要影响因素开展定量研究，在此基础上，科学合理地提出城市街谷的设计策略与指引，对合理设计城市街谷，提高街谷的热环境质量和降低城市与建筑能耗，具有重要的现实意义。

  以往开展的街谷热环境研究集中在中纬度地区（以色列、阿尔及利亚、希腊、摩洛哥、大阪、中国西安、武汉等）。大量研究表明，高宽比、走向、绿化和表面反射率为主要的街谷热环境设计因素。其中，高宽比及走向对街谷内各表面的能量分布有重要影响，受到的关注最多；绿化可蒸发降温，改善行人热舒适，是改善街谷热环境的主要策略；表面反射率直接影响各界面的太阳辐射吸收，进而影响街谷的热环境。

  尽管国内外已有许多研究，但针对街谷热环境的研究和设计应用仍然存在以下不足：1）以往研究集中在中纬度和干热气候地区，低纬度的湿热气候地区缺乏系统研究；2）许多研究面向城市设计提出了改善街谷热环境的设计策略和方法，但多为定性结论，如建议在干热地区设计紧凑街谷、设置遮阳、增加绿化等，对于“有多紧凑”、“绿化多少”没有给出定量结果，这不利于实际工作的开展。

  本文针对我国湿热地区广州的生活性街谷，通过实地调研和数值模拟，定量分析各设计因素及其交互作用对街谷热环境的影响，寻找得到最优的街谷热环境设计方案，并提出相应的定量设计建议，以期为我国低纬度湿热地区城市的街谷热环境设计和改造提供坚实基础和保障。

1研究方法

1.1气候条件

  广州位于北纬23。08 ’、东经113。19’，夏季温高湿重，七月平均气温28.4℃，相对湿度82%。参考文献[21]，广州的夏季典型日平均气温28.2℃，最高31.1℃(13:00)，最低26.1℃(03：00)，平均湿度77%，风速日间2 m/s，夜间0—2 m/s，水平面总辐射照度最大值为466. 67 W/m2。本文的分析在广州夏季典型日天气条件下进行。

1.2设计因素及水平

  《城市规划设计原理》中对生活性道路定义为：解决城市各分区内部联系的需要，车速较低，以行人、自行车和短距离交通为主。车道宽度可稍微窄一些，两旁可布置为生活服务的人流较多的公共建筑，需保证有比较宽敞的人行和自行车使用的空间。结合广州的实际，本文将生活性街谷定义为具有生活性功能的城市次干道或支路与两侧建筑形成的类似峡谷的空间。

通过广州市天河区20条生活性街谷的实地调研，获取广州生活性街谷的主要特征为：支路为主，次干道为辅；东西和南北走向居多；高层建筑为主，多层为辅，①0.4~3；人行道和建筑浅色铺装，太阳辐射反射率0. 25—0.5；街谷绿化以细叶榕为主，绿化覆盖率9%~33%。结合实地与文献调研，选取支路1（街道宽30 m）、支路2（街道宽40 m）、次干道（街道宽56 m）3种常见街谷作为研究对象，其主要热环境设计因素及水平如表1所示。

1.3正交试验设计

采用正交试验分析各因素及其交互作用的影响。表1给出了4种因素不同水平混合的情况，对此并无适合的正交表实现工况设计。因此，在调研结果基础上，将高宽比和表面铺装两因素舍弃出现比例最少的水平，对走向增加平行于广州夏季主导风的东南一西北走向，由此，将四因素统一调整为3个水平，选用标准表L27(3”)设计试验工况如表2所示。

1.4数值模拟方法

先依调研结果确定街谷两侧建筑的平面形式及尺寸，再依据实际情况和《广州市城乡规划技术规定（试行）》的建筑间距要求，确定数值模拟用街谷模型如图1所示。可见，东西向街谷的建筑间距较短，紧密排布，而南北向街谷因日照要求建筑间距较宽，排布宽松。

  本文采用Bruse等人开发的三维城市微气候模拟软件ENVI-met进行街谷动态热环境计算。ENVI-met基于CFD和传热学原理计算地面、建筑、植被和空气之间的传热和力学作用。软件具有较高的时间和空间分辨率，可模拟复杂城市局地微气候的动态变化，可输出气温、表面温度、风速风向、空气湿度、短波和长波辐射量、以及平均辐射温度等热环境参数。软件尚不能模拟降雨、结冰现象，也不能考虑行车和人为热的影响。本文研究的生活性街谷富含各种设计要素，如建筑、植被、地面等，尺度小，行车少，适于用ENVI-met进行模拟分析。

  模拟区域统一设定为500 m×200 m×229. 66m．水平网格数100×40（分辨率5m）。区域四周设置了5个嵌套网格，嵌套网格的地面类型为壤土(10am)。垂直方向采用不等距网格，4m以下空间分配5个网格（0.8 m间距），4m以上空间采用了放大系数为10%的弹性网格，共38个网格。

  我国现行标准DBJ  15-50-2006《城市居住区热环境设计标准》以典型气象日作为住区室外热环境的评价和设计基准，故本文选取广州的夏季典型气象日数据作为模拟计算的气象边界条件，其中包括气温、空气比湿、风速、风向和太阳辐射的逐时数据。典型日7:00~19：00的10 m高处风速恒为2 m/s，该时段基本包含本文重点考察的时段，因此10 m高处的风速全天统一取2 m/s。风向取夏季主导风向东南风。模拟时间从0:00开始，共计算24h。

2结果与分析

2.1设计因素分析

  行人热舒适是生活性街谷热环境设计考虑的主要目标。选取热舒适指标标准有效温度( StandardEffective Temperature，SET*)，将街谷在人行高度（即距地1.5 m处）的SET*平均值作为街谷热环境的评价指标。

  计算SET*时给定参数如表3所示。

  实际生活中，人们在街谷的活动集中在早上时段7:00~9:00（晨练、去菜市、上班）和晚上时段17:00~ 20:00（去菜市、下班、饭后散步），而中午时段12：00~ 14：00是一天中热环境较为恶劣的时段，也有少量行人活动，故本文选择这3个时段开展数据分析。

以图1a街谷模型为例，7:00的SET*值分布如图2所示。对街谷外而言，受较热来流风和风影区影响，东南侧和北侧的SET*值较高，因风绕行街谷的加速作用，西南侧SET*值较低。街谷内的SET+值呈现由东到西递减和水平条状分布两个特征。前一特征受气流和太阳辐射共同作用形成。在东南风作用下，温度较高的来流风大量在街谷东侧开口进入，而早上太阳在东北方向，可从东侧开口入射到街谷内，由此形成气温由东到西递减的趋势。受绿化带降温作用的影响，街谷内出现绿化遮阴处较低而非遮阴处较高的带状分布。

  方差分析是数理统计的基本方法之一，能够定量描述各因素对试验结果的影响大小。本文采用方差分析方法对正交试验结果进行分析。

2.1.1  早上时段

早上时段街谷热环境设计因素及其组合的贡献率如表4所示。

  结合表4和图3的各因素影响效应可知：

  1)走向对SET*的贡献率最大，均在70%以上，其次是高宽比，为10%~20%，绿化和表面铺装对SET'的贡献率最小；

  2)高宽比和走向的交互作用、走向和绿化的交互作用对SET*有一定影响，但贡献率不大，除此以外的交互作用不显著；

3)以SET*降低为优选目标可知：高宽比取大为好；走向的优选排序为东南一西北走向>东西走向>南北走向；绿化覆盖率取小为好；表面铺装的优选次序为红色贴砖+红砖>浅色贴砖+瓷砖>浅色贴砖+红砖；街谷两侧建筑高度统一较高低均布好。

2.1.2  中午时段

中午时段街谷热环境设计因素及其组合的贡献率如表5所示。

  结合表5和图4可知：

  1)对于支路级街谷，绿化和走向对SET’的贡献率较大，其次是高宽比，表面铺装贡献率较小；对于次干道级街谷，走向和高宽比对SET*的贡献率较大，表面铺装和绿化对SET*的贡献率较小；

  2)高宽比和走向的交互作用对次干道级街谷的SET*有一定影响，但贡献率不大，除此以外的交互作用不显著；

3)高宽比、走向、表面铺装、建筑高度的优选排序与早上时段一致，绿化覆盖率有所不同，对支路而言取大为好，对次干道而言取小为好。

2.1.3晚上时段

晚上时段街谷热环境设计因素及其组合的贡献率如表6所示。

  结合表6和图5可知：

  1)走向对SET*的贡献率最大，为50%左右，其次为高宽比，再次为绿化，表面铺装对SET*的贡献率较最小；

  2)高宽比和走向的交互作用对SET*有一定影响，但贡献率较小，除此以外的交互作用可忽略；

3)各因素的优选排序为：高宽比取大为好；走向为东南-西北走向>南北走向>东西走向；绿化覆盖率取小为好；表面铺装为浅色贴砖+瓷砖>红色贴砖+红砖>浅色贴砖+红砖；街谷两侧建筑高度统一较高低均布好。

2.1.4  与以往研究的对比

以往研究在高宽比、走向、绿化和表面发射率四个因素及其组合对街谷热环境的影响方面得到一定结论，将其与本文的研究结果对比，如表7所示。

  由上表可知，在走向、绿化和交互作用方面，以往的研究结果与本文存在差异，不同气候地区的研究结果不能简单类推。

2.2街谷热环境设计

2.2.1  最优设计方案

正交试验结果可方便进行最优方案的寻优工作。由上述分析可知，不同时段的分析结果既有一致性，也有差别，因此有必要综合考虑各时段情况进行寻优。本文采用三时段SET*加权平均的方法，综合考虑热环境严重程度、街谷使用率和时段的长短，确定早中晚三时段的权重分别为0.2、0.4、0.4，以此得到街谷热环境寻优判据。支路1、支路2以及次干道的寻优结果如表8所示，最劣方案也一同显示。

  3种街谷的最优方案分别为方案7、方案9和方案7，也即：对于支路1，最优方案为“东南一西北走向、建筑高度90 m、绿化覆盖率26%、浅色贴砖+瓷砖的表面材质”，对于支路2，最优方案为“东南一西北走向、建筑高度90 m、绿化覆盖率7%、红色贴砖+红砖的表面材质”，对于次干道，最优方案为“东南．西北走向、建筑高度90 m、绿化覆盖率20%、浅色贴砖+瓷砖的表面材质”。

为分析最优和最劣方案的热环境差别，以最劣方案为基础，分别改变其单一热环境参数至最优方案水平，计算此时的SET*变化量，以此作为此参数的优化贡献如表9所示。

  由表9可知，平均辐射温度( Mean RadiantTemperature，MRT)和风速优化的贡献最大，有0.5~0.6 cC的改善，其次是气温，为0.2℃左右，单独优化湿度起反作用。这说明，不同街谷热环境的差异，集中体现在MRT和风速上，减少街谷热辐射和增加风速是改善街谷热环境的主要途径。需要说明的是，优化贡献的分析未考虑不同参数同时优化的交互作用。

2.2.2  优选设计方案

  最优设计方案均为东西一南北走向，在指导实际应用时有很大局限。为此，本文从另一个角度人手，先确定实际可行的街谷热环境设计目标，然后以此为据，优选出若干设计方案为实际工作参考。

  以往亚热带湿热地区的研究得到了室外和半室外空间人体热感觉投票( Thermal SensationVote，TSV)与SET*的关系式：

  TSV=0.184 SSET+  -4.961 5 ,R2=0. 88  (1)

  TSV =0. 138 2SET*  -3.346 9,R2 =0. 305   (2)

  TSV =0. 168 SSET* -4.277 4,R2=0. 92  (3)

  本文各街谷的SET*在32~ 34℃之间，故取32℃、33℃和34℃，分别用以上公式及IS07730[36]提供的预计平均热感觉指标( Predicted Mean Vote，PMV)与预计不满意者的百分数(PredictedPercentage  Dissatisfied, PPD)公式：

  PPD=100 - 95exp[  -(0.033  53PMV4 +0. 2179PMV2)]  (4)

计算3种SET*取值对应的人体热感觉和热不满意率如表10所示。

由表可知，本文各街谷的人体热感觉在1.0~1.4之间，热不满意率在28%~44%之间。结合实际操作和可行性等方面的考虑，本文将热不满意率≤36%作为街谷热环境的设计目标，对应方案应满足SET*≤33℃，由此得到广州生活性街谷的优选方案见表11~13。

2.2.3  优化设计建议

  结合优选方案和现行标准规范要求，提出供规划设计参考使用的广州生活性街谷的热环境优化设计建议如下：

  1)支路1（红线宽20 m，街道宽30 m）

  东南一西北走向街谷，沿街建筑平均层数应在15层以上，街谷内绿化覆盖率不应小于9%，即对于冠幅5m的树种株距不应大于15 m；南北和东西走向街谷，沿街建筑平均层数应在25层以上，街谷内绿化覆盖率不应小于9%，即对于冠幅5m的树种株距不应大于15 m；或沿街建筑平均层数应在15至20层之间，街谷内绿化覆盖率不应小于26%，即对于冠幅5m的树种株距不应大于5m。

2)支路2（红线宽30 m，街道宽40 m）

  东南一西北走向街谷，沿街建筑平均层数应在15层以上，街谷内绿化覆盖率不应小于7%，即对于冠幅5m的树种株距不应大于15 m；南北和东西走向街谷，沿街建筑平均层数应在25层以上，街谷内绿化覆盖率不应小于7 %，即对于冠幅5m的树种株距不应大于15 m；或沿街建筑平均层数应在15至20层之间且建筑高度无较大起伏，街谷内绿化覆盖率不应小于20%，即对于冠幅Sm的树种株距不应大于5m。

  3)次干道（红线宽40 m，街道宽56 m）

  东南·西北走向街谷，沿街建筑平均层数应在15层以上，街谷内冠幅Sm株距5m的行道树应布置3—5列；南北走向街谷，沿街建筑平均层数应在25层以上，街谷内冠幅5m株距Sm的行道树应布置3—4列；东西走向街谷，沿街建筑平均层数应在25层以上，街谷内冠幅5m株距5m的行道树应布置3—5列；或沿街建筑平均层数应在15至20层之间且无较大起伏，街谷内冠幅5m株距5m的行道树应布置3列。

3  结论

  本文针对广州生活性街谷，在实地调研基础上，开展街谷热环境的数值模拟正交试验，主要结论如下：

  1)早中晚3个时段各设计因素及其组合对街谷热环境影响的一致性表现为：走向的贡献率较大，其次为高宽比和绿化，表面铺装的贡献率最小；最优走向为东南一西北走向，高宽比取大为好，建筑高度统一较高低均布好。

  2)绿化的贡献率早晚小，中午大，早晚绿化覆盖率取小为好，中午绿化覆盖率取大为好（尤指支路级街谷）；南北走向在晚上优于东西走向，其他时间东西走向优于南北走向。

  3)高宽比和走向的交互作用对街谷热环境有影响，但影响不大。

  4)街谷热环境最优设计方案为较大高宽比的东西．南北走向街谷，减少热辐射和增大风速是街谷热环境优化的主要方面。

  5)以热不满意率≤36 %为设计目标，结合实际得到定量的广州生活性街谷优选设计方案和优化设计建议。

4  不足与展望

广州住宅大量安装和使用空调，空调室外机散热对生活性街谷热环境有显著影响，尤其对夜间空调使用密集的时段而言更是如此。人为热的排放时间和强度及其对生活性街谷热环境的影响，将在后续研究中加以考察。

5[摘要]针对广州生活性街谷，在实地调研基础上，开展街谷热环境的数值模拟正交试验。研究结果表明：早中晚三时段走向对街谷热环境的贡献率较大，其次为高宽比和绿化，表面铺装的贡献率最小；最优街谷走向为东南一西北走向，高宽比取大为好，建筑高度统一较高低均布好；绿化的贡献率早晚小，中午大，早晚绿化覆盖率取小为好，中午绿化覆盖率取大为好（尤指支路级街谷）；南北走向在晚上优于东西走向，其他时间东西走向优于南北走向；高宽比和走向的交互作用对街谷热环境有影响，但影响不大。通过寻优得到街谷热环境最优设计方案，结果显示，最优方案为较大高宽比的东西一南北走向街谷，减少辐射得热和增大风速是街谷热环境优化的主要方面。以热不满意率≤36%为设计目标，结合实际定量给出广州生活性街谷的优选设计方案和优化设计建议。