城市街道峡谷热舒适度分析方法与设计策略

1. 热舒适度研究

热舒适度评价的概念最早源于20世纪初, 首先被运用在对英国矿工工作场所的热环境状况评价中。热舒适性的定义主要有两类, 一类描述个体的热舒适状态, 即人类个体对周围的热环境是否满意 (ASHRAE, 2004) ;另一类描述热交换过程, 即人体产生的能量与消耗的能量平衡时的生理状态 (Fanger, 1970) 。热舒适度的提出是为了更好的对热舒适性进行准确的量化评价, 以便对城市热环境有清楚的认知, 从而采取一定的措施来改善城市热环境, 提高居民生活的宜居性。

目前国内对于开放空间人体热舒适度的研究比较少, 主要是该领域的研究起步较晚, 且大多数研究集中在室内空间。钱炜 (2001) 根据室内热舒适度指标PMW建立了户外热舒适的的数学模型, 与人体热感觉有较高的拟合度。黄焕春等 (2013) 基于TM卫星影像图提出了夏季热岛对热舒适度的影响划分标准, 并提出了相应的规划策略, 通过优化城市空间形成多层级的降温格局。吴志丰 (2016) 梳理了常用的热舒适度评价指数并从多方面探讨了改善城市热舒适度的途经和措施。总体而言, 国内学者对于开放空间中热舒适度评价做出了有益的尝试, 本文主要选取城市街道峡谷为例, 集中梳理影响其热舒适度的因子及相应的改善策略。

2. 街道峡谷热舒适度

街道峡谷 (Street Canyon) 是城市空间气候微环境的基本结构单元, 与开放空间不同, 这种空间单元是明显的水平和垂直方向的几何组合 (Nunez&Oke, 1977) 。城市空间主要通过热辐射交换和空气通风的方式来影响微气候 (Oke, 1981) 。街道峡谷作为人为设计的产物, 仍然可以通过城市设计来改变街道街道形态, 提高行人的热舒适度。街道峡谷热舒适度主要受到以下因素的影响:街道高宽比、天空因子、街道朝向、建筑朝向, 遮蔽比例, 下面对各因子的具体影响进行介绍。

2.1 街道高宽比 (H/W) 。

街道高宽比是指街道两侧建筑物的高度与街道宽度之比, 由于该指标构成简单, 在使用计算机进行街道热环境模拟时, 研究人员通常倾向于使用街道高宽比。

Abreu等人 (2014) 以巴西坎皮纳斯为例, 试图找到理想化的城市街道峡谷高宽比和街道朝向, 研究结果如下:南北朝向被定义为0°, 当街道的高宽比H/W小于0.5时, 街道朝向的影响对热环境影响非常微小。因此, 步行道上应该设置更多的遮阴;对于高宽比在0.5和1.0之间的街道, 街道朝向在90-120°之间比较适宜, 但也可以根据正午太阳高度改变人行道与树木之间的空间来改善热环境;对于高宽比在1.0和2.0的街道, 街道朝向在45-135°比较适宜;对于高宽比大于2.0的街道, 东北-西南朝向的街道上具有更好的热环境。Dai和Schnabel (2014) 在鹿特丹的统计研究得出了类似的结论, 并且发现由于北面建筑的北立面日间无法获得热量, 东西朝向的街道峡谷的热量并不均等。

2.2 天空可视因子SVF。

SVF是由Oke (1981) 提出, 用于衡量城市几何形态热岛性能的指标, 称为天空可视因子 (SVF, Sky View Factor) , 数值在0-1之间。当SVF=0时, 表示天空视野完全不可见;当SVF=1时, 表示天空在人眼所及视野范围可以完全看见。街道高宽比和天空可视因子都可以用来模拟街道峡谷热环境, 但由于现实情况中街道两侧建筑物形式多为不规则状, 因此天空可视因子 (SVF) 更为广泛使用。目前, SVF的测量方法较为成熟, 常采用鱼眼相机实测和几何模拟计算, 鱼眼相机实测法最常采用的是等角投影法, 其计算公式如下:

其中, n代表划分投影图像为间距相等的同心年轮数, i代表同心环指数, 代表第i个圆环内的天空的角度宽。

几何模拟计算方法主要依据高精度矢量地形图及实地勘测所建立的建筑模型, 形成城市空间数据库, 生成空间三维模型, 从而获得三维视角, 来分析天空可视域。由于这种方法效率较高, 能应对较复杂的现场情况, 因此在模拟实际街道热环境时使用的频率更高。

Johansson和Emmanuel (2006) 通过搜集斯里兰卡五个不同地区内街道峡谷的热环境参数来研究SVF与平均辐射温度之间的关系, 实验结果表明, 最大SVF (0.75) 和最小 (0.31) 可导致平均辐射温度相差30℃。这一结论得到了Shashua、Hoffman (2003) , 以及Johansson (2006) 的证实。此外, SVF指数也会对街道的空气温度和相对湿度造成强烈的影响, Johansson和Emmanuel (2006) 的研究结果表明, SVF最高的街道环境中, 由于温度的下降, 日间和夜晚的最大相对湿度差达到近40%。此外, 将SVF最高的街道与SVF最低的街道相比较, 前者正午的空气温度比后者低4℃, 而相对湿度高8%。Chen等人 (2012) 在香港的研究同样表明, SVF平均减少0.15, 将导致空气温度增加1℃, 但当SVF达到阈值0.65时, 温度将不再上升。

通过以上学者的研究可以推断出, 相比于分散空间, 街道峡谷空间可以提供更好的热环境。此外, 高宽比较大的街道峡谷在夜间对热舒适度具有负面影响, 因为遮蔽效应减少了通过净长波辐射到天空的热损失 (Johansson&Emmanuel, 2006) 。

2.3 街道朝向。

街道朝向对于热环境的影响主要在于其朝向条件能为街道提供的遮蔽面积大小。

Johansson和Emmanuel (2006) 通过实验数据研究发现, 南北向的街道可以提供更好的街道环境, 因为这种朝向的街道在早晨和晚上的阴影面积较大, 对热环境改善效果较好。KUSHOL等 (2013) 进一步通过对达卡市街道的模拟实验研究了南北向街道峡谷和东西向街道峡谷热环境的差异性, 实验结果表明, 南北向街道峡谷温度较低, 温差约为0.9℃, 而高宽比 (H/W) 为2:1的南北向街道峡谷可以在为行人提供最大的阴影, 但南北向街道的不足在于其通风性能, 因而需要在不影响行人步行速度的前提下对街道通风加以引导。

在街道朝向研究的基础上, Ndetto和Matzarakis (2013) 深入探讨了建筑高度对不同朝向的街道影响是否相同。研究结果表明, 当街道两侧建筑物高度小于5m时, 街道朝向对热环境没有显着影响, 但当建筑物的高度超过20米时, 东西向的街道行人热环境水平较差, 而南北向的街道却与之相反, 其年均或日均热环境水平都表现的更好。Johansson等 (2013) 的研究在一定程度上解释了以上的结果, 高层建筑的地面遮蔽效果比低层建筑更好, 特别是当街道朝向是东南-东北或西南-西北时。然而, 由于太阳高度角比较高, 在低纬度地区的街道需要适当增加诸如树木的遮蔽结构。

2.4 建筑间距。

Yuan&Ng (2012) 使用计算机模型来模拟香港不同街道峡谷的风环境, 以找到通风性最佳的街道形式。模拟结果表明, 街道方向和盛行风向之间的角度是影响街道峡谷风环境最重要的因素, 其次是街道两侧的建筑间距, 塔型建筑可以减少建筑物对风的阻挡作用;背风面建筑适当后退可以增强街道里的风环境;而阶梯式的裙楼则可以将高层风引向街道。此外, 场地覆盖率也会显著影响人行道的自然通风, 在综合考虑以上的因素后, Yuan&Ng (2012) 提出了最适宜的街道峡谷形式, 如下图所示:

2.5 遮蔽比例。

天空可视因子 (SVF) 在很大程度上反映了遮蔽效果, 但由于SVF值反应的是来自天空而不是太阳的直接辐射, SVF指数并不足以完全反应遮蔽效果 (E.L.Krüger et al., 2011) , 要提高SVF的精确性, 必须同时考虑太阳轨迹, 从而计算有效SVF值。但无论街道遮蔽条件是否充足, 在城市设计时都可以采用以上数量化研究的结果, 即南北朝向、高宽比为2 (SVF=0.54) 的街道有着最佳的遮蔽效果, 而与太阳轨迹相关的遮蔽比例可以当作阈值。

对于遮蔽比例较低的街道, 应该增加街道内的地面遮蔽物, 因为当太阳处于高度角时仍会有阳光穿透到街道峡谷 (Hwang et al., 2011) 。对于已经满足了遮蔽效果的街道, 应该对遮蔽物的材料加以控制, 以免增加对风环境的干扰 (KUSHOL et al., 2013) 。

3. 提高街道热舒适的城市设计策略

3.1 热环境差异。

每个区域的热交换能力是不同的, 这意味着降低1度温度所需要的风速以及升高1度温度所需要的能量各不相同。因此, 在进行城市设计时, 需要对区域展开更多的现场调研工作, 从而测量和验证环境条件。例如, 香港在典型夏季时空气温度约为27.9℃, 相对湿度为80%, 因此对于在平均辐射温度为32-34℃的热环境中行走的人, 街道风速需要在0.9-1.30m/s才能给行人中性的热感觉 (Ng&Cheng, 2012) 。只有在充分调研的基础上, 才能综合考虑各种热环境因素, 因地制宜的选择街道形式, 来创造宜人的街道热环境。

3.2 街道功能。

在某些天气情况下, 昼夜温差较小, 这种情况下街道峡谷的设计需要考虑街道两旁建筑的功能, 狭窄的街道由于遮蔽性较好, 白天的舒适性高, 然而这种街道到夜晚舒适性却很低, 因为建筑的高密度导致晚上长波辐射的冷却效果很差。因此, 狭窄街道两侧的建筑更适合作商业用途, 而住宅建筑则需要更宽的街道。

3.3 相对湿度。

Johansson和Emmanuel (2006) 的田野调查发现, 炎热潮湿气候中白天和夜晚的相对湿度变化剧烈, 因而在晴朗天气下, 可以采取蒸发制冷等方式来使街道白天的相对湿度变得很舒适。

3.4 街道朝向及建筑形式。

在综合街道朝向的研究成果以后, 本文对于不同高宽比下, 城市街道峡谷适宜的朝向及建筑形式进行了归纳, 来对城市街道热环境舒适性进行引导。

首先, 城市街道的朝向主要根据盛行风向来确定, 其次是街道高宽比, 当街道H/W<0.5时, 街道朝向的影响较小, 因此街道朝向设定为东西向 (90°) 更为合适, 同时可以适当采取树木或其他遮蔽措施;当街道0.52时, 街道朝向为东北-西南时最为适宜, 南北朝向最不适宜。

在建筑形式上, 对于高密度区域, 建议采取塔楼的建筑形式, 来降低对风的阻挡作用。同时, 设计师可以适当增加背风面建筑后退距离, 调控建筑之间的距离来改善风环境, 并采取裙楼的形式来引导风向。应当注意的是, 在运用上述策略进行城市设计时, 应具体结合当地的热交换容量, 综合考虑遮蔽率, 风环境等因素, 来创造更好的街道热环境。

4. 结论

本文对影响街道峡谷热舒适性的因子进行了研究综述, 城市街道峡谷的热舒适性受到街道高宽比、太阳朝向、遮蔽比例等影响。不同学者通过定量研究方法总结了合适的街道形式, 并对街道建筑的功能和形式进行了考量, 本文据此提出了改善街道热环境的应对策略。同时也指出, 热舒适度调节并不仅仅受到单因子的影响, 而应该综合考虑各个因素, 城市设计中也不应只考虑设计区域的热环境, 而应该多进行实地调研, 充分了解基地及周围环境之后综合设计, 从而显著提高街道热舒适度, 优化环境品质。

摘要：城市的形态对城市环境及气候有着显著的影响, 城市街道峡谷作为人活动的重要空间, 其形态可以直接影响人行道层面的微气候。然而, 现代规划师更注重街道的空间感受, 而对行人热舒适度的考虑较少, 城市设计中鲜有对热舒适度营造的引导及策略。本文对西方学者关于城市街道峡谷热舒适的的研究进行了综述, 并提出了一些适当的街道形态, 以供城市设计师参考, 来建立一个更舒适的行人环境。

关键词：城市街道峡谷,行人热舒适度,城市设计策略

参考文献

[1] Yuan, C., &Ng, E. (2012) .Building porosity for better urban ventilation in high-density cities–A computational parametric study.Building and Environment, 50, 176–189.doi:10.1016/j.buildenv.2011.10.023.

[2] 钱炜, 唐鸣放.城市户外环境热舒适度评价模型[J].西安建筑科技大学学报 (自然科学版) , 2001, (03) :229-232.