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作者：鄭曉敏

   城市街谷熱環(huán)境是地域氣候等自然條件和城市規(guī)模等社會(huì)與人工因素綜合作用的結(jié)果。對(duì)街谷熱環(huán)境的各個(gè)主要影響因素開展定量研究，在此基礎(chǔ)上，科學(xué)合理地提出城市街谷的設(shè)計(jì)策略與指引，對(duì)合理設(shè)計(jì)城市街谷，提高街谷的熱環(huán)境質(zhì)量和降低城市與建筑能耗，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

  以往開展的街谷熱環(huán)境研究集中在中緯度地區(qū)（以色列、阿爾及利亞、希臘、摩洛哥、大阪、中國(guó)西安、武漢等）。大量研究表明，高寬比、走向、綠化和表面反射率為主要的街谷熱環(huán)境設(shè)計(jì)因素。其中，高寬比及走向?qū)�街谷�?nèi)各表面的能量分布有重要影響，受到的關(guān)注最多；綠化可蒸發(fā)降溫，改善行人熱舒適，是改善街谷熱環(huán)境的主要策略；表面反射率直接影響各界面的太陽輻射吸收，進(jìn)而影響街谷的熱環(huán)境。

  盡管國(guó)內(nèi)外已有許多研究，但針對(duì)街谷熱環(huán)境的研究和設(shè)計(jì)應(yīng)用仍然存在以下不足：1）以往研究集中在中緯度和干熱氣候地區(qū)，低緯度的濕熱氣候地區(qū)缺乏系統(tǒng)研究；2）許多研究面向城市設(shè)計(jì)提出了改善街谷熱環(huán)境的設(shè)計(jì)策略和方法，但多為定性結(jié)論，如建議在干熱地區(qū)設(shè)計(jì)緊湊街谷、設(shè)置遮陽、增加綠化等，對(duì)于“有多緊湊”、“綠化多少”沒有給出定量結(jié)果，這不利于實(shí)際工作的開展。

  本文針對(duì)我國(guó)濕熱地區(qū)廣州的生活性街谷，通過實(shí)地調(diào)研和數(shù)值模擬，定量分析各設(shè)計(jì)因素及其交互作用對(duì)街谷熱環(huán)境的影響，尋找得到最優(yōu)的街谷熱環(huán)境設(shè)計(jì)方案，并提出相應(yīng)的定量設(shè)計(jì)建議，以期為我國(guó)低緯度濕熱地區(qū)城市的街谷熱環(huán)境設(shè)計(jì)和改造提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和保障。

1研究方法

1.1氣候條件

  廣州位于北緯23。08 ’、東經(jīng)113。19’，夏季溫高濕重，七月平均氣溫28.4℃，相對(duì)濕度82%。參考文獻(xiàn)[21]，廣州的夏季典型日平均氣溫28.2℃，最高31.1℃(13:00)，最低26.1℃(03：00)，平均濕度77%，風(fēng)速日間2 m/s，夜間0—2 m/s，水平面總輻射照度最大值為466. 67 W/m2。本文的分析在廣州夏季典型日天氣條件下進(jìn)行。

1.2設(shè)計(jì)因素及水平

  《城市規(guī)劃設(shè)計(jì)原理》中對(duì)生活性道路定義為：解決城市各分區(qū)內(nèi)部聯(lián)系的需要，車速較低，以行人、自行車和短距離交通為主。車道寬度可稍微窄一些，兩旁可布置為生活服務(wù)的人流較多的公共建筑，需保證有比較寬敞的人行和自行車使用的空間。結(jié)合廣州的實(shí)際，本文將生活性街谷定義為具有生活性功能的城市次干道或支路與兩側(cè)建筑形成的類似峽谷的空間。

通過廣州市天河區(qū)20條生活性街谷的實(shí)地調(diào)研，獲取廣州生活性街谷的主要特征為：支路為主，次干道為輔；東西和南北走向居多；高層建筑為主，多層為輔，①0.4~3；人行道和建筑淺色鋪裝，太陽輻射反射率0. 25—0.5；街谷綠化以細(xì)葉榕為主，綠化覆蓋率9%~33%。結(jié)合實(shí)地與文獻(xiàn)調(diào)研，選取支路1（街道寬30 m）、支路2（街道寬40 m）、次干道（街道寬56 m）3種常見街谷作為研究對(duì)象，其主要熱環(huán)境設(shè)計(jì)因素及水平如表1所示。

1.3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)分析各因素及其交互作用的影響。表1給出了4種因素不同水平混合的情況，對(duì)此并無適合的正交表實(shí)現(xiàn)工況設(shè)計(jì)。因此，在調(diào)研結(jié)果基礎(chǔ)上，將高寬比和表面鋪裝兩因素舍棄出現(xiàn)比例最少的水平，對(duì)走向增加平行于廣州夏季主導(dǎo)風(fēng)的東南一西北走向，由此，將四因素統(tǒng)一調(diào)整為3個(gè)水平，選用標(biāo)準(zhǔn)表L27(3”)設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況如表2所示。

1.4數(shù)值模擬方法

先依調(diào)研結(jié)果確定街谷兩側(cè)建筑的平面形式及尺寸，再依據(jù)實(shí)際情況和《廣州市城鄉(xiāng)規(guī)劃技術(shù)規(guī)定（試行）》的建筑間距要求，確定數(shù)值模擬用街谷模型如圖1所示�？梢姡瑬|西向街谷的建筑間距較短，緊密排布，而南北向街谷因日照要求建筑間距較寬，排布寬松。

  本文采用Bruse等人開發(fā)的三維城市微氣候模擬軟件ENVI-met進(jìn)行街谷動(dòng)態(tài)熱環(huán)境計(jì)算。ENVI-met基于CFD和傳熱學(xué)原理計(jì)算地面、建筑、植被和空氣之間的傳熱和力學(xué)作用。軟件具有較高的時(shí)間和空間分辨率，可模擬復(fù)雜城市局地微氣候的動(dòng)態(tài)變化，可輸出氣溫、表面溫度、風(fēng)速風(fēng)向、空氣濕度、短波和長(zhǎng)波輻射量、以及平均輻射溫度等熱環(huán)境參數(shù)。軟件尚不能模擬降雨、結(jié)冰現(xiàn)象，也不能考慮行車和人為熱的影響。本文研究的生活性街谷富含各種設(shè)計(jì)要素，如建筑、植被、地面等，尺度小，行車少，適于用ENVI-met進(jìn)行模擬分析。

  模擬區(qū)域統(tǒng)一設(shè)定為500 m×200 m×229. 66m．水平網(wǎng)格數(shù)100×40（分辨率5m）。區(qū)域四周設(shè)置了5個(gè)嵌套網(wǎng)格，嵌套網(wǎng)格的地面類型為壤土(10am)。垂直方向采用不等距網(wǎng)格，4m以下空間分配5個(gè)網(wǎng)格（0.8 m間距），4m以上空間采用了放大系數(shù)為10%的彈性網(wǎng)格，共38個(gè)網(wǎng)格。

  我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)DBJ  15-50-2006《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》以典型氣象日作為住區(qū)室外熱環(huán)境的評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，故本文選取廣州的夏季典型氣象日數(shù)據(jù)作為模擬計(jì)算的氣象邊界條件，其中包括氣溫、空氣比濕、風(fēng)速、風(fēng)向和太陽輻射的逐時(shí)數(shù)據(jù)。典型日7:00~19：00的10 m高處風(fēng)速恒為2 m/s，該時(shí)段基本包含本文重點(diǎn)考察的時(shí)段，因此10 m高處的風(fēng)速全天統(tǒng)一取2 m/s。風(fēng)向取夏季主導(dǎo)風(fēng)向東南風(fēng)。模擬時(shí)間從0:00開始，共計(jì)算24h。

2結(jié)果與分析

2.1設(shè)計(jì)因素分析

  行人熱舒適是生活性街谷熱環(huán)境設(shè)計(jì)考慮的主要目標(biāo)。選取熱舒適指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)有效溫度( StandardEffective Temperature，SET*)，將街谷在人行高度（即距地1.5 m處）的SET*平均值作為街谷熱環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

  計(jì)算SET*時(shí)給定參數(shù)如表3所示。

  實(shí)際生活中，人們?cè)诮止鹊幕顒?dòng)集中在早上時(shí)段7:00~9:00（晨練、去菜市、上班）和晚上時(shí)段17:00~ 20:00（去菜市、下班、飯后散步），而中午時(shí)段12：00~ 14：00是一天中熱環(huán)境較為惡劣的時(shí)段，也有少量行人活動(dòng)，故本文選擇這3個(gè)時(shí)段開展數(shù)據(jù)分析。

以圖1a街谷模型為例，7:00的SET*值分布如圖2所示。對(duì)街谷外而言，受較熱來流風(fēng)和風(fēng)影區(qū)影響，東南側(cè)和北側(cè)的SET*值較高，因風(fēng)繞行街谷的加速作用，西南側(cè)SET*值較低。街谷內(nèi)的SET+值呈現(xiàn)由東到西遞減和水平條狀分布兩個(gè)特征。前一特征受氣流和太陽輻射共同作用形成。在東南風(fēng)作用下，溫度較高的來流風(fēng)大量在街谷東側(cè)開口進(jìn)入，而早上太陽在東北方向，可從東側(cè)開口入射到街谷內(nèi)，由此形成氣溫由東到西遞減的趨勢(shì)。受綠化帶降溫作用的影響，街谷內(nèi)出現(xiàn)綠化遮陰處較低而非遮陰處較高的帶狀分布。

  方差分析是數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基本方法之一，能夠定量描述各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響大小。本文采用方差分析方法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1.1  早上時(shí)段

早上時(shí)段街谷熱環(huán)境設(shè)計(jì)因素及其組合的貢獻(xiàn)率如表4所示。

  結(jié)合表4和圖3的各因素影響效應(yīng)可知：

  1)走向?qū)�SET*的貢獻(xiàn)率最大，均在70%以上，其次是高寬比，為10%~20%，綠化和表面鋪裝對(duì)SET'的貢獻(xiàn)率最��；

  2)高寬比和走向的交互作用、走向和綠化的交互作用對(duì)SET*有一定影響，但貢獻(xiàn)率不大，除此以外的交互作用不顯著；

3)以SET*降低為優(yōu)選目標(biāo)可知：高寬比取大為好；走向的優(yōu)選排序?yàn)闁|南一西北走向>東西走向>南北走向；綠化覆蓋率取小為好；表面鋪裝的優(yōu)選次序?yàn)榧t色貼磚+紅磚>淺色貼磚+瓷磚>淺色貼磚+紅磚；街谷兩側(cè)建筑高度統(tǒng)一較高低均布好。

2.1.2  中午時(shí)段

中午時(shí)段街谷熱環(huán)境設(shè)計(jì)因素及其組合的貢獻(xiàn)率如表5所示。

  結(jié)合表5和圖4可知：

  1)對(duì)于支路級(jí)街谷，綠化和走向?qū)�SET’的貢獻(xiàn)率較大，其次是高寬比，表面鋪裝貢獻(xiàn)率較小；對(duì)于次干道級(jí)街谷，走向和高寬比對(duì)SET*的貢獻(xiàn)率較大，表面鋪裝和綠化對(duì)SET*的貢獻(xiàn)率較小；

  2)高寬比和走向的交互作用對(duì)次干道級(jí)街谷的SET*有一定影響，但貢獻(xiàn)率不大，除此以外的交互作用不顯著；

3)高寬比、走向、表面鋪裝、建筑高度的優(yōu)選排序與早上時(shí)段一致，綠化覆蓋率有所不同，對(duì)支路而言取大為好，對(duì)次干道而言取小為好。

2.1.3晚上時(shí)段

晚上時(shí)段街谷熱環(huán)境設(shè)計(jì)因素及其組合的貢獻(xiàn)率如表6所示。

  結(jié)合表6和圖5可知：

  1)走向?qū)�SET*的貢獻(xiàn)率最大，為50%左右，其次為高寬比，再次為綠化，表面鋪裝對(duì)SET*的貢獻(xiàn)率較最小；

  2)高寬比和走向的交互作用對(duì)SET*有一定影響，但貢獻(xiàn)率較小，除此以外的交互作用可忽略；

3)各因素的優(yōu)選排序?yàn)椋焊邔挶热〈鬄楹�；走向�(yàn)闁|南-西北走向>南北走向>東西走向；綠化覆蓋率取小為好；表面鋪裝為淺色貼磚+瓷磚>紅色貼磚+紅磚>淺色貼磚+紅磚；街谷兩側(cè)建筑高度統(tǒng)一較高低均布好。

2.1.4  與以往研究的對(duì)比

以往研究在高寬比、走向、綠化和表面發(fā)射率四個(gè)因素及其組合對(duì)街谷熱環(huán)境的影響方面得到一定結(jié)論，將其與本文的研究結(jié)果對(duì)比，如表7所示。

  由上表可知，在走向、綠化和交互作用方面，以往的研究結(jié)果與本文存在差異，不同氣候地區(qū)的研究結(jié)果不能簡(jiǎn)單類推。

2.2街谷熱環(huán)境設(shè)計(jì)

2.2.1  最優(yōu)設(shè)計(jì)方案

正交試驗(yàn)結(jié)果可方便進(jìn)行最優(yōu)方案的尋優(yōu)工作。由上述分析可知，不同時(shí)段的分析結(jié)果既有一致性，也有差別，因此有必要綜合考慮各時(shí)段情況進(jìn)行尋優(yōu)。本文采用三時(shí)段SET*加權(quán)平均的方法，綜合考慮熱環(huán)境嚴(yán)重程度、街谷使用率和時(shí)段的長(zhǎng)短，確定早中晚三時(shí)段的權(quán)重分別為0.2、0.4、0.4，以此得到街谷熱環(huán)境尋優(yōu)判據(jù)。支路1、支路2以及次干道的尋優(yōu)結(jié)果如表8所示，最劣方案也一同顯示。

  3種街谷的最優(yōu)方案分別為方案7、方案9和方案7，也即：對(duì)于支路1，最優(yōu)方案為“東南一西北走向、建筑高度90 m、綠化覆蓋率26%、淺色貼磚+瓷磚的表面材質(zhì)”，對(duì)于支路2，最優(yōu)方案為“東南一西北走向、建筑高度90 m、綠化覆蓋率7%、紅色貼磚+紅磚的表面材質(zhì)”，對(duì)于次干道，最優(yōu)方案為“東南．西北走向、建筑高度90 m、綠化覆蓋率20%、淺色貼磚+瓷磚的表面材質(zhì)”。

為分析最優(yōu)和最劣方案的熱環(huán)境差別，以最劣方案為基礎(chǔ)，分別改變其單一熱環(huán)境參數(shù)至最優(yōu)方案水平，計(jì)算此時(shí)的SET*變化量，以此作為此參數(shù)的優(yōu)化貢獻(xiàn)如表9所示。

  由表9可知，平均輻射溫度( Mean RadiantTemperature，MRT)和風(fēng)速優(yōu)化的貢獻(xiàn)最大，有0.5~0.6 cC的改善，其次是氣溫，為0.2℃左右，單獨(dú)優(yōu)化濕度起反作用。這說明，不同街谷熱環(huán)境的差異，集中體現(xiàn)在MRT和風(fēng)速上，減少街谷熱輻射和增加風(fēng)速是改善街谷熱環(huán)境的主要途徑。需要說明的是，優(yōu)化貢獻(xiàn)的分析未考慮不同參數(shù)同時(shí)優(yōu)化的交互作用。

2.2.2  優(yōu)選設(shè)計(jì)方案

  最優(yōu)設(shè)計(jì)方案均為東西一南北走向，在指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用時(shí)有很大局限。為此，本文從另一個(gè)角度人手，先確定實(shí)際可行的街谷熱環(huán)境設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后以此為據(jù)，優(yōu)選出若干設(shè)計(jì)方案為實(shí)際工作參考。

  以往亞熱帶濕熱地區(qū)的研究得到了室外和半室外空間人體熱感覺投票( Thermal SensationVote，TSV)與SET*的關(guān)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℃之間，故取32℃、33℃和34℃，分別用以上公式及IS07730[36]提供的預(yù)計(jì)平均熱感覺指標(biāo)( Predicted Mean Vote，PMV)與預(yù)計(jì)不滿意者的百分?jǐn)?shù)(PredictedPercentage  Dissatisfied, PPD)公式：

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

計(jì)算3種SET*取值對(duì)應(yīng)的人體熱感覺和熱不滿意率如表10所示。

由表可知，本文各街谷的人體熱感覺在1.0~1.4之間，熱不滿意率在28%~44%之間。結(jié)合實(shí)際操作和可行性等方面的考慮，本文將熱不滿意率≤36%作為街谷熱環(huán)境的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)應(yīng)方案應(yīng)滿足SET*≤33℃，由此得到廣州生活性街谷的優(yōu)選方案見表11~13。

2.2.3  優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

  結(jié)合優(yōu)選方案和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，提出供規(guī)劃設(shè)計(jì)參考使用的廣州生活性街谷的熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)建議如下：

  1)支路1（紅線寬20 m，街道寬30 m）

  東南一西北走向街谷，沿街建筑平均層數(shù)應(yīng)在15層以上，街谷內(nèi)綠化覆蓋率不應(yīng)小于9%，即對(duì)于冠幅5m的樹種株距不應(yīng)大于15 m；南北和東西走向街谷，沿街建筑平均層數(shù)應(yīng)在25層以上，街谷內(nèi)綠化覆蓋率不應(yīng)小于9%，即對(duì)于冠幅5m的樹種株距不應(yīng)大于15 m；或沿街建筑平均層數(shù)應(yīng)在15至20層之間，街谷內(nèi)綠化覆蓋率不應(yīng)小于26%，即對(duì)于冠幅5m的樹種株距不應(yīng)大于5m。

2)支路2（紅線寬30 m，街道寬40 m）

  東南一西北走向街谷，沿街建筑平均層數(shù)應(yīng)在15層以上，街谷內(nèi)綠化覆蓋率不應(yīng)小于7%，即對(duì)于冠幅5m的樹種株距不應(yīng)大于15 m；南北和東西走向街谷，沿街建筑平均層數(shù)應(yīng)在25層以上，街谷內(nèi)綠化覆蓋率不應(yīng)小于7 %，即對(duì)于冠幅5m的樹種株距不應(yīng)大于15 m；或沿街建筑平均層數(shù)應(yīng)在15至20層之間且建筑高度無較大起伏，街谷內(nèi)綠化覆蓋率不應(yīng)小于20%，即對(duì)于冠幅Sm的樹種株距不應(yīng)大于5m。

  3)次干道（紅線寬40 m，街道寬56 m）

  東南·西北走向街谷，沿街建筑平均層數(shù)應(yīng)在15層以上，街谷內(nèi)冠幅Sm株距5m的行道樹應(yīng)布置3—5列；南北走向街谷，沿街建筑平均層數(shù)應(yīng)在25層以上，街谷內(nèi)冠幅5m株距Sm的行道樹應(yīng)布置3—4列；東西走向街谷，沿街建筑平均層數(shù)應(yīng)在25層以上，街谷內(nèi)冠幅5m株距5m的行道樹應(yīng)布置3—5列；或沿街建筑平均層數(shù)應(yīng)在15至20層之間且無較大起伏，街谷內(nèi)冠幅5m株距5m的行道樹應(yīng)布置3列。

3  結(jié)論

  本文針對(duì)廣州生活性街谷，在實(shí)地調(diào)研基礎(chǔ)上，開展街谷熱環(huán)境的數(shù)值模擬正交試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

  1)早中晚3個(gè)時(shí)段各設(shè)計(jì)因素及其組合對(duì)街谷熱環(huán)境影響的一致性表現(xiàn)為：走向的貢獻(xiàn)率較大，其次為高寬比和綠化，表面鋪裝的貢獻(xiàn)率最��；最優(yōu)走向?yàn)闁|南一西北走向，高寬比取大為好，建筑高度統(tǒng)一較高低均布好。

  2)綠化的貢獻(xiàn)率早晚小，中午大，早晚綠化覆蓋率取小為好，中午綠化覆蓋率取大為好（尤指支路級(jí)街谷）；南北走向在晚上優(yōu)于東西走向，其他時(shí)間東西走向優(yōu)于南北走向。

  3)高寬比和走向的交互作用對(duì)街谷熱環(huán)境有影響，但影響不大。

  4)街谷熱環(huán)境最優(yōu)設(shè)計(jì)方案為較大高寬比的東西．南北走向街谷，減少熱輻射和增大風(fēng)速是街谷熱環(huán)境優(yōu)化的主要方面。

  5)以熱不滿意率≤36 %為設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際得到定量的廣州生活性街谷優(yōu)選設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

4  不足與展望

廣州住宅大量安裝和使用空調(diào)，空調(diào)室外機(jī)散熱對(duì)生活性街谷熱環(huán)境有顯著影響，尤其對(duì)夜間空調(diào)使用密集的時(shí)段而言更是如此。人為熱的排放時(shí)間和強(qiáng)度及其對(duì)生活性街谷熱環(huán)境的影響，將在后續(xù)研究中加以考察。

5[摘要]針對(duì)廣州生活性街谷，在實(shí)地調(diào)研基礎(chǔ)上，開展街谷熱環(huán)境的數(shù)值模擬正交試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：早中晚三時(shí)段走向?qū)�街谷熱環(huán)境的貢獻(xiàn)率較大，其次為高寬比和綠化，表面鋪裝的貢獻(xiàn)率最��；最優(yōu)街谷走向?yàn)闁|南一西北走向，高寬比取大為好，建筑高度統(tǒng)一較高低均布好；綠化的貢獻(xiàn)率早晚小，中午大，早晚綠化覆蓋率取小為好，中午綠化覆蓋率取大為好（尤指支路級(jí)街谷）；南北走向在晚上優(yōu)于東西走向，其他時(shí)間東西走向優(yōu)于南北走向；高寬比和走向的交互作用對(duì)街谷熱環(huán)境有影響，但影響不大。通過尋優(yōu)得到街谷熱環(huán)境最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，結(jié)果顯示，最優(yōu)方案為較大高寬比的東西一南北走向街谷，減少輻射得熱和增大風(fēng)速是街谷熱環(huán)境優(yōu)化的主要方面。以熱不滿意率≤36%為設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際定量給出廣州生活性街谷的優(yōu)選設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。