李京津　　王建國,2

(1東南大學建筑學院, 南京 210096)(2東南大學城市規(guī)劃設(shè)計研究院, 南京 210096)

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南京步行街空間形式與微氣候關(guān)聯(lián)性模擬分析技術(shù)

李京津1王建國1,2

(1東南大學建筑學院, 南京 210096)(2東南大學城市規(guī)劃設(shè)計研究院, 南京 210096)

為了研究城市步行街空間形態(tài)對其微氣候的影響,選擇Envi-met微氣候數(shù)值模擬軟件對南京市3條不同類型步行街2014年6月21日的空氣溫度分布、風速分布、濕度分布及太陽輻射強度4項微氣候指標進行模擬分析.借鑒奧爾基亞室外生物-氣候分析表評估獅子橋步行街、南捕廳步行街和河西奧體步行街微氣候質(zhì)量,其中獅子橋步行街微氣候質(zhì)量最高,南捕廳步行街次之,河西步行街最差.模擬結(jié)果表明,街道朝向、斷面形式、天空可視域、植被分布因子均對街道微氣候環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響.在此基礎(chǔ)上,探討了基于微氣候優(yōu)化的步行街規(guī)劃設(shè)計策略.

步行街;微氣候;Envi-met;南京

隨著中國城市化進程的快速推進,大量高強度的開發(fā)行為使得近地面層缺少日照、局部溫度過高、通風不暢等問題日益嚴重[1].城市步行街作為公眾活動高度集聚的公共空間,其微氣候的質(zhì)量對市民體驗和感知城市有重要的影響.20世紀70年代開始,隨著可持續(xù)發(fā)展理念的提出,相關(guān)學者展開了城市形態(tài)與城市微氣候之間關(guān)系的研究.Dekay等[2]對微氣候與城市的關(guān)系做出了相對系統(tǒng)的模式分析.Wong等[3]對新加坡街道微氣候環(huán)境展開實測與模擬研究.徐小東等[4]對城市氣候?qū)W展開了理論探討.Zheng[5]對夏熱冬冷地區(qū)街道熱環(huán)境展開數(shù)值模擬研究.Ng[6]針對香港高密度城區(qū)通風環(huán)境展開相關(guān)研究.但針對城市步行街微氣候的實證研究相對缺乏,已有的研究也只側(cè)重考慮溫度、風速等單一氣候要素.為此,本文就南京市3條不同模式的步行街夏季微氣候展開模擬分析,探討步行街空間形態(tài)與城市微氣候關(guān)聯(lián)性,進而提出步行街微氣候環(huán)境優(yōu)化的相關(guān)策略.

1　模擬軟件和指標體系

1.1模擬軟件

目前既有的用于微氣候分析軟件主要有FLUENT，CFX，CFD2000等,本文選擇的Envi-met軟件是由德國學者開發(fā)的非商業(yè)數(shù)值模擬軟件,主要用于中小尺度模式的城市微氣候模擬,該軟件模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的相關(guān)性已得到國內(nèi)外學者的廣泛證實[7].Envi-met軟件是首個在流動力學、熱力學及城市氣象學等相關(guān)規(guī)律基礎(chǔ)上對城市微氣候環(huán)境的影響因子進行整體數(shù)值模擬的軟件.Envi-met軟件有以下優(yōu)點:① 可同時模擬溫度、風速等參量的空間分布;② 空間分辨率最小可達到0.5 m,便于展開對南捕廳這類小尺度步行街的研究;③ 考慮綠化植被對城市微氣候的影響.

1.2室外人體熱舒適度指標體系

一般室外人體熱舒適度用6個主要參數(shù)來衡量,其中4個氣候指標(空氣溫度、風速、輻射及相關(guān)濕度)和2個物理指標(活動方式和衣著).大多數(shù)的氣候分析指標體系根據(jù)室內(nèi)物理環(huán)境所設(shè)置(如吉沃尼建筑氣候圖、瓦特遜建筑氣候圖等),并不適合室外熱舒適評價.本文考慮到熱舒適度評價的可操作性,選用Olgyay[8]提出的奧爾基亞室外生物-氣候分析指標體系(見圖1).

圖1　奧爾基亞室外生物-氣候分析指標體系[8]

奧爾基亞室外生物-氣候分析指標體系統(tǒng)籌考慮了溫度、濕度、風速以及太陽輻射4個氣候指標對人體熱舒適度區(qū)域劃分的復(fù)合影響,圖1中涵蓋了冬夏2個舒適區(qū)域.當冬季溫度為17 ℃、相關(guān)濕度為40%、太陽輻射和風速皆為0時,此時人處于舒適范圍內(nèi)；當太陽輻射強度提升到500 W/m2時,熱舒適度范圍將向下移動,此時同樣的溫度和濕度讓人處于熱不舒適的范圍,需要降低太陽輻射度或保證一定的風速才能使人重新回到舒適的范圍內(nèi).

2　研究方法

2.1研究對象

南京位于長江下游,地理坐標為北緯31°14″～32°37″,東經(jīng)118°22″～119°14″,屬于亞熱帶季風氣候,常年雨量充沛,年降水量1 200 mm,年平均溫度15.4 ℃,年最高溫度39.7 ℃,最低溫度-13.1 ℃.

本文選擇南京3條不同空間類型的商業(yè)步行街(見圖2(a))：① 湖南路獅子橋商業(yè)街位于南京老城區(qū)中部,商業(yè)街南偏東約15°,總長約270 m,東西寬約20 m,步行街兩側(cè)以多層建筑為主(見圖2(b)、(c)).② 南捕廳街區(qū)位于南京古城南部,緊臨甘熙故居歷史建筑群,南捕廳商業(yè)步行街以傳統(tǒng)風貌建筑為主,周邊建筑高度在12 m以下,街道朝向西偏南15°,整體長約150 m,寬3～9 m(見圖2(d)、(e)).③ 河西奧體步行街位于南京河西現(xiàn)代化新城中心區(qū),南北長255 m,東西寬約80 m,朝向南偏西約15°,兩側(cè)為大型公共建筑,內(nèi)部設(shè)置綠化、水體等要素(見圖2(f)、(g)).

圖2　步行街區(qū)位及照片

2.2模擬參數(shù)

基于Envi-met對3條街道在2014年6月21日的微氣候展開模擬,模擬時間為10:00—16:00,根據(jù)南京氣象數(shù)據(jù)資料設(shè)定相同初始模擬參數(shù),設(shè)定初始風速為2.5 m/s,風向東南向,初始溫度293 K,初始濕度50%.

2.3模擬結(jié)果

2.3.1溫度動態(tài)分布

通過對3條街道的微氣候模擬，從溫度動態(tài)變化、溫度水平空間分布、溫度垂直空間分布3個角度統(tǒng)計街道內(nèi)部微氣候變化信息(見圖3).

圖3　街道2 m高度空氣溫度變化圖

1) 溫度動態(tài)變化

3條商業(yè)街在上午10:00至下午16:00之間溫度變化屬于3種不同類型,河西步行街溫度變化屬于穩(wěn)步增長型,自上午10:00至下午14:00溫度從295 K穩(wěn)步增長至300 K；南捕廳步行街溫度變化屬于突變型，上午10:00至12:00溫度變化幅度較小,保持在292 K，低于初始溫度值,下午14:00溫度增長較快升到295～297 K之間.獅子橋步行街溫度整體變化幅度最小，在293～291.4 K之間,最高溫度值出現(xiàn)在中午11:00至12:00之間,溫度達到293 K,下午14:00溫度低于中午12:00,下降到291.4 K.

2) 溫度水平空間分布

從溫度水平空間分布上來看,3條街差別較大(見圖4(a)～(c)),南捕廳商業(yè)街內(nèi)部溫差最大,東側(cè)緊鄰中山南路入口區(qū)14:00溫度為297.5 K,商業(yè)街西側(cè)溫度為295.4 K,東西溫差達到2 K;獅子橋內(nèi)部整體溫差在下午14:00最大達到0.9 K,商業(yè)街南側(cè)入口廣場溫度最低290.8 K,商業(yè)街北側(cè)溫度最高達到291.7 K;河西奧體步行街內(nèi)部整體溫度最高但溫差較小,溫度在298.5～298.9 K之間.

3) 溫度垂直空間分布

3條街道在14:00垂直方向溫度分布差異較大(見圖4(d)～(f)),獅子橋街道內(nèi)部18 m以下,整體溫度相對穩(wěn)定在291.4 K;南捕廳步行街地面向上溫度逐漸降低,街道內(nèi)部2 m左右空氣溫度有約0.3 K的溫度變化分界線;河西奧體步行街垂直方向變化較大，溫度在298～296 K之間.

2.3.2風速分布

從風速水平分布上來看(見圖5(a)～(c)),3條街道中河西大街內(nèi)部風速最低,在0.34～0.68 m/s之間,且街道內(nèi)部80%的區(qū)域風速低于0.5 m/s；南捕廳街道內(nèi)部風速變化在0.34～2.47 m/s之間；獅子橋步行街內(nèi)部風速在0.59～2.37 m/s之間.其中獅子橋步行街南部街道入口廣場及南捕廳步行街東側(cè)入口廣場出現(xiàn)高速風區(qū),而河西奧體步行街高速風區(qū)位于步行街外部的城市道路之上,步

圖4　街道內(nèi)部空氣14:00溫度分布

行街南側(cè)2棟標志性塔樓南側(cè)出現(xiàn)2個高速風渦旋區(qū),風速在3 m/s以上,局部風速差值在5倍以上.

從風速垂直向分布來看(見圖5(d)～(f)),獅子橋步行街內(nèi)部風速較高,東西兩側(cè)風速差異較大,東側(cè)風速相對較低1.4 m/s,西側(cè)風速較高約1.8 m/s；河西奧體步行街內(nèi)部近地層風速變化較小,風速較低在0.38 m/s以下；南捕廳步行街內(nèi)部風速在0.66～1.57 m/s之間,整體上街道東側(cè)風速較高,西側(cè)風速較低.

2.3.3濕度分布

從14:00濕度分布看(見圖6(a)～(c)),3條步行街中獅子橋步行街濕度較高,在55%～63%之間,南捕廳濕度在59%～63%之間,河西步行街濕度較低在39%～41%之間.

圖5　街道內(nèi)部風速分布

2.3.4太陽輻射分布

從14:00太陽輻射量分布角度發(fā)現(xiàn)(見圖6(d)～(f)),南捕廳步行街內(nèi)部主體部分的太陽輻射強度約為800 W/m2,局部地區(qū)約450 W/m2.河西奧體步行街內(nèi)部太陽輻射強度達到900 W/m2,獅子橋步行街太陽輻射強度為550 W/m2.

圖6　14:00濕度分布及太陽輻射強度分布

2.4熱舒適度評價

基于上文的模擬分析發(fā)現(xiàn),獅子橋步行街溫度位于291～293 K(18～20 ℃)之間,濕度約61%～70%,太陽輻射550 W/m2,風速0.59～2.37 m/s;南捕廳步行街溫度在292～297 K(19～24 ℃)之間,濕度59%～63%,風速0.34～2.47 m/s;河西奧體步行街溫度在295～302 K(22～29 ℃)之間,濕度39%～40%,風速0.34～0.68 m/s.南捕廳步行街和獅子橋步行街內(nèi)風速能達到2 m/s,其內(nèi)部空氣循環(huán)相對較好.依據(jù)奧爾基亞室外生物-氣候指標繪制3條步行街的熱舒適度區(qū)間(見圖7).本文通過空氣溫度與濕度形成的矩形區(qū)間(深色斑塊)與舒適度區(qū)間(淺色斑塊)的疊合程度,判斷步行街的熱舒適度.

(a) 獅子橋步行街

(b) 南捕廳步行街

(c) 河西奧體步行街

通過奧爾基亞室外生物-氣候指標分析發(fā)現(xiàn).獅子橋與南捕廳步行街部分時段處于人體舒適區(qū)間內(nèi),獅子橋步行街部分處于不舒適的原因是由于濕度過大,而南捕廳步行街則由于局部溫度過高；河西奧體步行街則完全處于人體不舒適的范圍,其主要原因是過大的太陽輻射與高溫.通過該指標體系研究發(fā)現(xiàn)，對于步行街人體熱舒適性的改造應(yīng)針對街道具體情況來采取措施,不匹配的改善措施并不能有效提升街道熱舒適性,如河西奧體步行街熱舒適度通過增加水面的方式并不能起到較好的效果.

3　空間形式與微氣候關(guān)聯(lián)性討論

在綜合模擬分析了3條街道微氣候特征的基礎(chǔ)上,通過對街道空間的形式分析,從天空可視域、街道界面、街道斷面及綠化植被分布的角度研究街道空間形式對微氣候的影響.

3.1天空可視域影響

河西奧體步行街天空可視域范圍較高，在0.49～0.78之間,南捕廳步行街天空可視域范圍較低，大部分區(qū)域在0.26～0.49之間,局部空間節(jié)點達到0.78,獅子橋步行街空間可視域范圍在0.34～0.71之間.天空可視域?qū)Φ乇硖栞椛浣邮芰坑幸欢ㄓ绊?并影響城市建筑表面向外長波輻射的強度[9].天空可視域與風速的關(guān)系相對復(fù)雜,獅子橋步行街的風速在3條街道中最大,但其天空可視域的大小位于另2條街道之間(見圖8).

3.2街道界面影響

街道界面的平整程度對于街道內(nèi)部溫度及風速的變化有一定影響.河西步行街界面整齊,沒有曲折變化,其內(nèi)部的溫度分布及風速分布變化均較小.南捕廳步行街街道設(shè)計中采用了傳統(tǒng)空間模式,豐富的空間尺度變化也帶來了微氣候指標的變化.南捕廳步行街中部出現(xiàn)的2個放大節(jié)點,均導(dǎo)致了局部溫度的提升,提升幅度在0.3 K左右.獅子橋步行街南部入口開敞廣場及中部開放節(jié)點同樣導(dǎo)致局部出現(xiàn)較高的風速.

3.3街道斷面影響

街道斷面的影響主要有街道長寬比和街道高寬比.

1) 街道長寬比

通過對比平面尺度發(fā)現(xiàn),南捕廳步行街的長寬比最大達到15～30,其形態(tài)接近一個通道的形式,空間導(dǎo)向性較強.而河西步行街長寬比較小僅為3.2,其空間形態(tài)更加接近一個廣場,空間的導(dǎo)向性較低.長寬比對于街道內(nèi)部溫度分布產(chǎn)生顯著的影響,南捕廳步行街東側(cè)溫度高于街道西側(cè),步行街成為一個傳熱的通道,通道內(nèi)壁的光滑度對于溫度的傳輸起到一定的影響作用.南捕廳步行街在14:00時街道東西兩側(cè)溫差達到1.5 K,而同一時間獅子橋步行街南北溫差最大僅0.6 K,河西步行街內(nèi)部溫度溫差在0.2 K.街道的長寬比對于溫度的傳輸有著明顯的影響,而具體的影響閾值關(guān)系則需要進一步的研究.街道的絕對寬度對于風速的分布沒有明顯的影響,河西步行街街道寬度較大但平均風速較低.

圖8　街道天空可視域

2) 街道高寬比

街道的高寬比一方面影響了街道內(nèi)部微氣候的平面分布,另一方面對于街道內(nèi)部微氣候的垂直分布產(chǎn)生影響.3條街道中南捕廳步行街高寬比約達2,河西奧體步行街高寬比最小約0.3,獅子橋步行街高寬比在1.5～1.0之間.從溫度的垂直分布上看,南捕廳街道內(nèi)部垂直方向溫度及風速變化較大,街道頂部風速約1.0～1.8 m/s,而街道地面層風速約0.35 m/s.獅子橋步行街地面風速在1.05 m/s,街道頂部風速在1.5 m/s,垂直方向變化幅度小于南捕廳,河西步行街內(nèi)部垂直方向的溫度與風速幾乎沒有太大變化.高寬比越大，街道內(nèi)部垂直方向的溫度分布變化越大.

3.4綠化植被影響

研究發(fā)現(xiàn),植被的分布對于街道內(nèi)部的濕度變化及溫度分布有一定的調(diào)節(jié)優(yōu)化作用[10].本研究涉及的3條街道中,南捕廳步行街及河西奧體步行街中局部地區(qū)設(shè)置了綠化植被,南捕廳步行街東北側(cè)沿街大量的喬木有效阻擋了道路高溫的傳輸,而東南側(cè)沿街由于缺乏綠化植被,高溫區(qū)延續(xù)到步行街內(nèi)部.河西步行街內(nèi)部西北側(cè)由于部分綠化,局部溫度下降約0.3 K.

4　步行街微氣候環(huán)境優(yōu)化策略探討

基于以上模擬分析與總結(jié),為更好提升步行街微氣候環(huán)境,提出以下4條空間優(yōu)化策略.

4.1選擇良好的朝向

街道朝向?qū)值纼?nèi)部的微氣候變化起到很大的影響,由于城市地理位置的差異,不同的城市存在不同角度的熱軸,當街道走向接近熱軸時,會導(dǎo)致街道內(nèi)部溫度升高.本文中的獅子橋步行街由于其朝向為南偏東15°左右,避開了城市西南向熱軸且與南京夏季盛行東南向風相近,使得獅子橋步行街內(nèi)部整體溫度相對其他2條街道較低且平均風速分布較高,盡管獅子橋步行街的天空可視域、高寬比等指標比南捕廳步行街要高.因此,南京的步行街在可能的條件下盡量以東南向為主.

4.2合適的長寬比及高寬比

合適的長寬比及高寬比對于步行街內(nèi)部的微氣候分布有較大的影響,基于上文的研究發(fā)現(xiàn),當步行街外部溫度較高時,街道宜采用較大的長寬比,保證基地內(nèi)部的微氣候質(zhì)量.而當步行街對于二層以上空間的微氣候要求較高時,或設(shè)置了部分屋頂步行空間的,則需要考慮通過調(diào)整高寬比的方式來優(yōu)化步行街垂直方向的溫度分布與風速分布.

4.3空間節(jié)點優(yōu)化

局部空間節(jié)點如街道入口廣場、街道中心節(jié)點通過合理的界面調(diào)整及空間的尺度調(diào)節(jié)同樣可以優(yōu)化步行街內(nèi)部的微氣候環(huán)境,本文研究中的獅子橋步行街南側(cè)入口廣場及內(nèi)部廣場的放大有效調(diào)節(jié)了步行街溫度分布及風速分布.而南捕廳步行街東側(cè)的2個入口中,北側(cè)入口通過減小開口尺度有效降低街道內(nèi)部溫度.因此,步行街局部節(jié)點的空間尺度調(diào)整應(yīng)結(jié)合外部溫度分布來展開調(diào)節(jié).

4.4合理的綠化和水面設(shè)置

在空間尺度及朝向確定的基礎(chǔ)上,微氣候環(huán)境較差的部分通過設(shè)置綠化和水體,可以有效降低局部溫度，并提升空氣濕度,主要考慮:① 樹種的選擇.綠化種植中應(yīng)充分考慮植被種類,一般來說,喬木的微氣候影響力大于灌木.② 綠化的位置.一般城市柏油路是主要的高熱地區(qū),在步行街與城市道路交接處,有條件的情況下應(yīng)盡量增加植被種植,以緩解周邊高熱地區(qū)的熱傳導(dǎo)作用.

5　結(jié)語

城市步行街的微氣候環(huán)境一方面受到街道所處周邊環(huán)境的影響,另一方面街道本身的空間形式特征對于街道的微氣候影響也較大.本文利用Envi-met軟件模擬分析步行街空間形式與微氣候環(huán)境的關(guān)聯(lián)性,數(shù)據(jù)顯示不同街道朝向、尺度及界面均對街道內(nèi)部的微氣候分布產(chǎn)生一定的影響.以南京步行街為例,東南朝向、較大的長寬比、局部空間節(jié)點尺度變化及合適的水體及綠化布局是促進步行街微氣候環(huán)境提升的重要策略.

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Simulation analysis on relationship between spatial form and microclimate of pedestrian street in Nanjing

Li Jingjin1Wang Jianguo1,2

(1School of Architecture, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2Research Institute of Urban Planning and Design, Southeast University, Nanjing 210096,China)

To study the influences of the spatial form of pedestrian streets on urban microclimate, four parameters, including air temperature, relative humidity, wind speed, and solar radiation of three different kinds of streets on June 21, 2014 in Nanjing city were simulated by applying Envi-met software. The microclimate environments of the Shiziqiao street, Nanbuting street, and Hexi street were evaluated based on the Olgyay’s bioclimatic evaluating index, among which the Shiziqiao street was a street with better micro-climate environment than the other two streets, and Nanbuting street was better than Hexi street. Results show that direction, section form, sky-view factor, and green have different impacts on the street microclimate. Based on the research, some strategies are suggested to improve the microclimate conditions of the pedestrian streets.

pedestrian street; microclimate; Envi-met; Nanjing

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.035

2016-01-05.作者簡介: 李京津(1987—),男,博士生;王建國(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,wjg-cw@seu.edu.cn.

TU984.16

A

1001-0505(2016)05-1103-07

引用本文: 李京津，王建國.南京步行街空間形式與微氣候關(guān)聯(lián)性模擬分析技術(shù)[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(5):1103-1109. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.035