李素華 蘇小超 趙旭東 陳昭赫 肖秋鳳

關(guān)鍵詞：地下商業(yè)街；城市形態(tài)；Envi-met；豎井排風(fēng)；微氣候

前言

隨著中國(guó)城市化的快速發(fā)展，城市微氣候逐漸惡化。城市地下空間開(kāi)發(fā)在解決城市人口、資源和環(huán)境三大危機(jī)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)改善城市微氣候具有積極作用。目前，越來(lái)越多學(xué)者開(kāi)始關(guān)注通過(guò)開(kāi)發(fā)城市地下空間改善城市微氣候，相關(guān)的研究更多是關(guān)注通過(guò)開(kāi)發(fā)地下空間騰出土地面積用于種植綠化來(lái)改善室外微氣候，而對(duì)城市地下空間開(kāi)發(fā)對(duì)城市微氣候可能帶來(lái)的負(fù)面影響卻鮮有研究。

隨著地下商業(yè)街逐漸成為城市居民出行、購(gòu)物、娛樂(lè)的重要場(chǎng)所，大量人流進(jìn)入地下空間。為了滿足人員在地下空間內(nèi)部活動(dòng)的安全和舒適感，則需要采取機(jī)械排風(fēng)的方式將地下空間內(nèi)部的熱量及污染物通過(guò)豎井排到室外，并及時(shí)補(bǔ)充新鮮空氣。當(dāng)?shù)叵驴臻g內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量比較惡劣時(shí)，從地下空間內(nèi)部排出去的污染物會(huì)對(duì)室外環(huán)境造成二次污染。相比地下封閉的空間環(huán)境，營(yíng)造一個(gè)舒適安全的室外環(huán)境更為重要。因此，需要重視并量化研究地下空間開(kāi)發(fā)對(duì)城市微氣候可能產(chǎn)生的負(fù)面影響。研究以圍合式城市形態(tài)地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)為例，運(yùn)用ENVI-met量化評(píng)價(jià)不同地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)強(qiáng)度、豎井排風(fēng)布置及地面綠化等因素對(duì)室外CO濃度的影響，根據(jù)模擬結(jié)果探索基于城市微氣候的地下商業(yè)街設(shè)計(jì)策略。

1城市地下空間開(kāi)發(fā)對(duì)城市微氣候的影響機(jī)理

城市地下空間開(kāi)發(fā)對(duì)城市微氣候影響的本質(zhì)遵循城市能量平衡理論。影響城市能量平衡的主要因素主要包括空間形態(tài)因素、下墊面因素和人為排熱三方面，城市地下空間開(kāi)發(fā)通過(guò)改變以上三方面因素影響城市微氣候。

1.1城市地下空間與城市空間形態(tài)

城市地下空間開(kāi)發(fā)將大量城市功能放人地下，形成一個(gè)地上地下一體化的三維城市空間形態(tài)，可以減少城市地上空間開(kāi)發(fā)量，改變地面建筑的組合方式，形成不同的城市空間形態(tài)。Sterling在《Un-derground Space Design》中指出在保持地面建筑高度以及地面建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格不變的前提下，開(kāi)發(fā)地下空間，將一部分城市功能放人地下，能夠形成城市中庭或者城市下沉空間等立體布局形態(tài)，隨著地下空間開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的增加，城市的空間形態(tài)改變?cè)酱蟆３鞘胁煌目臻g形態(tài)能夠影響構(gòu)筑物對(duì)于太陽(yáng)輻射的吸收與長(zhǎng)波輻射散熱，還能夠?qū)Τ鞘酗L(fēng)環(huán)境產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響城市微氣候。

1.2城市地下空間與城市下墊面

城市地下空間開(kāi)發(fā)通過(guò)對(duì)節(jié)省出來(lái)的土地進(jìn)行綠化，能夠增加城市的綠化面積，改變城市下墊面屬性，對(duì)改善城市微氣候有積極的影響。高大樹(shù)木能夠干擾太陽(yáng)輻射以及來(lái)自地面、建筑表面和天空之間的長(zhǎng)波輻射，陽(yáng)光在樹(shù)葉之間的多重反射中被吸收掉，再加上樹(shù)葉的蒸騰作用能降低樹(shù)木周邊的空氣溫度。綠化在陽(yáng)光下的光合作用，能夠吸收二氧化碳并釋放氧氣。同時(shí)，綠化能夠影響空氣中的顆粒物擴(kuò)散和沉降顆粒物進(jìn)而影響室外空氣質(zhì)量。

然而，在地下工程上面進(jìn)行綠化設(shè)計(jì)，植物的生長(zhǎng)環(huán)境不同于自然狀態(tài)下的環(huán)境，植物種類(lèi)的選擇及植物搭配主要取決于地下空間覆土深度。根據(jù)《種植屋面工程技術(shù)規(guī)范JGJ155-2013》可知，地被植物、灌木和喬木對(duì)覆土深度的要求是依次遞增的，比如美人草等草坪、地被植物生存所需的最小土深為100～200mm；金葉女貞等小灌木植物生存所需的最小土深為300～400mm；金邊黃楊等大灌木植物生存所需的最小土深為450～600mm；桂花等小喬木植物生存所需的最小土深為800～900mm；香樟等大喬木植物生存所需的最小土深為900～1200mm。如果地下空間覆土深度小，則只能種植草坪和灌木，不適于高大喬木的種植，相應(yīng)的景觀設(shè)計(jì)也略顯單調(diào)，對(duì)室外微氣候的改善效果有限；若覆土深度能夠滿足種植高大喬木，相應(yīng)的景觀設(shè)計(jì)也更加豐富，也更有利于改善室外微氣候。

1.3城市地下空間內(nèi)部環(huán)境控制對(duì)城市微氣候的影響

軌道交通和地下商業(yè)的快速融合發(fā)展，影響了人民的出行方式和生活方式，地下空間成為城市居民集聚的重要場(chǎng)所。為創(chuàng)造一個(gè)適合人生存和活動(dòng)的環(huán)境空間，城市地下空間環(huán)境需要更多地依靠人工手段來(lái)加以控制和改善，包括熱濕環(huán)境控制、空氣品質(zhì)、聲環(huán)境控制、光環(huán)境控制、心理與視覺(jué)環(huán)境控制以及節(jié)能控制等。地下空間內(nèi)部通風(fēng)空調(diào)和環(huán)境控制系統(tǒng)主要由新風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)組成。排風(fēng)系統(tǒng)將地下空間內(nèi)部的污染空氣經(jīng)由地面排風(fēng)設(shè)備排放到城市地面環(huán)境；與此相對(duì)，新風(fēng)系統(tǒng)將城市地面環(huán)境的新鮮空氣送入地下空間內(nèi)部，由此完成地下空間內(nèi)部通風(fēng)的系統(tǒng)循環(huán)。

2研究方案

2.1基本模型單元

研究選擇圍合式典型城市形態(tài)單元為模型，研究基于室外微氣候的地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)策略。模型采用九宮格式布局，假設(shè)開(kāi)發(fā)4條商業(yè)街，基本模型單元尺寸為200mx200m，如圖1所示。假設(shè)建筑高度為36m，建筑單體平面尺寸為13.3mx46.6m，建筑層高4m，共9層，街區(qū)層峽高寬比為36/20。

2.2案例設(shè)置

2.2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

研究重點(diǎn)關(guān)注室外1.5m行人高度的由地下商業(yè)街排放的CO濃度，并將其作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)對(duì)室外微氣候的影響。此外，根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）規(guī)定，城市地下商業(yè)街附近區(qū)域空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)允許的CO濃度值為10mg/m3，如果開(kāi)發(fā)城市地下商業(yè)街排放到室外的CO濃度小于10mg/m3，說(shuō)明地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)策略是綠色環(huán)保的，如果室外的CO濃度大于10mg/m3，說(shuō)明該區(qū)域地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)造成了空氣污染。研究通過(guò)定性和定量分析，評(píng)估地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)對(duì)室外微氣候的影響。首先，定性對(duì)比分析不同設(shè)計(jì)方案下室外CO濃度變化，再以10mg/m3為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比每種設(shè)計(jì)方案下室外CO濃度超過(guò)10mg/m3的污染面積，以此選擇污染面積最小的設(shè)計(jì)方案，得出地下商業(yè)街的開(kāi)發(fā)策略。關(guān)于污染面積的計(jì)算，研究首先以10mg/m3為閾值，提取每一整點(diǎn)時(shí)刻超過(guò)該閾值的網(wǎng)格數(shù)N，根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格2mx2m（4m2），可求得每種方案每一整點(diǎn)時(shí)刻的污染面積為4Nm2。

2.2.2方案的命名

所在城市的天氣情況、地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)強(qiáng)度、排風(fēng)豎井的布局以及地面綠化與地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)排放到室外的污染物濃度緊密相關(guān)。研究以南京市地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)為背景，相關(guān)天氣情況參數(shù)見(jiàn)后文。地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)強(qiáng)度（Intensity）關(guān)系著污染物排放源強(qiáng)的計(jì)算，在研究中考慮地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)一層、二層和三層，共三種情況；排風(fēng)豎井的位置也就是污染源的位置，其布局關(guān)系著室外污染物的擴(kuò)散，研究主要考慮豎井排風(fēng)口的位置（Location）和高度（Height）的不同對(duì)室外CO擴(kuò)散的影響。排風(fēng)口的位置假定有集中排放和分散排放兩種情況；根據(jù)基本模型單元20m×200m=4000m2的街道面積，按照每2000m2一個(gè)防火單元需要一套排風(fēng)系統(tǒng)的規(guī)范要求，則每條地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)需要2套排風(fēng)系統(tǒng)，則需有2個(gè)排風(fēng)豎井，也就是2個(gè)污染點(diǎn)源。排風(fēng)口的排放高度考慮2m、5m、8m三種工況。地面綠化均只考慮單一植物配置，主要考慮橫向喬木（Transverse Tree）、豎向喬木（Vertical Tree）、大灌木（Big Shrub）、小灌木（Small Shrub）和草坪（Grass）五種地面綠化情況。此外，研究暫不考慮地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)強(qiáng)度對(duì)地面城市形態(tài)的影響。

對(duì)每種方案進(jìn)行編號(hào)，以便統(tǒng)計(jì)分析。第1位編號(hào)W表示圍合式城市形態(tài)；第2位編號(hào)I表示地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，I1是開(kāi)發(fā)一層，I2是開(kāi)發(fā)二層，I3是開(kāi)發(fā)三層；第3位編號(hào)H表示豎井高度，H：表示排風(fēng)豎井高度2m，Hs表示排風(fēng)豎井高度Sm，H8表示排風(fēng)豎井高度8m；第4位編號(hào)L表示排風(fēng)豎井位置，Li表示排風(fēng)豎井集中布置，L2表示排風(fēng)豎井分散布置；第5位編號(hào)表示地面綠化，TT表示橫向喬木，VT表示豎向喬木，BS表示大灌木，SS表示小灌木，G表示草。比如W-12-Hs-L2-TT表示圍合式城市形態(tài)，地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)二層，排風(fēng)口分散布置，豎井高度為5m，地面綠化為橫向喬木。方案模型概念圖，見(jiàn)圖2。

2.2.3模擬設(shè)置

2.2.3.1軟件選擇

研究選用德國(guó)波鴻大學(xué)Bruse和Fleer教授一起開(kāi)發(fā)微氣候模擬軟件ENVI-met4.0，來(lái)模擬地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)對(duì)室外微氣候的影響，并根據(jù)模擬結(jié)果探索基于室外微氣候的地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)策略。該軟件主要用于模擬構(gòu)筑物一植大氣三者之間的熱應(yīng)力關(guān)系，不僅可以模擬分析綠化對(duì)室外熱環(huán)境、人體熱舒適的影響，也可以模擬空氣污染物擴(kuò)散，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界不同地區(qū)不同尺度的微氣候研究中，適用性和準(zhǔn)確性已在前期研究中進(jìn)行了校驗(yàn)。

2.2.3.2源強(qiáng)設(shè)置

根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GBT 18883 - 2002），地下商業(yè)街內(nèi)CO的濃度限值為5mg/m3，考慮最不利情況，將5 mg/m3作為地下商業(yè)街CO排放到室外的初始濃度。假定地下商業(yè)街每層開(kāi)發(fā)深度為5.1m，則開(kāi)發(fā)一層每個(gè)排風(fēng)豎井的排風(fēng)量：2000m2x5.1mx6ACH=61200m3/h;源強(qiáng)E=5mg/m3×61200m3/h=306000mg/h即85000ug/s。相應(yīng)的，當(dāng)?shù)叵律虡I(yè)街開(kāi)發(fā)兩層、三層時(shí)，源強(qiáng)分別為E=170000ug/s、255000ug/s。

2.2.3.3模擬參數(shù)

研究主要分析地下商業(yè)街早上10：00至晚上22：00營(yíng)業(yè)時(shí)間中，排放到室外的CO濃度變化。采用南京夏季典型氣象日數(shù)據(jù)作為模擬的初始條件，其中風(fēng)速為2.4m/s，風(fēng)向?yàn)?57.5°，原始大氣溫度為294.95K，室外大氣壓為100250Pa，相對(duì)濕度為80%；建筑材質(zhì)為混凝土；模擬網(wǎng)格數(shù)量為100x100x30（XxYxZ），網(wǎng)格步長(zhǎng)為2x2x7.5（XxYxZ）；植物配置的相關(guān)信息中，小灌木尺寸為1mx1mx1m（LxWxH），大灌木尺寸為3m×3mx2m（LxWxH），橫向喬木尺寸為7m×7mx6m（LxW xH），豎向喬木尺寸為5mx5mx10m（LxWxH）。污染源的尺寸為2mx2m，污染源的高度分為2m，5m，8m，源強(qiáng)分別為85000ug/s， 170000ug/s， 255000 ug/so

此研究主要關(guān)注室外地上1.5 m行人高度的CO濃度變化，所以隨著地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的增加，污染源強(qiáng)變大，室外1.5 m的CO濃度將呈上升趨勢(shì)；同時(shí)，隨著豎井排風(fēng)口高度由2m到5m、8m的增加，室外1.5m的CO濃度將呈下降趨勢(shì)。為節(jié)約篇幅，文章主要分析排風(fēng)豎井位置變化和地面綠化對(duì)室外空氣質(zhì)量的影響。

3模擬分析與討論

3.1豎井位置對(duì)空氣質(zhì)量的影響

如圖3所示不同排風(fēng)豎井布置對(duì)室外CO濃度的影響（中午12：00）。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，排風(fēng)豎井集中布置和分散布置下的室外CO濃度均未超過(guò)10mg/m3，但是，排風(fēng)豎井集中布置時(shí)，局部CO濃度略高于排風(fēng)豎井分散布置。

如圖4所示不同排風(fēng)豎井位置下室外CO濃度超過(guò)10mg/m3的污染面積。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比排風(fēng)豎井集中布置，排風(fēng)豎井分散布置時(shí)，室外CO濃度超過(guò)10mg/m3的范圍明顯降低，說(shuō)明對(duì)于圍合式城市形態(tài)而言，排風(fēng)豎井分散布置有利于降低室外CO濃度。

3.2地面綠化對(duì)空氣質(zhì)量的影響

如圖5所示不同地面綠化對(duì)室外CO濃度的影響（中午12：00）。分析發(fā)現(xiàn)．僅有地面綠化為大灌木時(shí)，室外CO濃度未出現(xiàn)超過(guò)10mg/m3;地面綠化為草和小灌木時(shí)的污染面積明顯小于地面綠化為橫向喬木和豎向喬木分的污染面積。

如圖6所示不同地面綠化下室外CO濃度超過(guò)10mg/m3的污染面積。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)孛婢G化為橫向喬木或豎向喬木時(shí)，室外CO濃度超過(guò)10 mg/m3的污染面積分別累計(jì)達(dá)到3136m2和2964m2，這主要是因?yàn)楦叽髥棠静焕跉饬鞯膫鞑?，阻礙了CO的擴(kuò)散，造成局部CO濃度過(guò)高，容易造成空氣污染。當(dāng)?shù)孛婢G化為小灌木或大灌木時(shí)，超過(guò)10mg/m3的區(qū)域面積僅為1060m2和852m2；當(dāng)?shù)孛婢G化為草時(shí)，室外CO濃度超過(guò)10mg/m3的區(qū)域面積累計(jì)達(dá)到772m2。這說(shuō)明對(duì)于圍合式城市形態(tài)下地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)，地面綠化布置草或者大灌木能夠減少對(duì)室外微氣候的污染。

4結(jié)論

文章分析了地下空間開(kāi)發(fā)對(duì)城市微氣候的影響機(jī)理，選擇圍合式城市形態(tài)下的地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)，以室外CO濃度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，定量評(píng)價(jià)了地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)強(qiáng)度、豎井排風(fēng)位置、豎井排風(fēng)高度以及不同地面綠化等設(shè)計(jì)因素對(duì)室外CO濃度的影響，并以此探索基于城市微氣候的地下商業(yè)街設(shè)計(jì)策略。得出以下結(jié)論：隨著地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的增加，對(duì)外排放的CO濃度變高，污染范圍變大；提高豎井排風(fēng)高度，豎井排風(fēng)選擇分散布置，在地下商業(yè)街開(kāi)發(fā)區(qū)域地面種植草或者大灌木，能夠降低室外CO濃度，改善室外微氣候。