高密度城市密集型屋頂綠化空間環(huán)境熱舒適分析
——以成都市為例

鐘艾錦

(西南交通大學(xué) 建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院，四川 成都 611756)

1 引言

高密度城市的要素是建筑高度聚集、各類構(gòu)筑物密集、環(huán)境質(zhì)量欠佳、地價(jià)高昂,可以用于綠化的土地空間極為有限[1]，而發(fā)展屋頂綠化能夠?yàn)橐呀?jīng)建成的硬質(zhì)化的屋頂重新添綠，為城市居民提供公共休閑空間，同時(shí)還具有緩解城市熱島效應(yīng)和提供生態(tài)棲息地等功能，這使得屋頂綠化近年來(lái)越來(lái)越受到重視。

密集型屋頂綠化空間相較于其他類型的屋頂綠化空間，有更高的使用率并且承擔(dān)了游憩、娛樂(lè)、商業(yè)活動(dòng)等多種使用功能，這就對(duì)密集型屋頂綠化空間的熱舒適度提出了更高的要求。根據(jù)學(xué)者研究表明屋頂綠化能夠在夏季有效地降低溫度，促使屋頂空間的生理等效溫度PET和UTCI達(dá)相對(duì)舒適水平[2,3]。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)于屋頂綠化熱舒適的研究仍然較少，因此本文以成都市為例，對(duì)高密度城市密集型屋頂綠化空間的熱舒適進(jìn)行探討。

2 熱舒適的相關(guān)理論

2.1 定義

影響人體冷熱程度的各種因素所構(gòu)成的環(huán)境稱為熱環(huán)境[4]，包括了空氣溫度、濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度等要素，而熱舒適則是人在熱環(huán)境感到滿意的狀態(tài)[5]。熱舒適是在客觀物理環(huán)境條件影響下的個(gè)人主觀感受，因此除了客觀的環(huán)境條件外，個(gè)人的性別、年齡、職業(yè)及文化背景等因素也會(huì)對(duì)熱舒適感受產(chǎn)生影響。

2.2 屋頂綠化空間熱舒適的相關(guān)研究

目前對(duì)于屋頂綠化空間的熱舒適的研究主要還是集中于從熱環(huán)境因子角度，對(duì)不同屋頂綠化空間熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)地調(diào)研和測(cè)量，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件模擬屋頂綠化空間的熱環(huán)境和熱舒適指標(biāo)值，提出利于提高熱舒適的屋頂植物種類和配置方式及景觀空間布局模式[6～9]。但是熱舒適是主客觀因素共同作用的結(jié)果，且密集型屋頂綠化空間相較于粗放和半密集型綠化空間通常有更多人為活動(dòng)，只考慮客觀環(huán)境因素影響是不夠的。

在劉濱誼等學(xué)者研究地面空間如街道和廣場(chǎng)的熱舒適時(shí)除了測(cè)定僅反映室外熱環(huán)境參數(shù)對(duì)人熱生理狀態(tài)的影響的氣象指標(biāo)PET值外，還將其與通過(guò)熱舒適問(wèn)卷得到的熱舒適、熱中性和熱認(rèn)知這些使用者心理感知因素對(duì)比分析，以此來(lái)為不同熱環(huán)境空間設(shè)計(jì)提供參考[10～12]。

2.3 主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)分析的方法

2.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在量化評(píng)價(jià)戶外空間的熱舒適的指標(biāo)模型中，常用的有以下幾個(gè)。

(1)丹麥學(xué)者 Fanger[13]在人體熱舒適方程的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)驗(yàn)和調(diào)研數(shù)據(jù)建立了預(yù)測(cè)平均投票值和不滿意度(PMV/PPD)。

(2)在舊標(biāo)準(zhǔn)有效溫度的基礎(chǔ)上，美國(guó)學(xué)者Gagge[14]提出了將氣溫、濕度、風(fēng)速、輻射、活動(dòng)水平和衣著量共6個(gè)因素進(jìn)行計(jì)算的新標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(SET)。基于此標(biāo)準(zhǔn)，Parsons K C.給出在標(biāo)準(zhǔn)有效溫度為22.2～25.6 ℃時(shí)，人坐著的狀態(tài)達(dá)到熱中性，熱感覺(jué)為舒適。而室外標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(OUT_SET)的定義與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有效溫度一樣，只是將其應(yīng)用于室外環(huán)境。

(3)生理等效溫度(PET)由 H ppe[15]基于人體能量平衡模型(Munich Energy-balance Model for Individuals，MEMI)提出，由于該指標(biāo)既能用于室外冷環(huán)境，又可用于室外熱環(huán)境，因而被廣泛用于各種氣候條件下的室外熱舒適的評(píng)價(jià)。值得注意的是，尤其是在炎熱的環(huán)境下，生理等效溫度對(duì)于濕度的變化不是很敏感。

(4)國(guó)際生物氣象學(xué)會(huì)建立了通用熱氣象指數(shù)(UTCI)[16]，被用來(lái)評(píng)價(jià)室外熱環(huán)境。該指數(shù)是建立在Fiala的人體體溫調(diào)解數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合適應(yīng)服裝模型，以此來(lái)確定人體的生理變量。

2.3.2 評(píng)價(jià)分析的方法

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，目前針對(duì)屋頂綠化空間的熱舒適評(píng)價(jià)分析的主要方式為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬，常用于其他戶外綠化環(huán)境的方式如問(wèn)卷調(diào)研還使用較少。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)一般使用專業(yè)的氣候測(cè)量?jī)x器，測(cè)定特定地點(diǎn)一定時(shí)間段內(nèi)的各項(xiàng)氣候數(shù)值，得到的數(shù)值可代入不同的指標(biāo)模型計(jì)算，以得到在特定時(shí)間點(diǎn)的熱舒適值?，F(xiàn)在，有如德國(guó)研究員將RayMan模型編譯為軟件，提供免費(fèi)的下載，可計(jì)算SET、PET、PMV等值；國(guó)際生物氣象學(xué)會(huì)同時(shí)也提供了在線計(jì)算UTCI的方式。

數(shù)值模擬主要是通過(guò)模擬軟件，通過(guò)建模、數(shù)值模擬及數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法對(duì)場(chǎng)地的微氣候及其影響下的熱舒適值進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。在微氣候及熱舒適的分析上應(yīng)用較多的軟件是ENVI-met、RayMan模型等。ENVI-met軟件整合了從流體動(dòng)力學(xué)到熱力學(xué)，再到植物生理學(xué)或土壤科學(xué)等廣泛的不同科學(xué)學(xué)科形成一個(gè)單一的模型，以便所有元素都可以彼此交互并重現(xiàn)可以在現(xiàn)實(shí)中觀察到的協(xié)同作用。在最新版的ENVI-met4.4.4中提供三維的模型顯示并可與Rinho/Grasshopper建模軟件實(shí)現(xiàn)交互轉(zhuǎn)換。RayMan模型軟件主要計(jì)算室外三維空間中平均輻射溫度和輻射通量，再基于人體熱平衡方程式得到不同的熱舒適指標(biāo)。目前，對(duì)于動(dòng)態(tài)熱環(huán)境，RayMan模型作為一個(gè)靜態(tài)模型還不太適用。

3 成都市密集型屋頂環(huán)境的現(xiàn)狀及特征

3.1 成都市環(huán)境氣候特征

3.1.1 成都?xì)夂蛱卣?/p>

成都市地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度為16.5～18.0 ℃，年極端最高氣溫為35.2～37.4 ℃，年極端最低氣溫為-5.3～-1.4 ℃；年平均活動(dòng)積溫為4700～5300 ℃，全年無(wú)霜期大于337d。成都地區(qū)全年晴天少、陰天多，年總?cè)照諘r(shí)數(shù)為917.1～1320.7 h。年總降水量為1126.2～1707.2 mm，雨量主要集中在7～8月份，相對(duì)濕度全年平均值為82%。成都年平均風(fēng)速低，在1.3 m/s，最多風(fēng)向?yàn)殪o風(fēng)，風(fēng)向頻率為39%，次多風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，風(fēng)向頻率為14%。

總的來(lái)說(shuō)成都市氣候溫和，能夠?yàn)橹参锷L(zhǎng)提供較為充足的熱量和水分以及適宜的溫度，另外靜風(fēng)和低風(fēng)速也有利于屋頂綠化空間中的植物生長(zhǎng)，適宜于建造密集型屋頂綠化。同時(shí)，適宜的溫度和天氣也有利于屋頂戶外活動(dòng)的開(kāi)展。

3.1.2 溫度

成都地區(qū)年平均氣溫為15.6～16.9 ℃，春季平均氣溫13.6～15.1 ℃，夏季平均氣溫23.2～24.6 ℃，秋季平均氣溫16.3～17.6 ℃，冬季平均氣溫6.2～7.7 ℃[17]。近40年來(lái)，成都市春季、秋季及冬季的均溫升高，成都地區(qū)的陰冷不舒適得到改善，氣候舒適度得到提升；而夏季均溫升高，使天氣變得更加炎熱，加重不舒適感。屋頂環(huán)境遮蔽較少，受太陽(yáng)輻射及周圍建筑表面輻射影響較大，白天溫度更高，晝夜溫差更大。

3.1.3 相對(duì)濕度

通常將人體感到舒適濕度定義在50%～80%之間，1980～2016 年，成都地區(qū)多年平均月均相對(duì)濕度在 73.5%～83.7%，介于舒適和濕潤(rùn)之間。其中，又以秋季最高，冬季最低。近年來(lái)，成都地區(qū)的年均相對(duì)濕度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，有利于改善因潮濕引起的不舒適。相對(duì)濕度在一定高差范圍內(nèi)的變化幅度不大，主要受周邊植被及水體的影響，因此可判定成都市屋頂空間相對(duì)濕度特征與地面觀測(cè)情況一致。

3.1.4 風(fēng)速

根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，成都地區(qū)春季、夏季和秋季的平均風(fēng)速總趨勢(shì)均呈現(xiàn)波動(dòng)式減小態(tài)勢(shì)，其中春夏兩季平均風(fēng)速減小態(tài)勢(shì)顯著；冬季平均風(fēng)速為波動(dòng)式增大態(tài)勢(shì)，但不顯著[18]。雖然隨著高度的增加，風(fēng)速會(huì)增大，但根據(jù)黃瑞[19]等研究計(jì)算，20～400 m建筑高度范圍內(nèi)，屋頂月平均風(fēng)速變化在1.0～3.1 m/s之間，仍然處于微風(fēng)范圍。對(duì)于夏季來(lái)說(shuō)，適當(dāng)提高風(fēng)速有利于提高空間熱舒適度，而冬季刮風(fēng)則不受到人們喜愛(ài)。

3.1.5 太陽(yáng)輻射

成都市年平均日太陽(yáng)輻射量為10.249 MJ/m2屬于太陽(yáng)輻射較少地區(qū)，年日照時(shí)數(shù)僅有900～1300 h。隨著建筑高度增加，屋頂空間所受的周邊建筑遮擋減少，且由于風(fēng)速的增加使得污染物及氣溶膠濃度的降低，屋頂空間較其他地面綠地空間能接受更多的太陽(yáng)輻射。此外，除太陽(yáng)的短波輻射，周邊建筑墻體以及玻璃幕墻的長(zhǎng)波輻射也會(huì)提高屋頂環(huán)境溫度，影響屋頂?shù)臒崾孢m。

3.2 成都市密集型屋頂綠化分類及特征

常見(jiàn)的屋頂綠化類型有平臺(tái)式、錯(cuò)層式、階梯式、斜坡式(圖1)。在成都平臺(tái)式和錯(cuò)層式是較為常見(jiàn)的類型，階梯式的密集型屋頂花園暫未在成都發(fā)現(xiàn)較為有特征的代表，而斜坡式主要受建筑屋面形態(tài)影響，發(fā)展密集型屋頂綠化難度較大，一般以發(fā)展粗放型的綠化為主。

圖1 屋頂綠化類型

3.2.1 平臺(tái)式

平臺(tái)式屋頂綠化是最為常見(jiàn)的一種類型，它通常建于公共、辦公建筑的裙樓或住宅的屋頂上。這種類型的屋頂綠化還可細(xì)分為無(wú)遮擋型、單面遮擋型或多面遮擋型。較少的底面高差變化使得這類的屋頂空間能承載更多的商業(yè)、文化、娛樂(lè)和游憩等功能，而不同的功能活動(dòng)和使用人群對(duì)應(yīng)了不同的熱舒適需求，這就需要在結(jié)合使用功能的基礎(chǔ)上通過(guò)利用不同的景觀要素和不同的空間塑造手段來(lái)創(chuàng)造不同的小空間滿足不同熱舒適需求。

3.2.2 錯(cuò)層式

錯(cuò)層式的屋頂綠化空間通常設(shè)計(jì)師在建筑設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)將屋頂?shù)木G化空間考慮，使得建筑與屋頂綠化空間融合在一起，具有代表性的有成都來(lái)福士廣場(chǎng)的屋頂綠化空間。該空間中錯(cuò)層的建筑形式使得每層屋頂之間需要依靠階梯相連，變化豐富的高差給予了設(shè)計(jì)師更多的創(chuàng)造可能。特別是在水景的處理上，通過(guò)水池和跌水的處理，使得不同高度的空間有了聯(lián)系，同時(shí)流動(dòng)的水體能增加空氣的流通，在夏季能降低周邊環(huán)境氣溫，有利于提高周邊環(huán)境的熱舒適感受。

3.2.3 階梯式

與錯(cuò)層式相似，階梯式屋頂綠化空間與建筑結(jié)合緊密，但是通常此類型屋頂空間被高差分隔，面積較小或呈條帶狀階梯式分布，且與每層樓出入口結(jié)合緊密，這就限制了這類綠化空間的使用功能。在考慮這類屋頂綠化空間時(shí)，更多會(huì)結(jié)合出入口考慮通行、短暫停留等這類活動(dòng)的熱舒適需求為主。

3.2.4 斜坡式

這一類型的屋頂空間較少建造密集型屋頂綠化，再因其坡度較陡，基本不能承載一般的人為活動(dòng)，而熱舒適是人對(duì)于熱環(huán)境的感受，所以討論這類空間的中的熱舒適意義不大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)梳理，本文總結(jié)了現(xiàn)有屋頂熱舒適的評(píng)價(jià)和研究方法，分析了成都市屋頂氣候現(xiàn)狀，并分類討論了不同類型的密集型屋頂綠化空間的熱舒適相關(guān)特征，接下來(lái)還有以下內(nèi)容需要進(jìn)一步地深化研究。

第一，熱舒適是人的主觀感受，現(xiàn)有指標(biāo)雖然能夠反映人體熱舒適的狀況，但由于地區(qū)、文化、年齡、職業(yè)等因素的影響，問(wèn)卷調(diào)研應(yīng)作為補(bǔ)充手段。

第二，不同類型的屋頂綠化空間其使用功能有不同的偏重，因而需要進(jìn)一步探討不同功能小空間的人為活動(dòng)需求和熱舒適需求之間的關(guān)系，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。