面向濕熱環(huán)境的居住區(qū)氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)研究

文/廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 聶危蕭

0 引言

在全球變暖與城市熱島效應(yīng)的疊加影響下，城市微氣候環(huán)境與人類居住需求逐漸脫節(jié)，成為建設(shè)宜居城市與健康城市的掣肘。居住區(qū)是居民使用時(shí)間最長(zhǎng)的生活場(chǎng)所，良好的物理環(huán)境是提高居民活動(dòng)意愿、增強(qiáng)居住區(qū)活力的物質(zhì)前提。居住區(qū)微氣候環(huán)境雖無(wú)法脫離區(qū)域自然氣候環(huán)境，但表面材質(zhì)、建筑布局、空間形態(tài)等人工環(huán)境屬性卻深刻影響居住區(qū)的局地環(huán)流和熱力傳輸交換。通過(guò)精細(xì)化的規(guī)劃設(shè)計(jì)適應(yīng)自然氣候變化，融合氣候與城市治理手段，提升住區(qū)氣候舒適性，改善居民生活環(huán)境質(zhì)量與空間品質(zhì)，成為居住區(qū)規(guī)劃的重要課題。

廣州市是全球亞熱帶地區(qū)人口與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)最集中、規(guī)模最大的城市之一，通風(fēng)散熱難度大，城市熱島問(wèn)題嚴(yán)重，屬于典型“夏熱冬暖”地區(qū)。當(dāng)?shù)貧夂蚴孢m性較差，全年僅21.9%的時(shí)間適合在開(kāi)敞戶外空間活動(dòng)?！巴L(fēng)、散熱”是最適合廣州濕熱環(huán)境的被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略，可有效改善城市的熱舒適環(huán)境[1]。針對(duì)廣州濕熱環(huán)境開(kāi)展氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究將從傳統(tǒng)制冷工業(yè)單一視角向城市綜合視角轉(zhuǎn)變，探尋更高效、可持續(xù)的微氣候舒適性提升方案。

1 氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展

規(guī)劃設(shè)計(jì)中的氣候適應(yīng)性思想最初起源于以阿爾托等為代表的地方主義思想，主張?jiān)O(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合地理、氣候及文化因素，且在建筑設(shè)計(jì)方面率先發(fā)展，形成較成熟的生物氣候建筑設(shè)計(jì)理念。其他類似概念，如氣候設(shè)計(jì)、氣候適應(yīng)設(shè)計(jì)、氣候敏感設(shè)計(jì)、氣候意識(shí)設(shè)計(jì)及被動(dòng)式設(shè)計(jì)等，皆是對(duì)利用氣候資源實(shí)現(xiàn)節(jié)能建筑設(shè)計(jì)的概括性描述，其核心理念一致。20世紀(jì)90年代，GIVONI B[2]將此研究拓展到城市設(shè)計(jì)領(lǐng)域，其著作《建筑和城市設(shè)計(jì)中的氣候考慮》系統(tǒng)分析氣候成因及城市、建筑影響因素，并針對(duì)不同氣候區(qū)域提出建筑及城市設(shè)計(jì)策略。隨后，在適應(yīng)地域氣候的城市規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域，不斷有學(xué)者將建筑學(xué)氣候設(shè)計(jì)理念嫁接到城市規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域，積極探索適應(yīng)氣候影響的城市規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)策，以創(chuàng)造生態(tài)宜居的城市空間環(huán)境。如ERELL E[3]在探討氣候?qū)W家和城市規(guī)劃師之間的關(guān)系后，設(shè)計(jì)氣候意識(shí)性城市規(guī)劃的方法框架，在規(guī)劃過(guò)程中應(yīng)用氣候知識(shí)，說(shuō)明其目標(biāo)及局限性。MILLSA G等[4]提出基于氣候規(guī)劃，提升城市氣候觀察手段和數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對(duì)地方、區(qū)域和全球氣候之間聯(lián)系的理解，以開(kāi)發(fā)實(shí)際規(guī)劃應(yīng)用，向氣象工作者和城市決策者傳播城市氣候知識(shí)和規(guī)劃知識(shí)。

眾多學(xué)者針對(duì)特定氣候類型，在適應(yīng)不同地域氣候環(huán)境策略方面提出針對(duì)性的規(guī)劃設(shè)計(jì)框架，如EMMANUEL R[5]詳細(xì)分析熱帶地區(qū)氣候敏感性規(guī)劃策略及交通規(guī)劃指引。THANI S等[6]等以溫?zé)釟夂驗(yàn)槔?，從局地和微觀尺度探討通過(guò)景觀設(shè)計(jì)改善城市熱舒適度的方法。冷紅等[7]在氣候城市設(shè)計(jì)框架下，以寒地城市為例，在分析氣候因素對(duì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)影響的基礎(chǔ)上，從宏觀、中觀和微觀3個(gè)層面剖析不同階段的氣候城市設(shè)計(jì)對(duì)策。徐小東等[8]提出基于生物氣候條件的綠色城市設(shè)計(jì)概念，分別針對(duì)冬冷夏熱地區(qū)、濕熱地區(qū)、干熱地區(qū)，通過(guò)生物氣候要素、自然要素和人工要素的整合，形成適應(yīng)不同規(guī)模尺度和氣候條件的城市設(shè)計(jì)策略。

2 廣州市南沙區(qū)府前花園小區(qū)的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)

以廣州市南沙區(qū)府前花園小區(qū)為研究對(duì)象，小區(qū)位于南沙區(qū)豐澤西路與鳳凰大道交界處，蕉門(mén)水道北部、蕉門(mén)河西側(cè)。地塊南面、西面、北面均為非建設(shè)用地。府前花園規(guī)劃用地面積約13.5hm2，屬于典型的住宅小區(qū)；規(guī)劃容積率約2.0，建筑密度約25%，綠地率約30%，建筑以中高層為主，平均住宅層數(shù)為15層，是我國(guó)新建住宅小區(qū)的典型代表。

2.1 情景方案模擬

2.1.1 模擬方法

針對(duì)廣州濕熱地區(qū)特點(diǎn)，參照J(rèn)GJ 286—2013《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，選用CTTC模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)。CTTC參數(shù)模型是建立在熱平衡基礎(chǔ)上，使用建筑群熱時(shí)間常數(shù)方法計(jì)算局部建筑環(huán)境的空氣溫度隨外界熱量擾動(dòng)變化情況，并對(duì)平均氣溫、平均熱島強(qiáng)度、最高WGBT指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。WBGT指數(shù)即濕球黑球溫度，是綜合評(píng)價(jià)人體接觸作業(yè)環(huán)境熱負(fù)荷的基本參量，由黑球、自然濕球、干球3部分溫度構(gòu)成，綜合考慮空氣溫度、風(fēng)速、空氣濕度和輻射熱4個(gè)因素。

2.1.2 情景設(shè)置

按容積率2.0、建筑密度30%、綠地率30%的規(guī)劃設(shè)計(jì)條件，設(shè)計(jì)條狀組團(tuán)布局、建筑高度均高、不架空、30%綠地率、2棵喬木/100m2綠地的基準(zhǔn)模型。在保持容積率2.0不變的情況下，從建筑布局方式、架空情況、綠化情況、喬木配植和建筑高度5個(gè)方面入手構(gòu)建規(guī)劃情景方案（見(jiàn)表1，圖1）。

表1 規(guī)劃情景方案參數(shù)

圖1 規(guī)劃情景方案

2.1.3 結(jié)果分析

條狀組團(tuán)式布局較點(diǎn)式組團(tuán)式布局更有利于改善氣候舒適性。方案1條狀組團(tuán)式布局較方案2點(diǎn)式組團(tuán)式布局全天平均氣溫更低，平均熱島強(qiáng)度低，WBGT值低。條狀組團(tuán)布局更加圍合，使太陽(yáng)輻射入射量小于點(diǎn)式組團(tuán)布局，導(dǎo)致氣溫較點(diǎn)式布局低。

南低北高的建筑高度布局并未明顯改善小區(qū)氣候舒適性。在建筑密度、容積率不變情況下，方案c南低北高建筑布局情景的熱島強(qiáng)度、WBGT值高于方案a的均高建筑布局情景。南低北高的建筑高度布置使住區(qū)南側(cè)更開(kāi)敞，太陽(yáng)輻射入射量大于均高建筑布局，導(dǎo)致氣溫較高于方案a均高布局。建筑高度對(duì)住區(qū)內(nèi)總體熱環(huán)境的影響還需更多理論、試驗(yàn)及數(shù)值模擬討論。

建筑首層架空有利于改善氣候舒適性。在建筑密度、容積率不變情況下，方案d首層架空建筑情景下熱島強(qiáng)度、WBGT值低于不架空建筑情景。建筑底部架空可引進(jìn)新風(fēng)，改善建筑底部風(fēng)環(huán)境，對(duì)于南方濕熱氣候具有良好適應(yīng)性，尤其對(duì)人體活動(dòng)范圍而言（即高1.5m的水平面）具有改善作用。

增加小區(qū)綠地率可改善小區(qū)內(nèi)的氣候舒適性。在建筑密度、容積率不變情況下，方案e綠地率40%規(guī)劃情景的熱島強(qiáng)度、WBGT值低于方案a綠地率30%規(guī)劃情景。綠地可吸收太陽(yáng)輻射，所吸收的輻射能量大部分用于植物蒸騰及光合作用。綠地中的園林植物通過(guò)蒸騰作用，不斷從環(huán)境中吸收熱量，降低空氣溫度。

增加小區(qū)單位面積的喬木數(shù)量可改善小區(qū)內(nèi)的氣候舒適性。在建筑密度、容積率不變情況下，方案f較方案a全天平均氣溫低，平均熱島強(qiáng)度低，WBGT值高。喬木熱容更大，升溫速度較慢，在日間可起到穩(wěn)定小氣候作用；喬木的葉面積指數(shù)較大，可有效減少太陽(yáng)輻射對(duì)地表照射，減少熱輸入，從而降低熱島效應(yīng)；喬木蒸騰作用更強(qiáng)，不斷從環(huán)境中吸收熱量，可降低空氣溫度。

通過(guò)對(duì)6組規(guī)劃情景的熱環(huán)境模擬分析，優(yōu)化方案采用條狀組團(tuán)的建筑布局形式，首層架空設(shè)計(jì)，40%綠地率，4.3棵喬木/100m2綠地，并結(jié)合盛行風(fēng)向，在小區(qū)內(nèi)部規(guī)劃“東南-西北”的通風(fēng)廊道。

3 結(jié)語(yǔ)

建立“模擬—設(shè)計(jì)”居住區(qū)氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)體系，針對(duì)廣州濕熱環(huán)境，以南沙區(qū)典型新建居住小區(qū)為例，通過(guò)CTTC模型對(duì)情景方案進(jìn)行模擬，從場(chǎng)地設(shè)計(jì)、建設(shè)布局與設(shè)計(jì)、住區(qū)外環(huán)境設(shè)計(jì)等層面集成居住區(qū)氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)，形成居住區(qū)氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。