城市湿热环境的舒适度研究

城市湿热环境的舒适度研究

1.城市时域风热环境的现状由于气温高、湿度高、雨高、日温差小、无风和少风的特点，潮湿地区容易导致生活环境恶化、昼夜潮湿、人类皮肤蒸发、出汗、舒适度差等。不当的城市建设行为往往进一步加剧该地区静风效应,如不合理的建筑群体布局、过高的建筑密度以及过大的开发强度都易阻碍城市通风,导致城市内部热量难以释放,不仅加剧环境气候的不舒适度,还导致能源消耗大幅增长、城市空气污染加重。当前改善湿热气候区风热环境的研究主要涵盖以下几个方面:1宏观层面,从城市地形与选址、城市形态和模式、建筑物密度和城市结构、路网设计以及开放空间提出原则和策略改善湿热气候。2微观层面,通过建筑设计,如改善建筑的平面布局增加建筑内部穿堂风,使用中庭、门廊等空间形式形成气候缓冲空间以及使用新的建筑材质、形式从而改善湿热气候。3CFD技术运用:CFD软件即ComputationalFluidDynamics,是计算流体动力学,简称CFD。目前,国内、外关于利用CFD软件对建筑实体空间和建筑群体尺度进行风环境模拟分析的相关研究与技术应用较多,例如探讨建筑群布局方式、建筑形状、建筑高度、建筑间距、城市绿地布局、水面分布等对地块风热环境的影响,处于“小尺度建筑空间应用技术较为成熟,大尺度城市空间正在发展”的阶段。从现有的研究可看出,针对改善湿热气候的城市规划与设计策略主要集中于宏观和微观两个方面,而从城市街区、组团着手的中观层面则研究较少。2.微气候环境湿热地区静风期长、城市通风效果不佳是影响微气候舒适度、加重空气污染的主要因素之一。因此,尽可能提供良好的自然通风条件,改善风热环境是城市设计的关键。2.1.设计策略2.1.1.cfd技术的内涵CFD是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物,是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析。基于CFD技术的城市设计,是以城市组团或大型街区为研究区域,在充分收集区域气象信息和城市基础资料的前提下,进行气流组织模拟,建立城市数字模型,设置合理的边界条件和参数,模拟区域大气流动形成的速度场和温度场,从而对区域内的温度、风度等气候因素分布进行分析,得到城市设计要素与城市气候的关系规律。并以此为支撑,从构筑通风廊道、优化建筑布局及形式、梳理公共开敞空间等方面着手,在城市设计层面寻求改善城市通风效果、调节微气候的途径。2.1.2.城市通风廊道城市通风廊道是指城市中狭长的通风管道,通常结合城市中现有的绿地、水体等生态资源以及城市的道路构建人工通风廊道,利用风的流体特征将市郊的新鲜空气导入城市,市区内原有空气与新鲜空气经湿热混合后,在风的作用下导出市区。通风廊道的建立有利于促进大气循环良性运转。研究表明,当通风廊道顺应城市主导风向,廊道口与风向有30°-60°夹角,并且主廊道出口最终方向顺应主导风向时,廊道的通风效果最好,此时自然风进入廊道后会随着廊道形态改变,进入与主廊道联系的各条次级廊道。在城市设计中,应充分考虑城市街道与景观生态廊道等线性开放空间对于城市通风的主要作用。基于CFD技术构筑通风廊道有助与加强通风效果。2.1.3.开敞空间的温度与通风条件设置城市公共开敞空间指的是面向所有城市居民开放,为公众共同使用的空间,由建筑物与自然环境构成,是承载市民日常活动的场所。温度与通风条件是影响居民公共空间使用舒适度的重要因子。依据地段不同季节温度与通风条件设置适宜不同季节的开敞空间,可以最大程度满足居民不同季节使用的舒适度,同时能降低城市能耗,节能减排。首先利用CFD技术模拟区域温度场和速度场,并以此确定公共开敞空间的布局,其次根据不同场所夏、冬季风场特点设置适宜不同季节的开敞空间,最后依据主导季节风速特点确定开敞空间的类型。2.1.4.城市主导风向和天际线的控制在城市设计中,建筑群体不同组合模式和立体空间会对空间的日照情况和通风条件产生直接的影响,进而改变城市的风热环境。湿热的气候下,建筑布局宜呈现多样性,建筑群体的不同高度和长度要依据不同的主导风向布置,建筑布局宜迎合夏季主导风向开口,建筑长边尽量平行于城市主导风向;其次在城市内部风力较小的地区可采用建筑底层架空和布置开敞空间的方式引风入城。同时进行建筑群体布局时,应避免风影区的出现,风影区内,空气流动滞缓,不利于散热。在城市天际线的控制上,形成从城市中心到周边高度逐渐递减的“金字塔”形天际线,有助于将自然风引入城市内部,改善局部风热环境,并有效减弱热岛效应。在单体建筑形式上,可通过采用较大的窗洞,较深的阳台、门廊,以及架空隔热层等措施来降低夏季室内温度并改善通风,此外还可在屋面种植植被,隔热的同时又能截留雨水。2.2.城市空间布局总体布置改善湿热气候的城市设计关键在于将影响风热环境的设计元素通过CFD模拟技术进行系统性的整合,并在CFD模型指导下,权衡各因素的作用,合理布局城市空间。首先,收集该地区的基础资料,现状地形地貌资料,运用CFD技术,模拟区域大气流动,并依据城市的主导风向确定城市的主要通风廊道。以此确定城市的基本骨架,为进一步的城市设计奠定良好的基础。其次,依据CFD模型进行整体城市设计,综合考虑建筑群体布局、城市高层布置、以及城市天际线,并根据微气候条件合理利用公共开敞空间。最后,在整体城市设计构架完成的基础上,确定适宜的建筑形式。3.案例研究—案例研究------忠县水坪组团城市设计3.1.水坪5组平坝型忠县位于重庆市中部,是典型的湿热气候区,夏季酷暑,冬季湿寒。全县平均风速为09-2.1M/S,是全国风速最小的地方,静风的频率最多,约占全年的36%-50%,且主导风向为东北风(如图1、2)。水坪组团是忠县“一城、两岸、五组团、两区”空间布局结构中的五组团之一。规划区面积3.20平方公里,用地破碎较高。如何通过城市设计的策略和方法改善其风热环境,在建设用地较少的情况下,完成开发任务,构筑更加适宜的居住环境,是本次城市设计的难点。3.2.水坪组大气流动,打通“水—基于CFD技术构筑城市通风廊道规划区前有长江环抱,后靠天子山麓,地势层次分明。利用CFD模拟水坪组团大气流动,打通“水——城——山”通风廊道,构筑三级廊道系统:第一级结合用地内的汇水廊道和防护绿地设置,第二级结合主要通风廊道和道路设置,第三级结合地块内建筑之间通风廊道设置(如图3)。3.3.游憩场所的空间布局和设计分区c处与夏季和冬季依据CFD技术分析的区域风速场,合理布局公共开放空间。如图4所示A处,夏季风速较大,冬季风速较小,属于滨水水湾的凸出处,景观和气候舒适度高,宜建设夏季游憩场所,以全室外开敞空间为主。B处位于滨水水湾的凹入处,夏季和冬季的风速均较小,适宜建设冬季游憩场所,并适当设置室内、半室内空间。C处夏季和冬季的风速都比较平均,变化不大,它属于防护林中的休闲场所,强调以景观树木围合的游憩空间,既满足夏季通风、又可冬季挡风,宜设置四季游憩场所。D处夏季和冬季的环境都很好,风速较均匀,景观和气候的舒适度较高,游憩场所以开敞和半开敞空间为主(如图5)。3.4.风场模型验证不同的建筑组合模式和立体空间关系,将直接影响周围空间的日照状况和风环境,进而对建筑室内外空间的气候舒适性造成影响。常见的建筑布局形式有平行行列式、错列式、周边式及自由式,对几种布局形式进行CFD风场模拟表明:错列式、自由式排列比平行行列式、周边式排列好。平行行列式、周边式排列的风影区都较大,不利于城市通风(如图6)。因此,在设计中,依据CFD模拟的数字模型,在风速较小区尽量避免围合、院落式布局。建筑布局多采用错列式及自由式排列,依据地势和朝向等条件灵活布置,使得建筑相互挡风较小,每栋建筑都有足够的迎风面,对室内通风有利(如图7)。3.5.集中通风,降低建筑高度,增加城市视觉观赏水坪组团整体地形是由西南到东北逐渐递减,最高处与最低处的高差有150m。在设计中,降低了滨水地段的建筑高度,在引风入城同时增加了城市滨水界面的视觉观赏性。中部地区为了满足城市的开发,强化通风设计,布置了许多高层建筑;西南部靠近山体,降低部分建筑高度,形成了“金字塔”形天际线,促进城市通风降温(如图8)。3.6.屋顶设置与建筑形式忠县水坪组团在建筑设计中采用较大的窗洞,较深的门廊、外廊、阳台和遮阳板帮助导风和降温。建筑形式多样,底层架空、中庭的设计可以减少建筑能耗,提高舒适性。屋顶设置遮阳构架,控制不同季节阳光的进入。同时通过种植屋面、垂直绿化来降低屋面温度。忠县太阳能资源贫乏,并在设计中建议局部试点太阳能发电及集热等绿色技术(如图9)。4.城市设计层面积极应对城市不良气候给城市带来的不利影响,并通过城市设计手段改善城市的风热环境,是城市规划面临的主要课题。通过重庆忠县水坪组团城市设计的实践表明,利用CFD技术建立城市数字模型,指导进一步的城市设计有助于完善从城市街区、中观层面角度改善湿热地区风热环