洛陽(yáng)老城十字街夏季熱環(huán)境模擬及規(guī)劃改造策略

肖軼 呂皖豫

摘要：城市街谷的熱環(huán)境質(zhì)量決定室外人員的活動(dòng)舒適性，同時(shí)也是影響建筑能耗的主要因素。結(jié)合洛陽(yáng)市老城區(qū)的氣候特點(diǎn)，從城市微氣候及熱環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，本文探討街谷形態(tài)與微氣候之間的關(guān)系。以洛陽(yáng)市老城區(qū)十字街街谷為例，對(duì)街谷的夏季溫濕度及風(fēng)熱環(huán)境進(jìn)行調(diào)查實(shí)測(cè)，分析洛陽(yáng)老城十字街街谷的夏季微氣候環(huán)境，并基于ENVI-met軟件，對(duì)洛陽(yáng)老城十字街街谷的夏季熱環(huán)境進(jìn)行模擬，分析模擬數(shù)據(jù)，探究夏季洛陽(yáng)老城十字街街谷的微氣候環(huán)境問(wèn)題，通過(guò)對(duì)比分析街谷在特定時(shí)段內(nèi)，在不同的街道朝向、立面連續(xù)性以及街谷高寬比等要素條件下，街谷內(nèi)的空氣溫度變化，進(jìn)而揭示街谷空間形態(tài)要素對(duì)于街谷氣候環(huán)境的影響機(jī)制?；谇笆鲅芯砍醪娇偨Y(jié)出夏季街谷微氣候環(huán)境設(shè)計(jì)的基本原則，由此進(jìn)一步針對(duì)老城十字街的規(guī)劃改造提出了相應(yīng)的氣候適應(yīng)性的規(guī)劃改造策略。

關(guān)鍵詞：熱環(huán)境;街道空間形態(tài);模擬分析;設(shè)計(jì)策略

當(dāng)前氣候變化問(wèn)題已經(jīng)被世界各國(guó)政府和科學(xué)家所共同關(guān)注，以變暖為顯著特征的氣候變化正在影響著城市空間環(huán)境，氣候變化問(wèn)題普遍受到人們的密切關(guān)注。研究適應(yīng)氣候的城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒁?guī)劃與氣候相結(jié)合，設(shè)計(jì)出更加宜居的城市居住生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也是可持續(xù)發(fā)展策略的體現(xiàn)。城市街谷是指兩側(cè)有連續(xù)建筑物的相對(duì)狹長(zhǎng)的街道空間，其所形成的街谷微氣候直接影響著人們的熱舒適度，夏季熱環(huán)境又直接影響著人們的戶外活動(dòng)空間使用，因此，對(duì)街谷的空間形態(tài)與熱環(huán)境狀況間的關(guān)系研究十分必要。又基于對(duì)歷史街區(qū)更新規(guī)劃研究的需要，本文主要以洛陽(yáng)歷史街區(qū)的老城十字街為例，對(duì)洛陽(yáng)市夏季城市街谷微氣候有針對(duì)性地進(jìn)行實(shí)測(cè)與模擬研究，探究洛陽(yáng)街谷的空間形態(tài)與熱環(huán)境之間的關(guān)系，總結(jié)并分析其影響因素，進(jìn)而提出基于街谷微氣候的更新規(guī)劃策略。

1 洛陽(yáng)老城十字街夏季熱環(huán)境調(diào)研實(shí)測(cè)分析

1.1 模擬地點(diǎn)的選擇

作為洛陽(yáng)歷史街區(qū)的老城十字街區(qū)，位于北緯N34°40′49.79″，東經(jīng)E112°28′23.88″。其用地功能混合，建筑密集，多為低層民居。內(nèi)部道路為東西和南北走向，多為窄小的支路，并缺乏足夠的綠化和活動(dòng)空間，街谷內(nèi)熱環(huán)境狀況較差，亟需進(jìn)行研究與改善更新。因此，本次模擬選取洛陽(yáng)老城十字街的西大街和南大街兩條典型街谷（圖1） 作為熱環(huán)境模擬研究的對(duì)象。這兩條道路為傳統(tǒng)商業(yè)街，在空間形態(tài)方面，街谷平面均為一字形，道路鋪地材質(zhì)主要是青灰色大理石。路兩側(cè)多為兩層青磚傳統(tǒng)民居，布局呈圍合式，形成封閉的內(nèi)向庭院，這種庭院空間的入口大多與街道連通，與建筑的門窗洞口一起分割街谷立面，改變了街谷立面的連續(xù)性。同時(shí)，這兩條街谷內(nèi)綠化種類較單一，綠化稀缺，屏蔽了綠化對(duì)于熱環(huán)境的影響。

1.2 洛陽(yáng)老城十字街區(qū)夏季典型氣象日調(diào)查研究

該模擬研究所使用的溫度、風(fēng)速等氣象數(shù)值選取2015年7月18日數(shù)據(jù)，因?yàn)樵摃r(shí)間點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)為洛陽(yáng)市夏季典型氣象日數(shù)據(jù)，該天的空氣溫濕度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)極具代表性。經(jīng)由查閱、整理得到當(dāng)日各種氣象數(shù)據(jù)，時(shí)間從早上8點(diǎn)到下午19點(diǎn)，數(shù)據(jù)詳見(jiàn)下表1：

1.3 模擬軟件及方法

本次模擬時(shí)間為2015年7月18日的早上9：00到下午19：00，進(jìn)行十小時(shí)的街谷熱環(huán)境模擬，模擬時(shí)間內(nèi)氣溫為26.5–33.3℃，空氣濕度范圍為45-71%，十米高度的風(fēng)速為3.2m/s，風(fēng)向角度為200°。模擬軟件選用ENVI-met，按照老城十字街區(qū)現(xiàn)狀建模，設(shè)置好各種參數(shù)進(jìn)行熱環(huán)境模擬，得出街谷時(shí)間段內(nèi)空氣溫度、濕度、風(fēng)速等綜合數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)分析各種街谷空間形態(tài)對(duì)熱環(huán)境的影響。

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

在空間形態(tài)上，本文主要研究在不同的街谷朝向、立面連續(xù)性、街谷高寬比等形態(tài)要素條件下的街谷熱環(huán)境狀況。因此，在老城區(qū)西大街和南大街各選擇10個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析（圖2）。其中a1、a2、a3、a4、a5測(cè)點(diǎn)與b1、b2、b3、b4、b5測(cè)點(diǎn)分別位于西大街和南大街。各點(diǎn)街谷空間形態(tài)數(shù)據(jù)如表2所示。

2 洛陽(yáng)老城十字街夏季街谷熱環(huán)境模擬研究

2.1 街谷朝向

為了研究街谷朝向?qū)止葻岘h(huán)境的影響機(jī)制，本文選取西大街的a1和南大街的b1等兩個(gè)具有相同建筑高寬比和街谷立面連續(xù)性的，且有不同街谷朝向的對(duì)象進(jìn)行熱環(huán)境模擬。在早九點(diǎn)至晚十九點(diǎn)的時(shí)段內(nèi)，模擬的不同朝向街谷內(nèi)的空氣溫度變化情況見(jiàn)圖3。

從圖3曲線中可以看出，兩條不同朝向的街谷內(nèi)空氣溫度變化趨勢(shì)大致相同。但是，東西向的a街空氣溫度相對(duì)偏低，并且溫度波動(dòng)的幅度較小。測(cè)試點(diǎn)a1的最高溫度是16：00的32.31℃，最低溫度是10：00的26.39℃。b1點(diǎn)的最高溫度也是16：00的33℃，最低溫度是10：00的26.64℃。東西向a街的每個(gè)點(diǎn)均比南北向的b街低，兩者間存在著差值，差值的峰值是在14：00達(dá)到0.88℃。由溫度變化過(guò)程可知，兩者之間存在差值是因?yàn)闁|西向街谷內(nèi)的建筑會(huì)遮擋日照從而形成陰影區(qū)，導(dǎo)致該街谷內(nèi)相對(duì)缺少太陽(yáng)輻射。雖然在夏季，東西向街谷內(nèi)不會(huì)形成長(zhǎng)時(shí)間、大面積的遮擋區(qū)，但與南北向街谷相比，依然會(huì)受到一定影響，因此，東西向街谷內(nèi)空氣溫度會(huì)相對(duì)較低，且溫度波動(dòng)幅度也較小。圖4為兩測(cè)點(diǎn)溫差最大時(shí)所形成的熱環(huán)境模擬圖。

這正如Pearlmuttera等在對(duì)東西向的緊湊街谷研究后所提出的，在冬季，東西向的街谷會(huì)受到陰影影響導(dǎo)致街谷內(nèi)熱量損失，而南北向街谷在這方面的損失則相對(duì)較少。其與本文研究的結(jié)論相同。

2.2 立面連續(xù)性

為了研究街谷立面連續(xù)性對(duì)于街谷熱環(huán)境的影響機(jī)制，本文選取西大街的測(cè)點(diǎn)a4、a5以及南大街的測(cè)點(diǎn)b4、b5等兩組具有相同的街谷朝向和高寬比（H/W=0.5）的，且有不同立面連續(xù)性的對(duì)象進(jìn)行熱環(huán)境模擬。模擬時(shí)間為早九點(diǎn)到晚十九點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)模型見(jiàn)圖5、圖6。在不同街谷立面連續(xù)性條件下街谷內(nèi)空氣溫度變化情況見(jiàn)圖7、圖8。

通過(guò)將a4和a5、b4和b5的空氣溫度變化曲線對(duì)比研究，可以得出在相同的街谷高寬比和朝向條件下，門洞口的測(cè)點(diǎn)空氣溫度高于街谷立面連續(xù)的其他測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)a4和a5，最大溫差值是在15：00，差值為1.74℃。測(cè)點(diǎn)b4和b5的最大溫差值是在14：00，差值為0.69，后者溫差相對(duì)較小。圖9為兩測(cè)點(diǎn)溫差值最大的時(shí)間點(diǎn)熱環(huán)境模擬圖。

由圖中可知，各測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)一致，立面連續(xù)性不完整的a5和b5測(cè)點(diǎn)要比連續(xù)性完整的a4和b4測(cè)點(diǎn)溫度高。其原因是，相比于立面連續(xù)處的建筑，門洞口處的建筑與外界的接觸面更多，外表面積更大，建筑散熱更加明顯，空氣溫度會(huì)相對(duì)較高。且由于立面連續(xù)性的差異，也同時(shí)導(dǎo)致門洞口處與連續(xù)立面處的風(fēng)環(huán)境出現(xiàn)差異，這也影響了其熱環(huán)境。正如Shashua—Bar等在對(duì)夏季封閉的院落進(jìn)行熱環(huán)境研究后所指出的，街旁房屋處的空氣溫度要比城市冠層溫度高出許多，差值峰值為3.4℃。即立面連續(xù)性不完整的測(cè)點(diǎn)空氣溫度明顯比街谷內(nèi)其他測(cè)點(diǎn)溫度高。

2.3 街谷高寬比

為了研究街谷高寬比對(duì)街谷熱環(huán)境的影響機(jī)制，本文分別選取西大街的a2、a3以及南大街的b2、b3兩組具有相同街谷朝向、街谷立面連續(xù)性的，且有不同街谷高寬比的對(duì)象進(jìn)行熱環(huán)境模擬，模擬時(shí)間為早九點(diǎn)到晚十九點(diǎn)，圖10為高寬比示意圖，圖11，圖12為在不同街谷高寬比下街谷空氣溫度的變化。

從圖中可知，在不同街谷高寬比下，各測(cè)點(diǎn)的空氣溫度相差不大，且在時(shí)段內(nèi)溫度變化趨勢(shì)大致相同，但高寬比為0.5的街谷內(nèi)空氣溫度均比高寬比為1.0的街谷內(nèi)高。街谷高寬比為0.5的測(cè)點(diǎn)a2、b2最高溫度分別為32.78℃和32.77℃，街谷高寬比為1.0的測(cè)點(diǎn)a3、b3最高溫度分別為32.38℃和32.35℃。同一條街中不同高寬比的a2和a3測(cè)點(diǎn)空氣溫度差值的峰值為0.45℃，b2和b3測(cè)點(diǎn)空氣溫度差值的峰值為0.55℃。由此可知，當(dāng)街谷寬度相同時(shí)，建筑高度越低，能夠接受到的太陽(yáng)輻射更多，溫度會(huì)更高。所以，高寬比為0.5的街谷比高寬比為1.0的街谷空氣溫度高0.45-0.55℃。趙敬源、Pearlmuttera等也得出了類似的研究結(jié)論。圖13為兩測(cè)點(diǎn)溫差值最大的時(shí)間點(diǎn)熱環(huán)境模擬圖。

此外，將兩條大街對(duì)比分析，如圖14所示，可得出南大街的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)空氣溫度比西大街的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)空氣溫度略高一點(diǎn)。這是因?yàn)槟媳毕虻哪洗蠼帜軌蚪邮艿礁嗟奶?yáng)輻射，使得南大街的空氣溫度率高于西大街。由此可知，除了街谷高寬比對(duì)溫度有影響外，街谷朝向也是影響街谷熱環(huán)境的因素之一。建筑高寬比和街谷朝向共同作用，相互制約，共同影響著街谷熱環(huán)境狀況。

3 規(guī)劃設(shè)計(jì)改造策略

通過(guò)實(shí)測(cè)與模擬，本文分析了街谷的朝向、立面連續(xù)性、高寬比等空間形態(tài)要素對(duì)街谷熱環(huán)境影響的作用機(jī)制。由于洛陽(yáng)市夏季高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，而人們對(duì)于老城歷史文化街區(qū)的體驗(yàn)更多是購(gòu)物、游玩、娛樂(lè)等，戶外活動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此，良好的戶外熱環(huán)境是人們所期望的?；谇笆鲅芯?，針對(duì)老城街谷空間熱環(huán)境的改善可以提出對(duì)應(yīng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)改造策略。

3.1 基于街谷朝向的規(guī)劃設(shè)計(jì)改造

基于街谷朝向?qū)止葻岘h(huán)境存在著直接影響的結(jié)論，合理的街谷朝向能夠營(yíng)造良好、健康的街谷熱環(huán)境。因此，在進(jìn)行街谷規(guī)劃改造時(shí)，要充分考慮街谷朝向因素?？赏ㄟ^(guò)對(duì)當(dāng)?shù)匾延邢嗨祁愋偷慕止冗M(jìn)行模擬研究，從而選擇當(dāng)?shù)刈罴训慕止瘸虿季?。相比較于南北走向街谷，洛陽(yáng)市老城十字街東西向的街谷空氣溫度更低。因此，在十字街改造時(shí)，應(yīng)考慮將東西向街谷作為主要景觀街道。創(chuàng)造出更適合夏季出行的老城街谷熱環(huán)境。

3.2 立面連續(xù)性規(guī)劃設(shè)計(jì)

根據(jù)前述研究得出的立面連續(xù)性對(duì)于熱環(huán)境的影響較大。同一街谷內(nèi)，門洞口處的空氣溫度高于街谷內(nèi)有連續(xù)立面位置的溫度的結(jié)論。在不考慮風(fēng)環(huán)境條件下，僅考慮立面連續(xù)性對(duì)熱環(huán)境的影響，在老城的街道規(guī)劃改造時(shí)，不僅要避免形成過(guò)長(zhǎng)的、單一的街道立面形式，注重街谷界面的分割，還要從整體的角度出發(fā)，維護(hù)街谷立面的連續(xù)性，使街谷既擁有良好的空間韻律感，又擁有良好的熱環(huán)境。

3.3 街谷高寬比控制規(guī)劃設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的舊城規(guī)劃改造中，主要從城市風(fēng)貌保護(hù)的規(guī)劃視角來(lái)關(guān)注對(duì)街谷高寬比的控制。通過(guò)對(duì)洛陽(yáng)老城十字街街谷的模擬分析，可以看出街谷的高寬比對(duì)街谷的熱環(huán)境也有著重要影響。在一定范圍內(nèi)，較高的街谷高寬比能夠產(chǎn)生更多的建筑陰影區(qū)，以減少街谷的太陽(yáng)輻射，從而相對(duì)降低街谷內(nèi)的空氣溫度。因此，在對(duì)老城十字街規(guī)劃改造時(shí)，可以適當(dāng)提高街道的高寬比。在不影響風(fēng)貌尺度的情況下，改善街谷熱環(huán)境狀況。

4 結(jié)論

夏季城市戶外熱環(huán)境狀況決定了城市公共空間的環(huán)境質(zhì)量以及行人的熱舒適度。因此，本文以洛陽(yáng)老城十字街的西大街和南大街為例，基于ENVI-met軟件模擬測(cè)試了不同街谷空間形態(tài)下洛陽(yáng)老城夏季城市街谷微氣候的變化，分析了街谷的朝向、立面連續(xù)性、高寬比等空間形態(tài)要素與微氣候要素之間的作用關(guān)系。指出街谷的朝向、立面連續(xù)性、高寬比等街谷空間形態(tài)均對(duì)街谷熱環(huán)境狀況有著直接的影響作用，并且提出各種街谷空間形態(tài)因素的影響程度與太陽(yáng)輻射、建筑散熱等有關(guān)。進(jìn)而針對(duì)洛陽(yáng)老城十字街的規(guī)劃改造，初步提出了基于微氣候改善的規(guī)劃設(shè)計(jì)策略，對(duì)改善城市環(huán)境，調(diào)節(jié)城市微氣候有著重大意義。（通訊作者：呂皖豫）

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（作者單位：河南科技大學(xué)建筑學(xué)院）