基于集總參數(shù)法的住宅小區(qū)室外熱環(huán)境優(yōu)化研究
——以重慶地區(qū)為例

蔣超，方小桃，劉茜茜，王怡Jiang Chao,Fang Xiaotao,Liu Qianqian,Wang Yi

（重慶市設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400015）

0 引言

在我國(guó)快速城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中，新建住宅小區(qū)如雨后春筍般出現(xiàn)，居住區(qū)的規(guī)模迅速擴(kuò)張，由此產(chǎn)生了一系列問(wèn)題，如城鎮(zhèn)居住區(qū)采用大量的瀝青、水泥、屋面等硬質(zhì)鋪裝，下墊面硬質(zhì)化，綠化率較低，建筑密度及容積率大，喬木、水體等體量較小等。這些特點(diǎn)使得夏季小區(qū)熱環(huán)境較為惡劣，導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)加劇[1]。小區(qū)熱環(huán)境惡化及城市熱島效應(yīng)加劇成為城鎮(zhèn)化快速發(fā)展過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。

為規(guī)范城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)，改善居住區(qū)熱環(huán)境，提高居住區(qū)環(huán)境的熱舒適性[2]，《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 286—2013）于2013年頒布實(shí)施。筆者通過(guò)梳理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出適用于重慶地區(qū)住宅小區(qū)熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)，即提高透水鋪裝比例、提高建筑底層通風(fēng)架空率、提高場(chǎng)地遮陽(yáng)覆蓋率、提高屋頂綠化比例、降低場(chǎng)地太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)；同時(shí)以《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)價(jià)性指標(biāo)計(jì)算方法為依據(jù)，采用計(jì)算機(jī)模擬的方式，研究了重慶地區(qū)典型住宅小區(qū)室外熱環(huán)境和五個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)系，提出了適用于重慶地區(qū)的室外熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 基本原理

《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 286—2013）第五章提出了城市居住區(qū)室外熱環(huán)境評(píng)價(jià)性設(shè)計(jì)方法，計(jì)算居住區(qū)夏季逐時(shí)黑球溫度和平均熱島強(qiáng)度。評(píng)價(jià)性設(shè)計(jì)采用集總參數(shù)法。集總參數(shù)模型是建立在熱平衡的基礎(chǔ)上，使用建筑群熱時(shí)間常數(shù)的方法來(lái)計(jì)算局部建筑環(huán)境的空氣溫度隨外界熱量擾動(dòng)變化情況的一種方法[3]。

居住區(qū)夏季逐時(shí)濕球黑球溫度按下列公式進(jìn)行計(jì)算[2]：

居住區(qū)夏季平均熱島強(qiáng)度按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

重慶地區(qū)典型氣象日參數(shù)取自《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄A，表A.0.1。

2 研究方法

2.1 模擬法

模擬法采用住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)分析軟件PKPM-TED進(jìn)行建模和熱環(huán)境計(jì)算，分析住宅小區(qū)的逐時(shí)濕球黑球溫度和夏季平均熱島強(qiáng)度與各設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)系。住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)分析軟件PKPMTED由北京構(gòu)力科技有限公司（PKPM）自主研發(fā)，根據(jù)《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 286）給出的集總參數(shù)法，快速統(tǒng)計(jì)場(chǎng)地各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算平均熱島強(qiáng)度、濕球黑球溫度等，并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)達(dá)標(biāo)情況及可視化效果圖片，輸出可溯源的報(bào)告書[4]。

2.2 模擬研究對(duì)象

本文在重慶市市區(qū)范圍內(nèi)選取了常見(jiàn)的兩種類型的住宅小區(qū)進(jìn)行模擬研究，案例1為高層住宅小區(qū)，案例2為低層住宅小區(qū)。項(xiàng)目基本情況如表1所示。

表1 典型住宅小區(qū)基本情況

模擬模型如圖1、圖2所示。

圖1 高層住宅小區(qū)模型（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖2 低層住宅小區(qū)模型（圖片來(lái)源：作者自繪）

2.3 室外熱環(huán)境設(shè)計(jì)指標(biāo)選取

筆者通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)在小區(qū)總用地面積、建筑密度、容積率、綠地率等設(shè)計(jì)因素確定的前提下，改善室外熱環(huán)境的設(shè)計(jì)措施主要有加強(qiáng)自然通風(fēng)、增加遮陽(yáng)措施、改善下墊面和增加綠化等四個(gè)方面。梳理的標(biāo)準(zhǔn)和涉及的條文如表2所示。

表2 改善室外熱環(huán)境設(shè)計(jì)措施標(biāo)準(zhǔn)條文一覽

上述設(shè)計(jì)措施中，平均迎風(fēng)面積比達(dá)標(biāo)為強(qiáng)制性條文[5]，其他都為優(yōu)化指標(biāo)。結(jié)合重慶本地設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，筆者總結(jié)出適用于重慶地區(qū)的五個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)，即提高透水鋪裝比例、提高建筑底層通風(fēng)架空率、提高場(chǎng)地遮陽(yáng)覆蓋率、提高屋頂綠化比例、降低場(chǎng)地太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)。筆者通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，研究了以上五個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)和住宅小區(qū)逐時(shí)濕球黑球溫度及熱島強(qiáng)度的關(guān)系，分析提出了重慶地區(qū)的室外熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

2.4 設(shè)計(jì)指標(biāo)選取原則

本文采用定量分析方法，在其他設(shè)計(jì)指標(biāo)值不變的情況下，通過(guò)連續(xù)改變單一設(shè)計(jì)指標(biāo)值的方法，探尋設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)室外熱環(huán)境的影響。其中，所有設(shè)計(jì)指標(biāo)的基準(zhǔn)值，按照現(xiàn)行重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)[6]的執(zhí)行條文要求選取。

3 模擬及結(jié)果分析

利用第二章所述的模擬方法，對(duì)選取的典型住宅小區(qū)進(jìn)行模擬，可得到不同設(shè)計(jì)指標(biāo)與住宅小區(qū)逐時(shí)濕球黑球溫度和熱島強(qiáng)度的定量關(guān)系。

3.1 透水鋪裝比例

在其他設(shè)計(jì)指標(biāo)相同的情況下，使場(chǎng)地透水鋪裝比例從50%到90%進(jìn)行變化，模擬得到逐時(shí)濕球黑球溫度和熱島強(qiáng)度分布曲線，如圖3—圖6所示。透水鋪裝比例每提高10%，案例1熱島強(qiáng)度降低0.02℃，案例2熱島強(qiáng)度降低0.008℃。熱島強(qiáng)度下降趨勢(shì)不明顯。

圖3 案例1逐時(shí)濕球黑球溫度分布圖

圖6 案例2逐時(shí)熱島強(qiáng)度分布圖

圖4 案例2逐時(shí)濕球黑球溫度分布圖

圖5 案例1逐時(shí)熱島強(qiáng)度分布圖

3.2 建筑底層通風(fēng)架空率

在其他設(shè)計(jì)指標(biāo)相同的情況下，場(chǎng)地底層通風(fēng)架空率從0到40%進(jìn)行變化，模擬得到逐時(shí)濕球黑球溫度和熱島強(qiáng)度分布曲線，如圖7—圖10所示。建筑底層通風(fēng)架空率每增加10%，案例1熱島強(qiáng)度降低0.06℃，案例2熱島強(qiáng)度降低0.02℃，有下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不明顯。

圖7 案例1逐時(shí)濕球黑球溫度分布圖

圖8 案例2逐時(shí)濕球黑球溫度分布圖

圖9 案例1逐時(shí)熱島強(qiáng)度分布圖

圖10 案例2逐時(shí)熱島強(qiáng)度分布圖

3.3 場(chǎng)地遮陽(yáng)覆蓋率

在其他設(shè)計(jì)指標(biāo)相同的情況下，使場(chǎng)地遮陽(yáng)設(shè)置比例從10%到50%進(jìn)行變化，模擬得到逐時(shí)濕球黑球溫度和熱島強(qiáng)度分布曲線，如圖11—圖14所示。場(chǎng)地遮陽(yáng)設(shè)置比例每增加10%，案例1熱島強(qiáng)度降低0.14℃，案例2熱島強(qiáng)度降低0.04℃，有一定下降。

圖11 案例1逐時(shí)濕球黑球溫度分布圖

圖14 案例2逐時(shí)熱島強(qiáng)度分布圖

圖12 案例2逐時(shí)濕球黑球溫度分布圖

圖13 案例1逐時(shí)熱島強(qiáng)度分布圖

3.4 屋頂綠化比例

在其他設(shè)計(jì)指標(biāo)相同的情況下，使場(chǎng)地屋頂綠化設(shè)置比例從0到40%進(jìn)行變化，模擬得到逐時(shí)濕球黑球溫度和熱島強(qiáng)度分布曲線如圖15—圖18所示。屋頂綠化設(shè)置比例每增加10%，案例1熱島強(qiáng)度降低0.03℃，案例2熱島強(qiáng)度降低0.02℃，有一定下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不明顯。

圖15 案例1逐時(shí)濕球黑球溫度分布圖

圖16 案例2逐時(shí)濕球黑球溫度分布圖

圖17 案例1逐時(shí)熱島強(qiáng)度分布圖

圖18 案例2逐時(shí)熱島強(qiáng)度分布圖

3.5 場(chǎng)地太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)

在其他設(shè)計(jì)指標(biāo)相同的情況下，使場(chǎng)地太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)設(shè)置比例從0.4到0.8進(jìn)行變化，模擬得到逐時(shí)濕球黑球溫度和熱島強(qiáng)度分布曲線如圖19—圖22所示。場(chǎng)地太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)每降低0.1，案例1熱島強(qiáng)度降低0.29℃，案例2熱島強(qiáng)度降低0.08℃，有較明顯的下降趨勢(shì)。

圖19 案例1逐時(shí)濕球黑球溫度分布圖

圖22 案例2逐時(shí)熱島強(qiáng)度分布圖

圖20 案例2逐時(shí)濕球黑球溫度分布圖

圖21 案例1逐時(shí)熱島強(qiáng)度分布圖

4 總結(jié)及討論

從數(shù)據(jù)分布圖和數(shù)據(jù)分析中看出，以上設(shè)計(jì)指標(biāo)中，降低場(chǎng)地太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)對(duì)改善住宅小區(qū)室外熱環(huán)境、降低熱島強(qiáng)度效果最好，其次是提高場(chǎng)地遮陽(yáng)覆蓋率，提高透水鋪裝比例、提高屋頂綠化比例及建筑底層通風(fēng)架空率對(duì)改善重慶住宅小區(qū)室外熱環(huán)境、降低熱島強(qiáng)度效果不明顯。

在五個(gè)優(yōu)化指標(biāo)中，每提升10%或降低0.1，熱島效應(yīng)降低明顯程度從高到低排序?yàn)椋航档蛨?chǎng)地太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)＞提高場(chǎng)地遮陽(yáng)覆蓋率＞提高底層通風(fēng)架空率＞提高屋頂綠化比例＞提高透水鋪裝比例。這是因?yàn)?，重慶市夏季太陽(yáng)輻射量較高，通過(guò)降低場(chǎng)地的太陽(yáng)輻射吸收量能較好地改善室外熱環(huán)境，因此，降低場(chǎng)地太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)和提高場(chǎng)地遮陽(yáng)比例的效果相對(duì)較好，而屋面綠化雖然可以降低城市級(jí)別的熱島效應(yīng)[7]，但對(duì)于居住區(qū)人行活動(dòng)場(chǎng)地的熱環(huán)境改善效果有限。重慶市夏季室外風(fēng)速不高，因此，采用提高底層通風(fēng)架空率來(lái)增加場(chǎng)地通風(fēng)的方式對(duì)降低場(chǎng)地?zé)釐u效應(yīng)效果也不明顯。由于透水鋪裝降低熱島效應(yīng)的效果主要體現(xiàn)在下雨后或進(jìn)行道路澆灑后，蒸發(fā)冷卻效果顯著[8]，但模型中并不能反映這一過(guò)程，因此在計(jì)算中幾乎沒(méi)有降低熱島效應(yīng)的效果。

綜上所述，在重慶市工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)小于0.4的淺色鋪裝、涂刷高反射涂層等方式降低場(chǎng)地太陽(yáng)輻射吸收量[8]，并設(shè)置足夠的綠化遮陽(yáng)或構(gòu)筑物遮陽(yáng)設(shè)施；其次，根據(jù)重慶夏季多雨的特點(diǎn)，應(yīng)采用透水鋪裝，發(fā)揮其在雨后改善室外熱環(huán)境的作用；最后，宜配合采用局部架空的手法，加強(qiáng)場(chǎng)地通風(fēng)，增加屋面綠化，進(jìn)一步改善室外熱環(huán)境，降低熱島效應(yīng)。