街道設(shè)計與城市小氣候研究
——分析街道幾何形狀和朝向?qū)Τ鞘行夂虻挠绊?/h1>
2019-11-21 08:23張振
智能城市 2019年21期
張 振
（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510220）
1 介紹
街區(qū)對城市氣候的不穩(wěn)定性有影響，能夠改變自己的氣候。城市開放空間的小氣候受城市形態(tài)幾何、城市密度、植被、水位、地表性質(zhì)等參數(shù)的影響。上述參數(shù)的不恰當(dāng)實施導(dǎo)致了嚴(yán)酷的環(huán)境問題，這種現(xiàn)象被稱為城市熱島效應(yīng)。形成熱島效應(yīng)的主要原因包括城市幾何形狀的熱捕捉、城市表面的性質(zhì)、越多的地表覆蓋物取代植被以及人造熱源。
由于超過1/4的城市區(qū)域通常被街道所覆蓋，所以，城市街道的設(shè)計在創(chuàng)造城市氣候方面發(fā)揮著重要的作用。城市街道的幾何形狀由高/寬比（H/W）和長/寬比（L/W）以及長軸定義的方向決定。這些參數(shù)直接影響太陽輻射的吸收和排放，也對城市通風(fēng)有重要影響，街道內(nèi)及周圍環(huán)境的溫度變化（UHI）[1]。本文重點研究了街道幾何形狀、高寬比和朝向?qū)Τ鞘薪值缻{谷中氣流和太陽輻射的影響。
2 街道峽谷設(shè)計與城市小氣候
街道峽谷是指由兩條典型的平行的由街道分隔的建筑組成的空間，它創(chuàng)造了現(xiàn)代城市[2]的基本單元。街道峽谷的幾何形狀由它的“縱橫比”表示，包括建筑物的高度（H）與街道寬度（W）的比值。如果峽谷的展弦比約等于1，且墻體上沒有主要開口，則稱為統(tǒng)一的街道峽谷。長寬比小于0.5的峽谷為淺街峽谷；長寬比為2，表示深的街道峽谷。峽谷的長度（L）表示將街道峽谷細(xì)分為短（L/H=3）、中（L/H=5）和長（L/H=7）的兩個主要十字路口之間的道路距離[3]。
研究表明，街道峽谷的幾何形狀和朝向影響著室內(nèi)外環(huán)境、建筑內(nèi)外的太陽能接入、城市通風(fēng)對氣流的滲透性以及整個城市系統(tǒng)的降溫潛力。因此，街道設(shè)計影響著行人的舒適性以及全球建筑能耗[4]。
根據(jù)相關(guān)研究最多的街道峽谷幾何參數(shù)（高寬比）和街道朝向是導(dǎo)致街道峽谷微氣候變化的最相關(guān)的城市參數(shù)[5]。這些參數(shù)直接影響街道水平氣流勢、太陽活動[6]，進(jìn)而影響城市小氣候[7]。雖然傳統(tǒng)建筑和現(xiàn)代建筑都在努力根據(jù)氣候進(jìn)行城市街道的設(shè)計，但是為了調(diào)節(jié)氣候舒適度，仍然需要對盡可能最好的街道設(shè)計進(jìn)行量化信息[8]，并以科學(xué)的方法為基礎(chǔ)[9]。
3 街道設(shè)計對氣流的影響
城市氣流模式是由接近的風(fēng)與建筑環(huán)境之間的相互作用決定的[10]。街道內(nèi)氣流的形成對人體健康、室內(nèi)外熱舒適、空氣質(zhì)量、建筑節(jié)能等都至關(guān)重要。提供宜人的城市小氣候[11]。幾項研究表明，現(xiàn)有的區(qū)域風(fēng)在流經(jīng)建筑環(huán)境時會改變其模式[12]。因此，建筑環(huán)境尤其是街道的設(shè)計是城市氣流形態(tài)形成的關(guān)鍵因素。
城市上空的空氣主要分為城市冠層和城市邊界層。城市冠層是指在建筑物之間的空間中，受落在建筑物外立面和地面上的太陽輻射影響的一層。城市邊界層高于建筑物的平均高度。傳熱、污染物排放、蒸發(fā)和蒸騰作用以及現(xiàn)代城市發(fā)展是影響城市邊界層大氣溫度的主要因素。
由于建筑物、樹木等障礙物的存在，城市冠層內(nèi)的氣流比城市邊界層內(nèi)的氣流更加受阻。因此，城市冠層內(nèi)的氣流比周圍農(nóng)村地區(qū)要慢[14]。城市邊界層驅(qū)動的二次循環(huán)特征為城市峽谷提供了氣流，而城市峽谷受街道朝向和幾何形狀（H/W和L/W）的強(qiáng)烈影響[8]。當(dāng)城市邊界層內(nèi)的氣流近似垂直于街道軸線時，根據(jù)長寬比（H/W）和建筑比（L/W），可以出現(xiàn)三種不同特征的氣流狀態(tài)[15]：（a）單獨分析建筑之間氣流的路徑（圖1a）；（b）氣流路徑對周邊環(huán)境的影響；（c）途徑范圍。從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換發(fā)生在H/W和L/W的臨界組合[18-19]（圖1b）。
圖1 在一系列屏障上的氣流狀況與每個屏障相關(guān)的主要氣流特征
隨著H/W比的增大，尾跡受到擾動，產(chǎn)生尾跡干涉。H/W比值的進(jìn)一步增大使得街道峽谷與城市邊界層的循環(huán)空氣隔離，因此，一個穩(wěn)定的循環(huán)渦旋在峽谷中形成。這種穩(wěn)定的循環(huán)渦旋產(chǎn)生吸引現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在城市地區(qū)最為常見[6]。因此，可以得出結(jié)論，與淺谷相比，深谷的氣流較慢。
街道設(shè)計對氣流的影響已有研究。例如，Johansson[13]研究了街道幾何形狀對氣流的影響，并在摩洛哥進(jìn)行了超過一年半的實際現(xiàn)場測量案例研究。對深溝和淺溝進(jìn)行了詳細(xì)的研究，長寬比分別為9.7 m和0.6 m。結(jié)果說明了一個明顯的街道峽谷幾何和小氣候的關(guān)系在一個城市峽谷（1.7 m）。這項研究表明，風(fēng)速更慢，更穩(wěn)定的深峽谷（0.4 m/s）在冬季和夏季，而較淺的街道峽谷平均風(fēng)速為0.7 m/s，在夏天和冬天為0.8 m/s。在Al-Sallal等[14]在迪拜的另一項研究中，已經(jīng)證明狹窄的街道峽谷（4 m及以下）可以通過提高它的風(fēng)速，從而產(chǎn)生更好的被動的冷卻性能，但在彎曲角度產(chǎn)生渦流。風(fēng)速越高（5 m/s），風(fēng)越深入傳統(tǒng)的狹窄街道，提供更好的輸熱潛力。大部分街道峽谷縱橫比為2～0.67（占研究地區(qū)的49%～57%）風(fēng)速由大風(fēng)至微風(fēng)不等。
另外，一些研究評估了建筑物高度對街道峽谷內(nèi)氣流的影響。Priyadarsini等[15]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流平行或垂直于峽谷時，有策略性地放置幾個街區(qū)的高層塔樓可以提高街道峽谷內(nèi)的速度。此外，Robins等[16]發(fā)現(xiàn)創(chuàng)建額外的空氣交換和U型渦流可能會通過設(shè)計一些高層建筑在城市周圍建筑物限制冠層（圖2）。上游高層建筑將帶來更多的垂直向上流動氣流，從街道峽谷到城市邊界層。下游的建筑物將創(chuàng)造額外的垂直流動氣流，從城市邊界層進(jìn)入城市冠層。其次，在街道和庭院之間提供足夠的開口可以改善城市冠層內(nèi)的空氣交換。
圖2 具有流暢的十字路口的高層建筑，表現(xiàn)街道之間的氣流交換和由于大型建筑而增加的氣流混合過程
4 街道設(shè)計對太陽光線接入的影響
有幾項研究評估了街道的幾何形狀和朝向，其對太陽光線入射通道與城市峽谷的影響。Arnfield[17]用數(shù)據(jù)方法研究了不同城市峽谷的太陽能接入量。本研究的目的是發(fā)現(xiàn)光的長寬比和方向?qū){谷面（墻壁和地板）和行人模型的依賴關(guān)系。研究了東西向和南北向街道在不同緯度、不同季節(jié)的朝向。此外，縱橫比的范圍被認(rèn)為從0.25到4。評估月平均射線說明，H/W比影響太陽能的數(shù)量受到建筑和地面建筑在街道峽谷之間通過減少H/W比太陽能接收到大街上表面的數(shù)量增加。然而，這個太陽光線不是平均分配在各種表面的城市街道。從根本上說，與垂直表面（墻）相比，地面接收到更多的太陽輻射量。對于同一街道峽谷，H/W比值對地面的影響大于對墻體的影響。月平均輻照度和不同展弦比如圖3所示。
圖3 模擬了6月東西向和南北向峽谷的月平均輻照度和不同展弦比
本研究的Arnfield[18]發(fā)現(xiàn)街道的朝向?qū)w獲得的太陽能量更有影響，H/W比值影響地面太陽能的可用性。此外，朝向的影響在夏季比冬季更為顯著。朝向N-S（即E-W街道）的建筑墻體在夏季受到保護(hù)，冬季暴露在外，因此更容易實現(xiàn)季節(jié)性的太陽能控制。對于行人來說，方向幾乎不影響輻照度。對于高緯度地區(qū)，冬季太陽的位置較低，會造成強(qiáng)烈的障礙。因此，高緯度地區(qū)的輻照度降低，這一點在E-W方向上尤為明顯。不同季節(jié)，在20°～40°緯度地區(qū)，街道的H/W比值和朝向?qū)Φ孛婧推渌值辣砻娼邮仗柲艿挠绊懜鼮轱@著。這說明在亞熱帶氣候條件下，街道測量對太陽控制更為重要。
之前的研究已經(jīng)被Van，Esch等人[19]證實，他們分析了街道設(shè)計參數(shù)（寬度和方向）對城市冠層太陽能接入的影響；研究了四種街道寬度：10、15、20和25 m，兩個方向；E-W和N-S。
5 結(jié)語
街道的幾何形狀（H/W和L/W比值）和朝向直接影響城市峽谷中的氣流和太陽輻射的通道，因此，在滿足基本人為要求水平上的舒適性，更寬的街道提供了更好的空氣交流，因此更好的氣流在城市峽谷。另外，不同建筑高度的通風(fēng)效果更好。此外，H/W的比影響街道表面（立面、屋頂和地面）獲得的太陽能的數(shù)量。H/W比的降低增加了街道的太陽輻射的接入。街道朝向?qū){谷的太陽輻射量幾乎沒有影響：它導(dǎo)致了不同街道表面的總輻射量分布的差異。
因此，為了提供一個適宜的小氣候在城市地區(qū)，設(shè)計城市街道的方式帶來適當(dāng)?shù)臍饬骱屠锰柺侵陵P(guān)重要的。建筑會影響全球氣候和能源的消耗。
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由于超過1/4的城市區(qū)域通常被街道所覆蓋，所以，城市街道的設(shè)計在創(chuàng)造城市氣候方面發(fā)揮著重要的作用。城市街道的幾何形狀由高/寬比（H/W）和長/寬比（L/W）以及長軸定義的方向決定。這些參數(shù)直接影響太陽輻射的吸收和排放，也對城市通風(fēng)有重要影響，街道內(nèi)及周圍環(huán)境的溫度變化（UHI）[1]。本文重點研究了街道幾何形狀、高寬比和朝向?qū)Τ鞘薪值缻{谷中氣流和太陽輻射的影響。
2 街道峽谷設(shè)計與城市小氣候
街道峽谷是指由兩條典型的平行的由街道分隔的建筑組成的空間，它創(chuàng)造了現(xiàn)代城市[2]的基本單元。街道峽谷的幾何形狀由它的“縱橫比”表示，包括建筑物的高度（H）與街道寬度（W）的比值。如果峽谷的展弦比約等于1，且墻體上沒有主要開口，則稱為統(tǒng)一的街道峽谷。長寬比小于0.5的峽谷為淺街峽谷；長寬比為2，表示深的街道峽谷。峽谷的長度（L）表示將街道峽谷細(xì)分為短（L/H=3）、中（L/H=5）和長（L/H=7）的兩個主要十字路口之間的道路距離[3]。
研究表明，街道峽谷的幾何形狀和朝向影響著室內(nèi)外環(huán)境、建筑內(nèi)外的太陽能接入、城市通風(fēng)對氣流的滲透性以及整個城市系統(tǒng)的降溫潛力。因此，街道設(shè)計影響著行人的舒適性以及全球建筑能耗[4]。
根據(jù)相關(guān)研究最多的街道峽谷幾何參數(shù)（高寬比）和街道朝向是導(dǎo)致街道峽谷微氣候變化的最相關(guān)的城市參數(shù)[5]。這些參數(shù)直接影響街道水平氣流勢、太陽活動[6]，進(jìn)而影響城市小氣候[7]。雖然傳統(tǒng)建筑和現(xiàn)代建筑都在努力根據(jù)氣候進(jìn)行城市街道的設(shè)計，但是為了調(diào)節(jié)氣候舒適度，仍然需要對盡可能最好的街道設(shè)計進(jìn)行量化信息[8]，并以科學(xué)的方法為基礎(chǔ)[9]。
3 街道設(shè)計對氣流的影響
城市氣流模式是由接近的風(fēng)與建筑環(huán)境之間的相互作用決定的[10]。街道內(nèi)氣流的形成對人體健康、室內(nèi)外熱舒適、空氣質(zhì)量、建筑節(jié)能等都至關(guān)重要。提供宜人的城市小氣候[11]。幾項研究表明，現(xiàn)有的區(qū)域風(fēng)在流經(jīng)建筑環(huán)境時會改變其模式[12]。因此，建筑環(huán)境尤其是街道的設(shè)計是城市氣流形態(tài)形成的關(guān)鍵因素。
城市上空的空氣主要分為城市冠層和城市邊界層。城市冠層是指在建筑物之間的空間中，受落在建筑物外立面和地面上的太陽輻射影響的一層。城市邊界層高于建筑物的平均高度。傳熱、污染物排放、蒸發(fā)和蒸騰作用以及現(xiàn)代城市發(fā)展是影響城市邊界層大氣溫度的主要因素。
由于建筑物、樹木等障礙物的存在，城市冠層內(nèi)的氣流比城市邊界層內(nèi)的氣流更加受阻。因此，城市冠層內(nèi)的氣流比周圍農(nóng)村地區(qū)要慢[14]。城市邊界層驅(qū)動的二次循環(huán)特征為城市峽谷提供了氣流，而城市峽谷受街道朝向和幾何形狀（H/W和L/W）的強(qiáng)烈影響[8]。當(dāng)城市邊界層內(nèi)的氣流近似垂直于街道軸線時，根據(jù)長寬比（H/W）和建筑比（L/W），可以出現(xiàn)三種不同特征的氣流狀態(tài)[15]：（a）單獨分析建筑之間氣流的路徑（圖1a）；（b）氣流路徑對周邊環(huán)境的影響；（c）途徑范圍。從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換發(fā)生在H/W和L/W的臨界組合[18-19]（圖1b）。
圖1 在一系列屏障上的氣流狀況與每個屏障相關(guān)的主要氣流特征
隨著H/W比的增大，尾跡受到擾動，產(chǎn)生尾跡干涉。H/W比值的進(jìn)一步增大使得街道峽谷與城市邊界層的循環(huán)空氣隔離，因此，一個穩(wěn)定的循環(huán)渦旋在峽谷中形成。這種穩(wěn)定的循環(huán)渦旋產(chǎn)生吸引現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在城市地區(qū)最為常見[6]。因此，可以得出結(jié)論，與淺谷相比，深谷的氣流較慢。
街道設(shè)計對氣流的影響已有研究。例如，Johansson[13]研究了街道幾何形狀對氣流的影響，并在摩洛哥進(jìn)行了超過一年半的實際現(xiàn)場測量案例研究。對深溝和淺溝進(jìn)行了詳細(xì)的研究，長寬比分別為9.7 m和0.6 m。結(jié)果說明了一個明顯的街道峽谷幾何和小氣候的關(guān)系在一個城市峽谷（1.7 m）。這項研究表明，風(fēng)速更慢，更穩(wěn)定的深峽谷（0.4 m/s）在冬季和夏季，而較淺的街道峽谷平均風(fēng)速為0.7 m/s，在夏天和冬天為0.8 m/s。在Al-Sallal等[14]在迪拜的另一項研究中，已經(jīng)證明狹窄的街道峽谷（4 m及以下）可以通過提高它的風(fēng)速，從而產(chǎn)生更好的被動的冷卻性能，但在彎曲角度產(chǎn)生渦流。風(fēng)速越高（5 m/s），風(fēng)越深入傳統(tǒng)的狹窄街道，提供更好的輸熱潛力。大部分街道峽谷縱橫比為2～0.67（占研究地區(qū)的49%～57%）風(fēng)速由大風(fēng)至微風(fēng)不等。
另外，一些研究評估了建筑物高度對街道峽谷內(nèi)氣流的影響。Priyadarsini等[15]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流平行或垂直于峽谷時，有策略性地放置幾個街區(qū)的高層塔樓可以提高街道峽谷內(nèi)的速度。此外，Robins等[16]發(fā)現(xiàn)創(chuàng)建額外的空氣交換和U型渦流可能會通過設(shè)計一些高層建筑在城市周圍建筑物限制冠層（圖2）。上游高層建筑將帶來更多的垂直向上流動氣流，從街道峽谷到城市邊界層。下游的建筑物將創(chuàng)造額外的垂直流動氣流，從城市邊界層進(jìn)入城市冠層。其次，在街道和庭院之間提供足夠的開口可以改善城市冠層內(nèi)的空氣交換。
圖2 具有流暢的十字路口的高層建筑，表現(xiàn)街道之間的氣流交換和由于大型建筑而增加的氣流混合過程
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圖3 模擬了6月東西向和南北向峽谷的月平均輻照度和不同展弦比
本研究的Arnfield[18]發(fā)現(xiàn)街道的朝向?qū)w獲得的太陽能量更有影響，H/W比值影響地面太陽能的可用性。此外，朝向的影響在夏季比冬季更為顯著。朝向N-S（即E-W街道）的建筑墻體在夏季受到保護(hù)，冬季暴露在外，因此更容易實現(xiàn)季節(jié)性的太陽能控制。對于行人來說，方向幾乎不影響輻照度。對于高緯度地區(qū)，冬季太陽的位置較低，會造成強(qiáng)烈的障礙。因此，高緯度地區(qū)的輻照度降低，這一點在E-W方向上尤為明顯。不同季節(jié)，在20°～40°緯度地區(qū)，街道的H/W比值和朝向?qū)Φ孛婧推渌值辣砻娼邮仗柲艿挠绊懜鼮轱@著。這說明在亞熱帶氣候條件下，街道測量對太陽控制更為重要。
之前的研究已經(jīng)被Van，Esch等人[19]證實，他們分析了街道設(shè)計參數(shù)（寬度和方向）對城市冠層太陽能接入的影響；研究了四種街道寬度：10、15、20和25 m，兩個方向；E-W和N-S。
5 結(jié)語
街道的幾何形狀（H/W和L/W比值）和朝向直接影響城市峽谷中的氣流和太陽輻射的通道，因此，在滿足基本人為要求水平上的舒適性，更寬的街道提供了更好的空氣交流，因此更好的氣流在城市峽谷。另外，不同建筑高度的通風(fēng)效果更好。此外，H/W的比影響街道表面（立面、屋頂和地面）獲得的太陽能的數(shù)量。H/W比的降低增加了街道的太陽輻射的接入。街道朝向?qū){谷的太陽輻射量幾乎沒有影響：它導(dǎo)致了不同街道表面的總輻射量分布的差異。
因此，為了提供一個適宜的小氣候在城市地區(qū)，設(shè)計城市街道的方式帶來適當(dāng)?shù)臍饬骱屠锰柺侵陵P(guān)重要的。建筑會影響全球氣候和能源的消耗。
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