潘劍彬，王若晨，翟 瑩，李佳妮

(1.北京建筑大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，北京 100044；2.北京未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；3.北京市富通環(huán)境工程有限公司，北京 100083)

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，以北京、上海等為代表的中國(guó)特大城市逐步向國(guó)際化大都市邁進(jìn)，但與此同時(shí)，城市的發(fā)展也改變著城市近地表氣溫等微氣候要素，從而造成城市熱島效應(yīng)等生態(tài)問題[1]。研究城市街道的熱環(huán)境與其形態(tài)特征的相互關(guān)系，有助于科學(xué)規(guī)劃城市道路，緩解建成區(qū)日益嚴(yán)重的城市熱島效應(yīng)，改善城市居民室外熱舒適度，增加室外公共活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)及范圍。

城市熱島效應(yīng)是指由于城市建成區(qū)中建筑密度大導(dǎo)致空氣流通速度緩慢，溫度較高，而城市周邊郊區(qū)空氣流速較快，使得城市周邊郊區(qū)的溫度低于城區(qū)，形成低溫郊區(qū)包圍高溫城區(qū)的現(xiàn)象[2]。已有研究表明，城市街道能夠在熱島效應(yīng)最顯著的夏季高溫氣候條件下，通過優(yōu)化街道形態(tài)特征[3]、增加城市的藍(lán)綠空間[4]等方法，影響城市尺度或局地微觀尺度下的地表能量平衡[5]，改變城市室外公共空間的熱環(huán)境，從而緩解城市熱島效應(yīng)[6]。

近年來，城市街道的熱環(huán)境效應(yīng)受到了較多關(guān)注：李京津等[7]對(duì)南京市3條步行街道進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明街道的朝向、尺度和界面均對(duì)街道內(nèi)部微環(huán)境產(chǎn)生影響；應(yīng)小宇等[8]以杭州為例研究了街道貼線率、街道界面密度、街道高寬比等空間結(jié)構(gòu)與城市街道微氣候風(fēng)環(huán)境要素的數(shù)量變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)街道高寬比與風(fēng)速成反比，與貼線率成拋物線趨勢(shì)變化；鄧寄豫等[9]分別對(duì)不同幾何形態(tài)的16條街道進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)街道高寬比與開敞度、天空可視系數(shù)對(duì)室外熱環(huán)境起到一定的影響作用；勞釗明等[10]對(duì)比分析了中山市同一街道在有綠化和無綠化兩種條件下的熱環(huán)境，發(fā)現(xiàn)綠化可有效改善街道內(nèi)熱舒適度，且綠陰和建筑陰影均可降低環(huán)境氣溫2.60～3.00 ℃。已有研究多以建筑外界面、下墊面等因素為主，但街道的熱環(huán)境由多種要素共同影響，在研究中不僅要考慮多種影響因素的綜合效果，也應(yīng)就單一變量街道形態(tài)進(jìn)行研究，使建成街道的原始狀態(tài)達(dá)到較為理想的環(huán)境，再通過改變下墊面性質(zhì)等手段進(jìn)一步改善提升街道空間的熱環(huán)境。

定點(diǎn)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬是目前微尺度下城市熱環(huán)境研究的兩種主要方法。一些學(xué)者利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析城市熱環(huán)境，但這種方法易受到財(cái)力、物力、時(shí)間等限制，難以全面揭示熱環(huán)境狀況。與實(shí)測(cè)分析方法相比，數(shù)值模擬具有快速簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確有效等特點(diǎn)，能夠展現(xiàn)街道熱環(huán)境的差異，其結(jié)果能夠直觀反映并量化評(píng)價(jià)城市街道的熱環(huán)境，已成為目前城市熱環(huán)境研究的重要手段。ENVI-met是目前國(guó)內(nèi)外氣象、建筑規(guī)劃領(lǐng)域?qū)W者用得最多的模擬軟件之一。

綜上，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)城市街道熱環(huán)境的變化機(jī)制與調(diào)節(jié)方法已開展了許多系統(tǒng)化的研究，一定程度地揭示了數(shù)量化的變化規(guī)律。但已開展的研究多局限于南方城市，氣候特征為夏熱冬冷，多圍繞大尺度的熱環(huán)境改善機(jī)制進(jìn)行研究。而北方寒冷地區(qū)小尺度范圍內(nèi)，街道形態(tài)特征與熱環(huán)境的關(guān)系、熱環(huán)境數(shù)值變化規(guī)律及水平分布情況等一系列的影響機(jī)制研究較少。因此，筆者選取北京城市街道進(jìn)行模擬研究，分析街道布局形式(高寬比、朝向)與熱環(huán)境間的關(guān)系，研究街道布局形式與平均輻射溫度、空氣溫度等熱環(huán)境因子的影響機(jī)制，旨在為城市設(shè)計(jì)中合理規(guī)劃城市街道以及既有城市街道改造設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

一、街道熱環(huán)境研究對(duì)象與研究方法

1.研究區(qū)概況

北京位于華北地區(qū)，屬于典型的暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，每年的6—8月為空氣溫度最高的時(shí)間段，這一時(shí)間段也是北京的雨季，呈現(xiàn)高溫多雨的氣象特征。中心城區(qū)夏季平均氣溫為26.73 ℃，平均最高溫度為32.00 ℃，高出周邊地區(qū)6.00 ℃，呈現(xiàn)出典型的熱島效應(yīng)氣候分布特征。

2.模擬街道選擇

為保證模擬街道的代表性，選擇主干道、次干道及支路3個(gè)等級(jí)的城市街道作為調(diào)研對(duì)象。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中心城區(qū)的街道共447條，其中，主干道22條，次干道67條，支路358條，按照主干道和次干道總數(shù)的20%、支路的10%進(jìn)行調(diào)研。本次研究對(duì)象為現(xiàn)代街道，研究目的是為今后的城市設(shè)計(jì)提供建議，因此在調(diào)研時(shí)排除老城歷史街區(qū)街道及沿街建筑為低層建筑的街道。利用谷歌地圖配合街景視圖，初步選擇了北京的西直門外南路、車公莊北里中路、車公莊大街、展覽館路、車公莊北街等52條街道，并于2019年11月初進(jìn)行樣地勘測(cè)。同時(shí)參考其他相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)北京中心城區(qū)具有以下特征：

①北京中心城區(qū)的街道布局延續(xù)明清時(shí)期棋盤式的布局形式，主要的街道朝向?yàn)闁|西、南北朝向。受建筑限高的影響，中心城區(qū)建筑物高度較低，未出現(xiàn)超高層建筑，高寬比多控制在1.2以下，主要分布在0.3～1.2。

②街道等級(jí)分為主干道、次干道和支路，其中支路最多，約占街道總數(shù)的80.1%。

③沿街建筑多為中層和多層建筑，高層和低層建筑較少。

④街道以一板兩帶式的道路綠化形式為主，部分主干道會(huì)出現(xiàn)一板兩帶式和兩板三帶式交叉出現(xiàn)的道路綠化形式。

最終根據(jù)北京中心城區(qū)街道的總體特點(diǎn)選定車公莊大街、展覽館路、東單北大街、百萬莊大街、三里河北街、什坊小街、王府井大街和西直門外南路等8條街道作為本研究的模擬街道。8條街道的詳細(xì)情況如表1所示。

表1 街道情況

3.ENVI-met熱環(huán)境模擬

(1)軟件介紹

本研究采用的數(shù)值模擬軟件為ENVI-met。該軟件的工作機(jī)制是計(jì)算流體力學(xué)和熱力學(xué)，軟件可模擬中小尺度下微氣候要素的數(shù)值變化規(guī)律、空間分布情況以及各測(cè)試點(diǎn)的微氣候要素?cái)?shù)值變化?；谖夂蛞啬M結(jié)果，也可通過熱舒適度數(shù)值關(guān)系計(jì)算模擬區(qū)域內(nèi)熱舒適度的數(shù)值變化規(guī)律及空間分布情況，為分析城市街道形態(tài)特征與熱環(huán)境的關(guān)系提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)值分析。ENVI-met開發(fā)至今，已應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，對(duì)于以北京為代表的寒冷地區(qū)，其模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較好吻合，且模擬精度已被證實(shí)達(dá)到一般研究要求。

(2)參數(shù)設(shè)置

本研究選取模擬日期的標(biāo)準(zhǔn)是：以北京夏季氣象條件為背景，模擬選擇空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象要素?cái)?shù)值均與《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中北京地區(qū)夏季熱環(huán)境氣象指標(biāo)相近。模擬選取夏季中天氣晴朗的一天2019年7月26日。熱環(huán)境模擬使用的氣象數(shù)據(jù)選取2019年7月26日北京氣象站的氣象數(shù)據(jù)。為保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確，需提前5 h進(jìn)行模擬，且將時(shí)間長(zhǎng)度定為24 h，熱環(huán)境模擬主要輸入數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 主要輸入數(shù)據(jù)

二、街道熱環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.南北向街道

(1)平均輻射溫度

對(duì)比分析南北向街道不同高寬比情況下平均輻射溫度的逐時(shí)分布情況(見圖1)。在平均輻射溫度上升的時(shí)間段內(nèi)，4條街道呈現(xiàn)出高寬比與平均輻射溫度的變化規(guī)律為：隨著高寬比的逐漸增加，平均輻射溫度逐漸降低；14：00時(shí)4條街道的平均輻射溫度達(dá)到最大值，高寬比為0.3的展覽館路數(shù)值最大，高寬比為1.0的王府井大街?jǐn)?shù)值最小，高寬比為0.3的展覽館路和高寬比為0.5的東單北大街平均輻射溫度在8：00-14：00數(shù)值較為相近。對(duì)比分析4條街道在14：00時(shí)平均輻射溫度的分布情況(見表3)，隨著高寬比的增大，高溫區(qū)面積不斷減少。將臨近高寬比的兩條街道高溫區(qū)面積進(jìn)行相位差對(duì)比，高寬比為0.3的展覽館路和高寬比為0.5的東單北大街高溫區(qū)面積差值最小。這說明高寬比較大的街道可有效阻礙太陽直射，產(chǎn)生較大面積的陰影區(qū)，從而使街道內(nèi)平均輻射溫度的均值下降。當(dāng)高寬比較小時(shí)，增大沿街建筑高度無法快速達(dá)到減小高溫區(qū)面積的效果。

圖1 不同高寬比下街道平均輻射溫度比較

表3 14：00南北向街道平均輻射溫度分布統(tǒng)計(jì)

(2)空氣溫度

對(duì)比分析南北向街道不同高寬比情況下空氣溫度的逐時(shí)分布情況(見圖2)。4條街道空氣溫度上升的規(guī)律均為在16：00達(dá)到空氣溫度最大值，14：00-16：00溫度變化較小，相差均小于1.00 ℃；4條街道的空氣溫度相似，差值為0.02 ℃～0.48 ℃，14：00時(shí)展覽館路與其他3條街道的溫差最大，相差為0.48 ℃；16：00時(shí)4條街道的溫度差明顯，差值為0.18 ℃～0.29 ℃。對(duì)比分析4條街道14：00時(shí)空氣溫度的水平分布情況(見表4)，高溫區(qū)面積并未呈現(xiàn)一定規(guī)律，但高寬比為0.3的展覽館路高溫區(qū)面積明顯大于另外3條街道，而東單北大街的高溫區(qū)面積最少，可能是與建筑的間距有關(guān)，此條街道東側(cè)建筑的間距小于其他3條街道，減少了外部高溫空氣的流入，導(dǎo)致街道內(nèi)高溫區(qū)面積降低。綜上，街道高寬比對(duì)街道空間內(nèi)空氣溫度的影響較弱，高寬比小于0.5時(shí)，高寬比的減小會(huì)使高溫區(qū)的面積劇烈增大。

圖2 不同高寬比下街道空氣溫度比較

表4 14：00南北向街道空氣溫度分布統(tǒng)計(jì)

(3)熱舒適度

對(duì)比分析南北向街道不同高寬比情況下熱舒適度PMV的逐時(shí)分布情況(見圖3)。在熱舒適度數(shù)值上升的時(shí)間段內(nèi)，4條街道呈現(xiàn)出高寬比與熱舒適度的變化規(guī)律為：隨著高寬比的逐漸增加，熱舒適度隨之降低；14：00時(shí)4條街道的熱舒適度達(dá)到最大值，高寬比為0.3的展覽館路數(shù)值最大，高寬比為1.0的王府井大街?jǐn)?shù)值最小，高寬比為0.3的展覽館路和高寬比為0.5的東單北大街的熱舒適度在8：00-14：00數(shù)值較為相近。對(duì)比分析4條街道在14：00時(shí)熱舒適度的分布情況(見表5)，隨著高寬比的增大，高溫區(qū)面積不斷減少。將臨近高寬比的兩條街道高溫區(qū)面積進(jìn)行相位差對(duì)比，高寬比為0.3的展覽館路和高寬比為0.5的東單北大街高溫區(qū)面積差值最小。

圖3 不同高寬比下街道熱舒適度比較

表5 14：00南北向街道熱舒適度分布統(tǒng)計(jì)

綜合來看，4條街道熱舒適度呈現(xiàn)的規(guī)律與平均輻射溫度幾乎一致，這說明熱舒適度受到太陽輻射的直接影響。高寬比較大的街道可通過遮擋太陽直射，形成相對(duì)舒適區(qū)。

2.東西向街道

(1)平均輻射溫度

對(duì)比分析東西向街道不同高寬比情況下平均輻射溫度的逐時(shí)分布情況(見圖4)。在8：00-14：00時(shí)間段，4條街道呈現(xiàn)出高寬比與平均輻射溫度的變化規(guī)律為：隨著高寬比的逐漸增加，平均輻射溫度隨之降低；高寬比為1.0的西直門外南路平均輻射溫度在這段時(shí)間內(nèi)變化不穩(wěn)定，相對(duì)而言，高寬比為0.7的什坊小街平均輻射溫度更低。14：00-16：00時(shí)間段內(nèi)，高寬比為0.5的百萬莊大街和高寬比為0.7的什坊小街平均輻射溫度仍然逐漸上升，而高寬比為0.3的車公莊大街和高寬比為1.0的西直門外南路平均輻射溫度則逐漸下降。對(duì)比分析4條街道在14：00時(shí)平均輻射溫度的分布情況(見表6)，隨著高寬比的增大，高溫區(qū)面積不斷減少，但高寬比為1.0的西直門外南路的高溫區(qū)面積開始上升。因此，東西向街道的高寬比與平均輻射溫度的變化規(guī)律為：在高寬比0.3～0.7范圍內(nèi)，隨著高寬比的增大，溫度降低；在高寬比0.7～1.0范圍內(nèi)，隨著高寬比的增大，溫度升高。

圖4 不同高寬比下街道平均輻射溫度比較

表6 14：00東西向街道平均輻射溫度分布統(tǒng)計(jì)

(2)空氣溫度

對(duì)比分析東西向街道不同高寬比情況下空氣溫度的逐時(shí)分布情況(見圖5)。4條街道空氣溫度上升的規(guī)律與南北向街道變化規(guī)律相似，均為在16：00時(shí)達(dá)到空氣溫度的最高值，且4條街道的溫差較小。對(duì)比分析4條街道空氣溫度的分布情況(見表7)，與南北向街道相差較大。東西向街道的高溫區(qū)面積較大，4條街道的高溫區(qū)面積占比均大于60.00%，百萬莊大街的高溫區(qū)面積最大，超過90.00%，車公莊大街高溫區(qū)面積最小，為62.10%。

圖5 不同高寬比下街道空氣溫度比較

表7 14：00東西向街道空氣溫度分布統(tǒng)計(jì)

(3)熱舒適度

對(duì)比分析東西向街道不同高寬比情況下熱舒適度PMV的逐時(shí)分布情況(見圖6)。在熱舒適度上升的時(shí)間段內(nèi)，4條街道高寬比與熱舒適度的變化規(guī)律同南北向街道變化規(guī)律相似，均隨著高寬比的逐漸增加，熱舒適度逐漸降低。但不同的是，高寬比為0.7的什坊小街和高寬比為1.0的西直門外南路熱舒適度數(shù)值相近。對(duì)比分析4條街道在14：00時(shí)熱舒適度的分布情況(見表8)，高寬比為0.3～0.7，隨著高寬比的增大，高溫區(qū)面積不斷減少；高寬比為0.7～1.0，隨著高寬比的增大，高溫區(qū)面積不斷增大。

圖6 不同高寬比下街道熱舒適度比較

表8 14：00東西向街道熱舒適度分布統(tǒng)計(jì)

三、街道熱環(huán)境提升策略

綜上，街道形態(tài)特征中的高寬比和朝向可影響其內(nèi)部熱環(huán)境的變化，太陽輻射是影響城市街道空間內(nèi)熱環(huán)境變化的主要因素。

1.南北向街道

南北向街道的平均輻射溫度和熱舒適度這兩個(gè)熱環(huán)境氣候要素受高寬比的影響最為明顯。由于南北向街道的朝向與太陽直射呈現(xiàn)垂直關(guān)系，可有效遮擋太陽直射，從而為街道提供更多的陰影面積。而高寬比大的街道，形成的陰影面積較多，也使街道內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)的數(shù)值降低。總體來說，隨著高寬比的不斷上升，熱環(huán)境氣候要素?cái)?shù)值不斷降低，高溫區(qū)面積也不斷縮減。

(1)調(diào)整高寬比

在對(duì)南北向街道進(jìn)行改造時(shí)，可通過增加單側(cè)建筑的高度來增加陰影區(qū)面積。據(jù)對(duì)熱環(huán)境氣候要素?cái)?shù)值的比較，高寬比為0.5～1.0的街道平均輻射溫度和熱舒適度變化明顯，因而增加西側(cè)建筑高度可有效增加陰影面積，從而提升熱環(huán)境質(zhì)量。

(2)增加灰色空間

南北向街道的西側(cè)由于建筑物的遮擋，可以降低平均輻射溫度，而東側(cè)完全暴露在太陽下，因此可在東側(cè)建筑底層增加天棚，起到改善熱環(huán)境的作用。

2.東西向街道

東西向街道受高寬比的影響較弱，但也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。高寬比在0.3～0.7范圍內(nèi)，街道的熱環(huán)境氣候要素?cái)?shù)值隨著高寬比的增大而減小，高溫區(qū)面積也隨之縮減；而高寬比為0.7～1.0，變化規(guī)律則相反，隨著高寬比的增大，熱環(huán)境各參數(shù)數(shù)值和高溫區(qū)面積均增大。

(1)調(diào)整高寬比

對(duì)于東西向街道，由于受高寬比的影響較弱，熱環(huán)境氣候要素的數(shù)值相差不大，因而增加單側(cè)的建筑高度這一做法并不能如南北向街道一樣很好地起到改善熱環(huán)境的作用，但仍可增加南側(cè)建筑高度。

(2)增加灰色空間

街道北側(cè)建筑底層可以增設(shè)天棚，從而達(dá)到改善熱環(huán)境的效果。

(3)增加緩沖空間

根據(jù)高溫區(qū)的水平分布情況，東西向街道北側(cè)建筑受太陽直射時(shí)間長(zhǎng)，高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，建筑物的散熱也降低了街道內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，因而可在北側(cè)建筑與人行道之間設(shè)置綠化等緩沖空間，減少行人使用以提升熱舒適度。

四、 結(jié) 語

以北京城市街道為研究對(duì)象，探究中心城區(qū)城市街道的室外熱環(huán)境和熱舒適度的變化規(guī)律，分析熱環(huán)境中的平均輻射溫度、空氣溫度與街道形態(tài)(高寬比、朝向)之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：

高寬比通過阻礙太陽直射，改變高溫區(qū)的面積占比，影響著街道內(nèi)部熱環(huán)境氣候各要素及熱舒適度的均值變化。高寬比越大，高溫區(qū)面積越小，熱環(huán)境氣候要素及熱舒適度的均值不斷減小。但街道內(nèi)熱環(huán)境氣候要素及熱舒適度的數(shù)值最大值不會(huì)隨高寬比發(fā)生改變。

朝向?qū)值罒岘h(huán)境起著決定作用，南北向街道受太陽直射的時(shí)間短于東西向街道。對(duì)于南北向街道，當(dāng)高寬比大于0.5時(shí)，城市街道熱環(huán)境質(zhì)量受高寬比影響明顯；當(dāng)高寬比為1.0左右時(shí)，街道內(nèi)受太陽直射區(qū)域最小，太陽直射時(shí)間最短，相應(yīng)的高溫區(qū)面積最小，熱環(huán)境質(zhì)量最良好。對(duì)于東西向街道，當(dāng)高寬比在0.3～0.7時(shí)，城市街道熱環(huán)境質(zhì)量受高寬比影響明顯；當(dāng)高寬比為0.7左右時(shí)，街道受太陽直射的面積最小，熱環(huán)境質(zhì)量最佳。經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)論證以及相關(guān)論文研究求證，發(fā)現(xiàn)東西向街道高寬比選擇0.7左右時(shí)熱環(huán)境最佳。