基于热环境模拟的生态园区规划研究

付维纲， 姜 涛， 刘 俊， 周 强

(中铁第四勘察设计院集团有限责任公司， 武汉 430063)



付维纲， 姜 涛*， 刘 俊， 周 强

(中铁第四勘察设计院集团有限责任公司， 武汉 430063)

以苏州地区生态园区为研究对象，分析园区热岛效应的影响因素以及与规划相关的元素，利用CFD技术对现状及规划状况下的园区热环境进行模拟研究，得到不同方案下温度场、速度场及空气龄场等计算结果，对比分析，发现通过规划生态廊道、控制建筑密度及高度、提高乔木覆盖率及推广屋面绿化等手段，可以有效缓解热岛效应，提高园区舒适度.同时也为生态规划设计提供了一种新的思路.

热岛效应； 生态廊道； 建筑布局； 绿化效应； 生态规划

随着城市化进程的加快，以及人们对城市人居环境要求的提高，热岛效应已经成为人们关注的焦点.在大力提倡节能减排、低碳发展的今天，有效缓解热岛效应，不仅可以改善城市人居环境，并且还能有效减少夏季空调的使用，有利于节能与环保[1-3].

生态园区作为城市的重要组成部分，直接影响着整个城市的热岛效应，其热环境亦不容忽视.本文将从微观层面以生态园区作为研究对象，模拟预测各种规划方案下其热环境，并提出合理规划方案及优化建议，对缓解热岛效应具有重要意义，也是生态规划技术方法的创新探索.

1 热岛效应与园区规划

1.1 热岛效应以及与园区规划相关元素

热岛效应是指一个地区的气温高于周围地区的现象[4-5].气候因素、太阳辐射、城市下垫面、绿地与水体及人为释热是其主要影响因素[6].结合园区实际规划过程，着重分析生态廊道、建筑布局及绿化效应3个重要元素.

1.1.1 生态廊道 风为流动的气流，在遇到地面构筑物、绿树及山岭等凸起物时由于地面的粗糙阻力，影响了气流速度及质量.生态廊道类似“峡谷”，起到“风道”的作用，可以有效避免地表粗糙所造成损失，以改善市区密集地带的空气流动质量，利用通风带走多余的热量“堆积”，从而达到“通风降温”的效果[7].

1.1.2 建筑布局 建筑物对气流具有阻挡作用，影响气流在城市的流通，不利于热量的扩散.在生态规划过程中，控制建筑物的高度及密度.尤其是在城市的迎风面，不应布置高大或高密度建筑物，以避免其对气流的阻挡而导致大量热量和温室气体滞留.

1.1.3 绿化效应 绿化对太阳辐射有较好的反射与吸收，叶面对水分的蒸腾作用带走了热量并增加了周围区域的空气湿度[8].传统的绿化率往往只反映了地面或平面的绿化程度.在园区生态环境规划设计中，将建筑立面及屋顶绿化的作用均衡量在内，这样能比较完整的体现出绿化对于减少建筑受热及缓解热岛效应的能力.

1.2 研究内容

本文将以苏州地区生态园区为研究对象，分析园区热岛效应的影响因素以及与规划相关的元素，着重选取生态廊道、建筑布局及绿化效应等3个元素，并结合园区现状及规划状况，利用CFD技术对其热环境进行模拟，得到不同方案下的温度场、速度场及空气龄场等计算结果，对比分析，提出有效合理的规划方案及优化建议，为园区生态规划提供可借鉴的依据.

2 构建模型及设置边界条件

2.1 建立模型

2.1.1 园区地块分级 将园区以主要街道、河流等各种条件为界限，分为不同的区域地块.考虑到不同区域的建筑密度、容积率、人口毛密度及绿化程度等因素组成的CFD数字模型在模拟仿真计算过程中呈现出的不同特性，将整个研究区域内分为5个等级(如表1)[9].

表1 城市分级表

2.1.2 建立模型 根据街道布局、建筑外形、水体面积及绿化布置等建立CFD物理模型(如图1).

图1 生态园区三维CFD物理模型Fig.1 Three-dimensional CFD physical model of the ecological park

2.2 设置边界条件

2.2.1 模拟初始边界条件设置 不同级别地块设置不同初始温度，不同级地块设置不同材质：在创建的CFD物理模型中，不同级别的地块模型，根据不同区域受到太阳辐射和风大小影响的实际情况，综合考虑其他影响因素，取各参数在本地块上的平均值.对于一级、二级的低级别区域，由于其受太阳辐射和风影响相对小，模型采用空心，材质为砖；对于三级、四级和五级地块模型，由于其受太阳辐射和风影响影响大，模型则采用实体的水泥材质.

2.1.2 模拟气候边界条件设置 设置大气边界层，苏州地区夏季南风为主导风向，平均风速3.4 m/s，平均温度31.3℃，考虑太阳辐射影响.

3 模拟结果及分析

3.1 生态廊道

在园区生态规划设计过程中，设置与夏季主导风向一致的生态廊道(如图2).模拟结果表明(如图3～4)：设置生态廊道后，园区内平均风速为1.80 m/s，空气龄为25 s，有良好的通风换气效果；温度场亦有所较大改善(如图5)，最高温度由原来的45℃减少为42℃，并且大部分区域也有之前的39℃降低为37.5℃.生态廊道可以起到通风降温效果，有效缓解了热岛效应，提高了园区热舒适度.

图2 生态廊道示意图Fig.2 Ecological corridor

图3 速度矢量分布图Fig.3 Velocity vector distribution

图4 空气龄场分布图Fig.4 Age of air distribution

图5 温度场分布对比图Fig.5 Comparison of the temperature field distribution

3.2 建筑布局

建筑物对气流具有阻挡作用，影响气流在城市的流通，不利于热量的驱散.在生态规划过程中，可以通过城市设计的手段对城市建筑高度和建筑密度的分布进行合理引导，在不影响城市用地布局及土地开发经济性的情况下，尽可能满足建筑高度和建筑密度从顺着主导风向逐渐增加的趋势.模拟结果如图6显示：在减少建筑密度之后，园区的温度均在37.8℃左右，相对于原来的39℃温度有所降低.其中最高温度为42.5℃，相对于原来的45℃降低了2.5℃左右；在减少建筑高度之后，科教创新区域的温度均在38℃左右，相对于原来的39℃温度有所降低.其中最高温度为42.5℃，相对于原来的45℃降低了2.5℃左右.热岛效均已有所改善.

3.3 绿化效应

城市规划设计可以通过绿地布局、绿化配置以及绿地率等手段控制城市绿地的数量、质量及分布，从而起到调节城市微气候的作用，缓解热岛效应.目前园区现状绿化建设水平为：人均公共绿地10.6 m2、建成区绿化覆盖率45%，高于《国家生态园林城市》标准，完全满足生态园林城市的要求.增加绿地面积有利于缓解城市热岛效应，但是如果在现有的高标准绿化基础上继续提高，一方面不利于土地的集约利用，另一方面对于土地资源紧缺的苏州地区而言，并不现实.因此，结合园区的实际情况，模拟研究在同样绿地面积情况下，提高乔木覆盖率及实施屋顶绿化对城市热岛效应的影响.本文选取月亮湾地块进行模拟，分3种方案进行分析.各方案的情景设置如表2.

表2 模拟情景设置

模拟结果(如图7)显示：提高乔木覆盖率能有效降低高密度高强度建设区的局部热岛效应；屋顶绿化作为常规地面绿化的重要补充方式，同样具有良好的生态效益，并且可以改善用地紧张的矛盾，有利于城市景观的美化设计.

图7 绿化效应模拟结果对比图Fig.7 Comparison of the greening effect simulation results

4 结论及建议

热岛效应的形成给城市规划工作提出了新的挑战.为了建立人与自然协调持续发展的宜居环境，如何消除热岛效应是城市规划者应考虑的一个重要内容.

(1)利用CFD技术模拟热岛效应，预测园区热环境，得到园区温度场、速度场及空气龄场等计算结果，可以为园区生态规划提供可借鉴的依据.

(2)规划生态廊道，设置与主导风向一致的生态廊道，可以加强园区内通风换气效果，改善密集区域空气质量，驱散过多的热量“堆积”，可以有效缓解热岛效应，提高园区内空气品质.

(3)优化建筑布局，控制建筑密度及高度，尽可能满足建筑高度及密度从顺着主导风向逐渐增加的趋势，可以有效改善热岛效应，提高园区的热舒适度.

(4)强化绿化效应，提高乔木覆盖率、推广屋面绿化，可以有效缓解热岛效应，调节城市微气候，改善用地紧张的矛盾，同时也有利于城市景观的美化设计.

[1] Santamouris M， Papanikolaou N. On the impact of urban climate on the energy consumption of buildings[J]. Solar Energy， 2001(70):201-216．

[2] 文远高， 连之伟. 气候变暖对建筑能耗的影响[J].建筑热能通风空调， 2003， 3:37-38．

[3] 黄勇波. 城市热岛效应分析及其对建筑空调采暖能耗影响的研究[D].天津:天津大学， 2005．

[4] Manley G. On the frequency of snowfall in metropolitan England [J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society， 1958， 84: 70-72．

[5] 苏振华， 何报寅， 丁 超， 等. 基于遥感分析土地利用变化对武汉城市热岛的影响[J].华中师范大学学报：自然科学版， 2015， 49(1):139-146．

[6] 张 辉. 气候环境影响下的城市热环境模拟研究[D].武汉:华中科技大学， 2006:15．

[7] 李 鹍， 余 庄. 基于气候调节的城市通风道探析[J].自然资源学报， 2006， 21(6): 991-997．

[8] 柳孝图， 陈恩水， 余德敏， 等. 城市热环境及其微热环境的改善[J].环境科学， 1997， 18(1):54-58，95．

[9] 张 辉. 气候环境影响下的城市热环境模拟研究[D].武汉:华中科技大学， 2006．

Study on ecological park planning based on the thermal environment simulation

FU Weigang， JIANG Tao， LIU Jun， ZHOU Qiang

(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co. Ltd.， Wuhan 430063)

Taking the ecological parks of Suzhou as research objects in this paper， the author analyzed the factors impacting the heat-island effect and elements of the park planning. Then by using the CFD technology to simulate the thermal environment of the parks in current situation and planning condition， respectively the temperature， velocity and mean age of air field under different scenarios were calculated. After comparing and analyzing， the author found out that the heat-island effect was effectively alleviated and the park staff comfort was improved through methods such as planning ecological corridors， controlling the building density and height， increasing tree coverage and promoting roof greening. These results also provided an innovative idea for the ecological planning and design．

heat-island effect; ecological corridor; building layout; greening effect; ecological planning

2015-02-26.

铁道部科技研究开发计划项目(2007G045-E).

1000-1190(2015)03-0465-05

X321;TU985.11

A

*通讯联系人. E-mail: jiangtaohust@126.com.