南京步行街空间形式与微气候关联性模拟分析技术

李京津　　王建国,2

(1东南大学建筑学院, 南京 210096)(2东南大学城市规划设计研究院, 南京 210096)



南京步行街空间形式与微气候关联性模拟分析技术

李京津1王建国1,2

(1东南大学建筑学院, 南京 210096)(2东南大学城市规划设计研究院, 南京 210096)

为了研究城市步行街空间形态对其微气候的影响,选择Envi-met微气候数值模拟软件对南京市3条不同类型步行街2014年6月21日的空气温度分布、风速分布、湿度分布及太阳辐射强度4项微气候指标进行模拟分析.借鉴奥尔基亚室外生物-气候分析表评估狮子桥步行街、南捕厅步行街和河西奥体步行街微气候质量,其中狮子桥步行街微气候质量最高,南捕厅步行街次之,河西步行街最差.模拟结果表明,街道朝向、断面形式、天空可视域、植被分布因子均对街道微气候环境产生不同程度的影响.在此基础上,探讨了基于微气候优化的步行街规划设计策略.

步行街;微气候;Envi-met;南京

随着中国城市化进程的快速推进,大量高强度的开发行为使得近地面层缺少日照、局部温度过高、通风不畅等问题日益严重[1].城市步行街作为公众活动高度集聚的公共空间,其微气候的质量对市民体验和感知城市有重要的影响.20世纪70年代开始,随着可持续发展理念的提出,相关学者展开了城市形态与城市微气候之间关系的研究.Dekay等[2]对微气候与城市的关系做出了相对系统的模式分析.Wong等[3]对新加坡街道微气候环境展开实测与模拟研究.徐小东等[4]对城市气候学展开了理论探讨.Zheng[5]对夏热冬冷地区街道热环境展开数值模拟研究.Ng[6]针对香港高密度城区通风环境展开相关研究.但针对城市步行街微气候的实证研究相对缺乏,已有的研究也只侧重考虑温度、风速等单一气候要素.为此,本文就南京市3条不同模式的步行街夏季微气候展开模拟分析,探讨步行街空间形态与城市微气候关联性,进而提出步行街微气候环境优化的相关策略.

1　模拟软件和指标体系

1.1模拟软件

目前既有的用于微气候分析软件主要有FLUENT，CFX，CFD2000等,本文选择的Envi-met软件是由德国学者开发的非商业数值模拟软件,主要用于中小尺度模式的城市微气候模拟,该软件模拟结果与实测数据的相关性已得到国内外学者的广泛证实[7].Envi-met软件是首个在流动力学、热力学及城市气象学等相关规律基础上对城市微气候环境的影响因子进行整体数值模拟的软件.Envi-met软件有以下优点:① 可同时模拟温度、风速等参量的空间分布;② 空间分辨率最小可达到0.5 m,便于展开对南捕厅这类小尺度步行街的研究;③ 考虑绿化植被对城市微气候的影响.

1.2室外人体热舒适度指标体系

一般室外人体热舒适度用6个主要参数来衡量,其中4个气候指标(空气温度、风速、辐射及相关湿度)和2个物理指标(活动方式和衣着).大多数的气候分析指标体系根据室内物理环境所设置(如吉沃尼建筑气候图、瓦特逊建筑气候图等),并不适合室外热舒适评价.本文考虑到热舒适度评价的可操作性,选用Olgyay[8]提出的奥尔基亚室外生物-气候分析指标体系(见图1).

图1　奥尔基亚室外生物-气候分析指标体系[8]

奥尔基亚室外生物-气候分析指标体系统筹考虑了温度、湿度、风速以及太阳辐射4个气候指标对人体热舒适度区域划分的复合影响,图1中涵盖了冬夏2个舒适区域.当冬季温度为17 ℃、相关湿度为40%、太阳辐射和风速皆为0时,此时人处于舒适范围内；当太阳辐射强度提升到500 W/m2时,热舒适度范围将向下移动,此时同样的温度和湿度让人处于热不舒适的范围,需要降低太阳辐射度或保证一定的风速才能使人重新回到舒适的范围内.

2　研究方法

2.1研究对象

南京位于长江下游,地理坐标为北纬31°14″～32°37″,东经118°22″～119°14″,属于亚热带季风气候,常年雨量充沛,年降水量1 200 mm,年平均温度15.4 ℃,年最高温度39.7 ℃,最低温度-13.1 ℃.

本文选择南京3条不同空间类型的商业步行街(见图2(a))：① 湖南路狮子桥商业街位于南京老城区中部,商业街南偏东约15°,总长约270 m,东西宽约20 m,步行街两侧以多层建筑为主(见图2(b)、(c)).② 南捕厅街区位于南京古城南部,紧临甘熙故居历史建筑群,南捕厅商业步行街以传统风貌建筑为主,周边建筑高度在12 m以下,街道朝向西偏南15°,整体长约150 m,宽3～9 m(见图2(d)、(e)).③ 河西奥体步行街位于南京河西现代化新城中心区,南北长255 m,东西宽约80 m,朝向南偏西约15°,两侧为大型公共建筑,内部设置绿化、水体等要素(见图2(f)、(g)).

图2　步行街区位及照片

2.2模拟参数

基于Envi-met对3条街道在2014年6月21日的微气候展开模拟,模拟时间为10:00—16:00,根据南京气象数据资料设定相同初始模拟参数,设定初始风速为2.5 m/s,风向东南向,初始温度293 K,初始湿度50%.

2.3模拟结果

2.3.1温度动态分布

通过对3条街道的微气候模拟，从温度动态变化、温度水平空间分布、温度垂直空间分布3个角度统计街道内部微气候变化信息(见图3).

图3　街道2 m高度空气温度变化图

1) 温度动态变化

3条商业街在上午10:00至下午16:00之间温度变化属于3种不同类型,河西步行街温度变化属于稳步增长型,自上午10:00至下午14:00温度从295 K稳步增长至300 K；南捕厅步行街温度变化属于突变型，上午10:00至12:00温度变化幅度较小,保持在292 K，低于初始温度值,下午14:00温度增长较快升到295～297 K之间.狮子桥步行街温度整体变化幅度最小，在293～291.4 K之间,最高温度值出现在中午11:00至12:00之间,温度达到293 K,下午14:00温度低于中午12:00,下降到291.4 K.

2) 温度水平空间分布

从温度水平空间分布上来看,3条街差别较大(见图4(a)～(c)),南捕厅商业街内部温差最大,东侧紧邻中山南路入口区14:00温度为297.5 K,商业街西侧温度为295.4 K,东西温差达到2 K;狮子桥内部整体温差在下午14:00最大达到0.9 K,商业街南侧入口广场温度最低290.8 K,商业街北侧温度最高达到291.7 K;河西奥体步行街内部整体温度最高但温差较小,温度在298.5～298.9 K之间.

3) 温度垂直空间分布

3条街道在14:00垂直方向温度分布差异较大(见图4(d)～(f)),狮子桥街道内部18 m以下,整体温度相对稳定在291.4 K;南捕厅步行街地面向上温度逐渐降低,街道内部2 m左右空气温度有约0.3 K的温度变化分界线;河西奥体步行街垂直方向变化较大，温度在298～296 K之间.

2.3.2风速分布

从风速水平分布上来看(见图5(a)～(c)),3条街道中河西大街内部风速最低,在0.34～0.68 m/s之间,且街道内部80%的区域风速低于0.5 m/s；南捕厅街道内部风速变化在0.34～2.47 m/s之间；狮子桥步行街内部风速在0.59～2.37 m/s之间.其中狮子桥步行街南部街道入口广场及南捕厅步行街东侧入口广场出现高速风区,而河西奥体步行街高速风区位于步行街外部的城市道路之上,步

图4　街道内部空气14:00温度分布

行街南侧2栋标志性塔楼南侧出现2个高速风涡旋区,风速在3 m/s以上,局部风速差值在5倍以上.

从风速垂直向分布来看(见图5(d)～(f)),狮子桥步行街内部风速较高,东西两侧风速差异较大,东侧风速相对较低1.4 m/s,西侧风速较高约1.8 m/s；河西奥体步行街内部近地层风速变化较小,风速较低在0.38 m/s以下；南捕厅步行街内部风速在0.66～1.57 m/s之间,整体上街道东侧风速较高,西侧风速较低.

2.3.3湿度分布

从14:00湿度分布看(见图6(a)～(c)),3条步行街中狮子桥步行街湿度较高,在55%～63%之间,南捕厅湿度在59%～63%之间,河西步行街湿度较低在39%～41%之间.

图5　街道内部风速分布

2.3.4太阳辐射分布

从14:00太阳辐射量分布角度发现(见图6(d)～(f)),南捕厅步行街内部主体部分的太阳辐射强度约为800 W/m2,局部地区约450 W/m2.河西奥体步行街内部太阳辐射强度达到900 W/m2,狮子桥步行街太阳辐射强度为550 W/m2.

图6　14:00湿度分布及太阳辐射强度分布

2.4热舒适度评价

基于上文的模拟分析发现,狮子桥步行街温度位于291～293 K(18～20 ℃)之间,湿度约61%～70%,太阳辐射550 W/m2,风速0.59～2.37 m/s;南捕厅步行街温度在292～297 K(19～24 ℃)之间,湿度59%～63%,风速0.34～2.47 m/s;河西奥体步行街温度在295～302 K(22～29 ℃)之间,湿度39%～40%,风速0.34～0.68 m/s.南捕厅步行街和狮子桥步行街内风速能达到2 m/s,其内部空气循环相对较好.依据奥尔基亚室外生物-气候指标绘制3条步行街的热舒适度区间(见图7).本文通过空气温度与湿度形成的矩形区间(深色斑块)与舒适度区间(浅色斑块)的叠合程度,判断步行街的热舒适度.

(a) 狮子桥步行街

(b) 南捕厅步行街

(c) 河西奥体步行街

通过奥尔基亚室外生物-气候指标分析发现.狮子桥与南捕厅步行街部分时段处于人体舒适区间内,狮子桥步行街部分处于不舒适的原因是由于湿度过大,而南捕厅步行街则由于局部温度过高；河西奥体步行街则完全处于人体不舒适的范围,其主要原因是过大的太阳辐射与高温.通过该指标体系研究发现，对于步行街人体热舒适性的改造应针对街道具体情况来采取措施,不匹配的改善措施并不能有效提升街道热舒适性,如河西奥体步行街热舒适度通过增加水面的方式并不能起到较好的效果.

3　空间形式与微气候关联性讨论

在综合模拟分析了3条街道微气候特征的基础上,通过对街道空间的形式分析,从天空可视域、街道界面、街道断面及绿化植被分布的角度研究街道空间形式对微气候的影响.

3.1天空可视域影响

河西奥体步行街天空可视域范围较高，在0.49～0.78之间,南捕厅步行街天空可视域范围较低，大部分区域在0.26～0.49之间,局部空间节点达到0.78,狮子桥步行街空间可视域范围在0.34～0.71之间.天空可视域对地表太阳辐射接受量有一定影响,并影响城市建筑表面向外长波辐射的强度[9].天空可视域与风速的关系相对复杂,狮子桥步行街的风速在3条街道中最大,但其天空可视域的大小位于另2条街道之间(见图8).

3.2街道界面影响

街道界面的平整程度对于街道内部温度及风速的变化有一定影响.河西步行街界面整齐,没有曲折变化,其内部的温度分布及风速分布变化均较小.南捕厅步行街街道设计中采用了传统空间模式,丰富的空间尺度变化也带来了微气候指标的变化.南捕厅步行街中部出现的2个放大节点,均导致了局部温度的提升,提升幅度在0.3 K左右.狮子桥步行街南部入口开敞广场及中部开放节点同样导致局部出现较高的风速.

3.3街道断面影响

街道断面的影响主要有街道长宽比和街道高宽比.

1) 街道长宽比

通过对比平面尺度发现,南捕厅步行街的长宽比最大达到15～30,其形态接近一个通道的形式,空间导向性较强.而河西步行街长宽比较小仅为3.2,其空间形态更加接近一个广场,空间的导向性较低.长宽比对于街道内部温度分布产生显著的影响,南捕厅步行街东侧温度高于街道西侧,步行街成为一个传热的通道,通道内壁的光滑度对于温度的传输起到一定的影响作用.南捕厅步行街在14:00时街道东西两侧温差达到1.5 K,而同一时间狮子桥步行街南北温差最大仅0.6 K,河西步行街内部温度温差在0.2 K.街道的长宽比对于温度的传输有着明显的影响,而具体的影响阈值关系则需要进一步的研究.街道的绝对宽度对于风速的分布没有明显的影响,河西步行街街道宽度较大但平均风速较低.

图8　街道天空可视域

2) 街道高宽比

街道的高宽比一方面影响了街道内部微气候的平面分布,另一方面对于街道内部微气候的垂直分布产生影响.3条街道中南捕厅步行街高宽比约达2,河西奥体步行街高宽比最小约0.3,狮子桥步行街高宽比在1.5～1.0之间.从温度的垂直分布上看,南捕厅街道内部垂直方向温度及风速变化较大,街道顶部风速约1.0～1.8 m/s,而街道地面层风速约0.35 m/s.狮子桥步行街地面风速在1.05 m/s,街道顶部风速在1.5 m/s,垂直方向变化幅度小于南捕厅,河西步行街内部垂直方向的温度与风速几乎没有太大变化.高宽比越大，街道内部垂直方向的温度分布变化越大.

3.4绿化植被影响

研究发现,植被的分布对于街道内部的湿度变化及温度分布有一定的调节优化作用[10].本研究涉及的3条街道中,南捕厅步行街及河西奥体步行街中局部地区设置了绿化植被,南捕厅步行街东北侧沿街大量的乔木有效阻挡了道路高温的传输,而东南侧沿街由于缺乏绿化植被,高温区延续到步行街内部.河西步行街内部西北侧由于部分绿化,局部温度下降约0.3 K.

4　步行街微气候环境优化策略探讨

基于以上模拟分析与总结,为更好提升步行街微气候环境,提出以下4条空间优化策略.

4.1选择良好的朝向

街道朝向对街道内部的微气候变化起到很大的影响,由于城市地理位置的差异,不同的城市存在不同角度的热轴,当街道走向接近热轴时,会导致街道内部温度升高.本文中的狮子桥步行街由于其朝向为南偏东15°左右,避开了城市西南向热轴且与南京夏季盛行东南向风相近,使得狮子桥步行街内部整体温度相对其他2条街道较低且平均风速分布较高,尽管狮子桥步行街的天空可视域、高宽比等指标比南捕厅步行街要高.因此,南京的步行街在可能的条件下尽量以东南向为主.

4.2合适的长宽比及高宽比

合适的长宽比及高宽比对于步行街内部的微气候分布有较大的影响,基于上文的研究发现,当步行街外部温度较高时,街道宜采用较大的长宽比,保证基地内部的微气候质量.而当步行街对于二层以上空间的微气候要求较高时,或设置了部分屋顶步行空间的,则需要考虑通过调整高宽比的方式来优化步行街垂直方向的温度分布与风速分布.

4.3空间节点优化

局部空间节点如街道入口广场、街道中心节点通过合理的界面调整及空间的尺度调节同样可以优化步行街内部的微气候环境,本文研究中的狮子桥步行街南侧入口广场及内部广场的放大有效调节了步行街温度分布及风速分布.而南捕厅步行街东侧的2个入口中,北侧入口通过减小开口尺度有效降低街道内部温度.因此,步行街局部节点的空间尺度调整应结合外部温度分布来展开调节.

4.4合理的绿化和水面设置

在空间尺度及朝向确定的基础上,微气候环境较差的部分通过设置绿化和水体,可以有效降低局部温度，并提升空气湿度,主要考虑:① 树种的选择.绿化种植中应充分考虑植被种类,一般来说,乔木的微气候影响力大于灌木.② 绿化的位置.一般城市柏油路是主要的高热地区,在步行街与城市道路交接处,有条件的情况下应尽量增加植被种植,以缓解周边高热地区的热传导作用.

5　结语

城市步行街的微气候环境一方面受到街道所处周边环境的影响,另一方面街道本身的空间形式特征对于街道的微气候影响也较大.本文利用Envi-met软件模拟分析步行街空间形式与微气候环境的关联性,数据显示不同街道朝向、尺度及界面均对街道内部的微气候分布产生一定的影响.以南京步行街为例,东南朝向、较大的长宽比、局部空间节点尺度变化及合适的水体及绿化布局是促进步行街微气候环境提升的重要策略.

References)

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Simulation analysis on relationship between spatial form and microclimate of pedestrian street in Nanjing

Li Jingjin1Wang Jianguo1,2

(1School of Architecture, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2Research Institute of Urban Planning and Design, Southeast University, Nanjing 210096,China)

To study the influences of the spatial form of pedestrian streets on urban microclimate, four parameters, including air temperature, relative humidity, wind speed, and solar radiation of three different kinds of streets on June 21, 2014 in Nanjing city were simulated by applying Envi-met software. The microclimate environments of the Shiziqiao street, Nanbuting street, and Hexi street were evaluated based on the Olgyay’s bioclimatic evaluating index, among which the Shiziqiao street was a street with better micro-climate environment than the other two streets, and Nanbuting street was better than Hexi street. Results show that direction, section form, sky-view factor, and green have different impacts on the street microclimate. Based on the research, some strategies are suggested to improve the microclimate conditions of the pedestrian streets.

pedestrian street; microclimate; Envi-met; Nanjing

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.035

2016-01-05.作者简介: 李京津(1987—),男,博士生;王建国(联系人),男,博士,教授,博士生导师,wjg-cw@seu.edu.cn.

TU984.16

A

1001-0505(2016)05-1103-07

引用本文: 李京津，王建国.南京步行街空间形式与微气候关联性模拟分析技术[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(5):1103-1109. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.035