基于集总参数法的住宅小区室外热环境优化研究——以重庆地区为例

蒋超，方小桃，刘茜茜，王怡Jiang Chao,Fang Xiaotao,Liu Qianqian,Wang Yi

（重庆市设计院有限公司，重庆 400015）

0 引言

在我国快速城镇化的进程中，新建住宅小区如雨后春笋般出现，居住区的规模迅速扩张，由此产生了一系列问题，如城镇居住区采用大量的沥青、水泥、屋面等硬质铺装，下垫面硬质化，绿化率较低，建筑密度及容积率大，乔木、水体等体量较小等。这些特点使得夏季小区热环境较为恶劣，导致城市热岛效应加剧[1]。小区热环境恶化及城市热岛效应加剧成为城镇化快速发展过程中亟待解决的问题。

为规范城市居住区热环境设计，改善居住区热环境，提高居住区环境的热舒适性[2]，《城市居住区热环境设计标准》（JGJ 286—2013）于2013年颁布实施。笔者通过梳理相关标准，总结出适用于重庆地区住宅小区热环境优化设计指标，即提高透水铺装比例、提高建筑底层通风架空率、提高场地遮阳覆盖率、提高屋顶绿化比例、降低场地太阳辐射吸收系数；同时以《城市居住区热环境设计标准》评价性指标计算方法为依据，采用计算机模拟的方式，研究了重庆地区典型住宅小区室外热环境和五个设计指标的关系，提出了适用于重庆地区的室外热环境优化设计方法。

1 基本原理

《城市居住区热环境设计标准》（JGJ 286—2013）第五章提出了城市居住区室外热环境评价性设计方法，计算居住区夏季逐时黑球温度和平均热岛强度。评价性设计采用集总参数法。集总参数模型是建立在热平衡的基础上，使用建筑群热时间常数的方法来计算局部建筑环境的空气温度随外界热量扰动变化情况的一种方法[3]。

居住区夏季逐时湿球黑球温度按下列公式进行计算[2]：

居住区夏季平均热岛强度按下列公式进行计算：

重庆地区典型气象日参数取自《城市居住区热环境设计标准》附录A，表A.0.1。

2 研究方法

2.1 模拟法

模拟法采用住区热环境设计分析软件PKPM-TED进行建模和热环境计算，分析住宅小区的逐时湿球黑球温度和夏季平均热岛强度与各设计指标的关系。住区热环境设计分析软件PKPMTED由北京构力科技有限公司（PKPM）自主研发，根据《城市居住区热环境设计标准》（JGJ 286）给出的集总参数法，快速统计场地各项参数，计算平均热岛强度、湿球黑球温度等，并自动统计达标情况及可视化效果图片，输出可溯源的报告书[4]。

2.2 模拟研究对象

本文在重庆市市区范围内选取了常见的两种类型的住宅小区进行模拟研究，案例1为高层住宅小区，案例2为低层住宅小区。项目基本情况如表1所示。

表1 典型住宅小区基本情况

模拟模型如图1、图2所示。

图1 高层住宅小区模型（图片来源：作者自绘）

图2 低层住宅小区模型（图片来源：作者自绘）

2.3 室外热环境设计指标选取

笔者通过梳理国内相关标准，发现在小区总用地面积、建筑密度、容积率、绿地率等设计因素确定的前提下，改善室外热环境的设计措施主要有加强自然通风、增加遮阳措施、改善下垫面和增加绿化等四个方面。梳理的标准和涉及的条文如表2所示。

表2 改善室外热环境设计措施标准条文一览

上述设计措施中，平均迎风面积比达标为强制性条文[5]，其他都为优化指标。结合重庆本地设计现状，笔者总结出适用于重庆地区的五个优化设计指标，即提高透水铺装比例、提高建筑底层通风架空率、提高场地遮阳覆盖率、提高屋顶绿化比例、降低场地太阳辐射吸收系数。笔者通过计算机模拟，研究了以上五个设计指标和住宅小区逐时湿球黑球温度及热岛强度的关系，分析提出了重庆地区的室外热环境优化设计方法。

2.4 设计指标选取原则

本文采用定量分析方法，在其他设计指标值不变的情况下，通过连续改变单一设计指标值的方法，探寻设计指标对室外热环境的影响。其中，所有设计指标的基准值，按照现行重庆市地方标准[6]的执行条文要求选取。

3 模拟及结果分析

利用第二章所述的模拟方法，对选取的典型住宅小区进行模拟，可得到不同设计指标与住宅小区逐时湿球黑球温度和热岛强度的定量关系。

3.1 透水铺装比例

在其他设计指标相同的情况下，使场地透水铺装比例从50%到90%进行变化，模拟得到逐时湿球黑球温度和热岛强度分布曲线，如图3—图6所示。透水铺装比例每提高10%，案例1热岛强度降低0.02℃，案例2热岛强度降低0.008℃。热岛强度下降趋势不明显。

图3 案例1逐时湿球黑球温度分布图

图6 案例2逐时热岛强度分布图

图4 案例2逐时湿球黑球温度分布图

图5 案例1逐时热岛强度分布图

3.2 建筑底层通风架空率

在其他设计指标相同的情况下，场地底层通风架空率从0到40%进行变化，模拟得到逐时湿球黑球温度和热岛强度分布曲线，如图7—图10所示。建筑底层通风架空率每增加10%，案例1热岛强度降低0.06℃，案例2热岛强度降低0.02℃，有下降趋势，但下降趋势不明显。

图7 案例1逐时湿球黑球温度分布图

图8 案例2逐时湿球黑球温度分布图

图9 案例1逐时热岛强度分布图

图10 案例2逐时热岛强度分布图

3.3 场地遮阳覆盖率

在其他设计指标相同的情况下，使场地遮阳设置比例从10%到50%进行变化，模拟得到逐时湿球黑球温度和热岛强度分布曲线，如图11—图14所示。场地遮阳设置比例每增加10%，案例1热岛强度降低0.14℃，案例2热岛强度降低0.04℃，有一定下降。

图11 案例1逐时湿球黑球温度分布图

图14 案例2逐时热岛强度分布图

图12 案例2逐时湿球黑球温度分布图

图13 案例1逐时热岛强度分布图

3.4 屋顶绿化比例

在其他设计指标相同的情况下，使场地屋顶绿化设置比例从0到40%进行变化，模拟得到逐时湿球黑球温度和热岛强度分布曲线如图15—图18所示。屋顶绿化设置比例每增加10%，案例1热岛强度降低0.03℃，案例2热岛强度降低0.02℃，有一定下降趋势，但下降趋势不明显。

图15 案例1逐时湿球黑球温度分布图

图16 案例2逐时湿球黑球温度分布图

图17 案例1逐时热岛强度分布图

图18 案例2逐时热岛强度分布图

3.5 场地太阳辐射吸收系数

在其他设计指标相同的情况下，使场地太阳辐射吸收系数设置比例从0.4到0.8进行变化，模拟得到逐时湿球黑球温度和热岛强度分布曲线如图19—图22所示。场地太阳辐射吸收系数每降低0.1，案例1热岛强度降低0.29℃，案例2热岛强度降低0.08℃，有较明显的下降趋势。

图19 案例1逐时湿球黑球温度分布图

图22 案例2逐时热岛强度分布图

图20 案例2逐时湿球黑球温度分布图

图21 案例1逐时热岛强度分布图

4 总结及讨论

从数据分布图和数据分析中看出，以上设计指标中，降低场地太阳辐射吸收系数对改善住宅小区室外热环境、降低热岛强度效果最好，其次是提高场地遮阳覆盖率，提高透水铺装比例、提高屋顶绿化比例及建筑底层通风架空率对改善重庆住宅小区室外热环境、降低热岛强度效果不明显。

在五个优化指标中，每提升10%或降低0.1，热岛效应降低明显程度从高到低排序为：降低场地太阳辐射吸收系数＞提高场地遮阳覆盖率＞提高底层通风架空率＞提高屋顶绿化比例＞提高透水铺装比例。这是因为，重庆市夏季太阳辐射量较高，通过降低场地的太阳辐射吸收量能较好地改善室外热环境，因此，降低场地太阳辐射吸收系数和提高场地遮阳比例的效果相对较好，而屋面绿化虽然可以降低城市级别的热岛效应[7]，但对于居住区人行活动场地的热环境改善效果有限。重庆市夏季室外风速不高，因此，采用提高底层通风架空率来增加场地通风的方式对降低场地热岛效应效果也不明显。由于透水铺装降低热岛效应的效果主要体现在下雨后或进行道路浇洒后，蒸发冷却效果显著[8]，但模型中并不能反映这一过程，因此在计算中几乎没有降低热岛效应的效果。

综上所述，在重庆市工程设计时，应优先考虑采用太阳辐射吸收系数小于0.4的浅色铺装、涂刷高反射涂层等方式降低场地太阳辐射吸收量[8]，并设置足够的绿化遮阳或构筑物遮阳设施；其次，根据重庆夏季多雨的特点，应采用透水铺装，发挥其在雨后改善室外热环境的作用；最后，宜配合采用局部架空的手法，加强场地通风，增加屋面绿化，进一步改善室外热环境，降低热岛效应。