基于城市微气候的地下空间开发策略研究

李素华 苏小超 赵旭东 陈昭赫 肖秋凤

关键词：地下商业街；城市形态；Envi-met；竖井排风；微气候

前言

随着中国城市化的快速发展，城市微气候逐渐恶化。城市地下空间开发在解决城市人口、资源和环境三大危机方面具有明显优势，对改善城市微气候具有积极作用。目前，越来越多学者开始关注通过开发城市地下空间改善城市微气候，相关的研究更多是关注通过开发地下空间腾出土地面积用于种植绿化来改善室外微气候，而对城市地下空间开发对城市微气候可能带来的负面影响却鲜有研究。

随着地下商业街逐渐成为城市居民出行、购物、娱乐的重要场所，大量人流进入地下空间。为了满足人员在地下空间内部活动的安全和舒适感，则需要采取机械排风的方式将地下空间内部的热量及污染物通过竖井排到室外，并及时补充新鲜空气。当地下空间内部环境质量比较恶劣时，从地下空间内部排出去的污染物会对室外环境造成二次污染。相比地下封闭的空间环境，营造一个舒适安全的室外环境更为重要。因此，需要重视并量化研究地下空间开发对城市微气候可能产生的负面影响。研究以围合式城市形态地下商业街开发为例，运用ENVI-met量化评价不同地下商业街开发强度、竖井排风布置及地面绿化等因素对室外CO浓度的影响，根据模拟结果探索基于城市微气候的地下商业街设计策略。

1城市地下空间开发对城市微气候的影响机理

城市地下空间开发对城市微气候影响的本质遵循城市能量平衡理论。影响城市能量平衡的主要因素主要包括空间形态因素、下垫面因素和人为排热三方面，城市地下空间开发通过改变以上三方面因素影响城市微气候。

1.1城市地下空间与城市空间形态

城市地下空间开发将大量城市功能放人地下，形成一个地上地下一体化的三维城市空间形态，可以减少城市地上空间开发量，改变地面建筑的组合方式，形成不同的城市空间形态。Sterling在《Un-derground Space Design》中指出在保持地面建筑高度以及地面建筑设计风格不变的前提下，开发地下空间，将一部分城市功能放人地下，能够形成城市中庭或者城市下沉空间等立体布局形态，随着地下空间开发强度的增加，城市的空间形态改变越大。城市不同的空间形态能够影响构筑物对于太阳辐射的吸收与长波辐射散热，还能够对城市风环境产生影响，进而影响城市微气候。

1.2城市地下空间与城市下垫面

城市地下空间开发通过对节省出来的土地进行绿化，能够增加城市的绿化面积，改变城市下垫面属性，对改善城市微气候有积极的影响。高大树木能够干扰太阳辐射以及来自地面、建筑表面和天空之间的长波辐射，阳光在树叶之间的多重反射中被吸收掉，再加上树叶的蒸腾作用能降低树木周边的空气温度。绿化在阳光下的光合作用，能够吸收二氧化碳并释放氧气。同时，绿化能够影响空气中的颗粒物扩散和沉降颗粒物进而影响室外空气质量。

然而，在地下工程上面进行绿化设计，植物的生长环境不同于自然状态下的环境，植物种类的选择及植物搭配主要取决于地下空间覆土深度。根据《种植屋面工程技术规范JGJ155-2013》可知，地被植物、灌木和乔木对覆土深度的要求是依次递增的，比如美人草等草坪、地被植物生存所需的最小土深为100～200mm；金叶女贞等小灌木植物生存所需的最小土深为300～400mm；金边黄杨等大灌木植物生存所需的最小土深为450～600mm；桂花等小乔木植物生存所需的最小土深为800～900mm；香樟等大乔木植物生存所需的最小土深为900～1200mm。如果地下空间覆土深度小，则只能种植草坪和灌木，不适于高大乔木的种植，相应的景观设计也略显单调，对室外微气候的改善效果有限；若覆土深度能够满足种植高大乔木，相应的景观设计也更加丰富，也更有利于改善室外微气候。

1.3城市地下空间内部环境控制对城市微气候的影响

轨道交通和地下商业的快速融合发展，影响了人民的出行方式和生活方式，地下空间成为城市居民集聚的重要场所。为创造一个适合人生存和活动的环境空间，城市地下空间环境需要更多地依靠人工手段来加以控制和改善，包括热湿环境控制、空气品质、声环境控制、光环境控制、心理与视觉环境控制以及节能控制等。地下空间内部通风空调和环境控制系统主要由新风系统和排风系统组成。排风系统将地下空间内部的污染空气经由地面排风设备排放到城市地面环境；与此相对，新风系统将城市地面环境的新鲜空气送入地下空间内部，由此完成地下空间内部通风的系统循环。

2研究方案

2.1基本模型单元

研究选择围合式典型城市形态单元为模型，研究基于室外微气候的地下商业街开发策略。模型采用九宫格式布局，假设开发4条商业街，基本模型单元尺寸为200mx200m，如图1所示。假设建筑高度为36m，建筑单体平面尺寸为13.3mx46.6m，建筑层高4m，共9层，街区层峡高宽比为36/20。

2.2案例设置

2.2.1评价指标及评价标准

研究重点关注室外1.5m行人高度的由地下商业街排放的CO浓度，并将其作为评价指标，评价地下商业街开發对室外微气候的影响。此外，根据《环境空气质量标准》（GB3095-2012）规定，城市地下商业街附近区域空气质量标准允许的CO浓度值为10mg/m3，如果开发城市地下商业街排放到室外的CO浓度小于10mg/m3，说明地下商业街开发策略是绿色环保的，如果室外的CO浓度大于10mg/m3，说明该区域地下商业街开发造成了空气污染。研究通过定性和定量分析，评估地下商业街开发对室外微气候的影响。首先，定性对比分析不同设计方案下室外CO浓度变化，再以10mg/m3为评价标准，对比每种设计方案下室外CO浓度超过10mg/m3的污染面积，以此选择污染面积最小的设计方案，得出地下商业街的开发策略。关于污染面积的计算，研究首先以10mg/m3为阈值，提取每一整点时刻超过该阈值的网格数N，根据每个网格2mx2m（4m2），可求得每种方案每一整点时刻的污染面积为4Nm2。

2.2.2方案的命名

所在城市的天气情况、地下商业街開发强度、排风竖井的布局以及地面绿化与地下商业街开发排放到室外的污染物浓度紧密相关。研究以南京市地下商业街开发为背景，相关天气情况参数见后文。地下商业街开发强度（Intensity）关系着污染物排放源强的计算，在研究中考虑地下商业街开发一层、二层和三层，共三种情况；排风竖井的位置也就是污染源的位置，其布局关系着室外污染物的扩散，研究主要考虑竖井排风口的位置（Location）和高度（Height）的不同对室外CO扩散的影响。排风口的位置假定有集中排放和分散排放两种情况；根据基本模型单元20m×200m=4000m2的街道面积，按照每2000m2一个防火单元需要一套排风系统的规范要求，则每条地下商业街开发需要2套排风系统，则需有2个排风竖井，也就是2个污染点源。排风口的排放高度考虑2m、5m、8m三种工况。地面绿化均只考虑单一植物配置，主要考虑横向乔木（Transverse Tree）、竖向乔木（Vertical Tree）、大灌木（Big Shrub）、小灌木（Small Shrub）和草坪（Grass）五种地面绿化情况。此外，研究暂不考虑地下商业街开发强度对地面城市形态的影响。

对每种方案进行编号，以便统计分析。第1位编号W表示围合式城市形态；第2位编号I表示地下商业街开发强度，I1是开发一层，I2是开发二层，I3是开发三层；第3位编号H表示竖井高度，H：表示排风竖井高度2m，Hs表示排风竖井高度Sm，H8表示排风竖井高度8m；第4位编号L表示排风竖井位置，Li表示排风竖井集中布置，L2表示排风竖井分散布置；第5位编号表示地面绿化，TT表示横向乔木，VT表示竖向乔木，BS表示大灌木，SS表示小灌木，G表示草。比如W-12-Hs-L2-TT表示围合式城市形态，地下商业街开发二层，排风口分散布置，竖井高度为5m，地面绿化为横向乔木。方案模型概念图，见图2。

2.2.3模拟设置

2.2.3.1软件选择

研究选用德国波鸿大学Bruse和Fleer教授一起开发微气候模拟软件ENVI-met4.0，来模拟地下商业街开发对室外微气候的影响，并根据模拟结果探索基于室外微气候的地下商业街开发策略。该软件主要用于模拟构筑物一植大气三者之间的热应力关系，不仅可以模拟分析绿化对室外热环境、人体热舒适的影响，也可以模拟空气污染物扩散，已经广泛应用于世界不同地区不同尺度的微气候研究中，适用性和准确性已在前期研究中进行了校验。

2.2.3.2源强设置

根据室内空气质量标准（GBT 18883 - 2002），地下商业街内CO的浓度限值为5mg/m3，考虑最不利情况，将5 mg/m3作为地下商业街CO排放到室外的初始浓度。假定地下商业街每层开发深度为5.1m，则开发一层每个排风竖井的排风量：2000m2x5.1mx6ACH=61200m3/h;源强E=5mg/m3×61200m3/h=306000mg/h即85000ug/s。相应的，当地下商业街开发两层、三层时，源强分别为E=170000ug/s、255000ug/s。

2.2.3.3模拟参数

研究主要分析地下商业街早上10：00至晚上22：00营业时间中，排放到室外的CO浓度变化。采用南京夏季典型气象日数据作为模拟的初始条件，其中风速为2.4m/s，风向为157.5°，原始大气温度为294.95K，室外大气压为100250Pa，相对湿度为80%；建筑材质为混凝土；模拟网格数量为100x100x30（XxYxZ），网格步长为2x2x7.5（XxYxZ）；植物配置的相关信息中，小灌木尺寸为1mx1mx1m（LxWxH），大灌木尺寸为3m×3mx2m（LxWxH），横向乔木尺寸为7m×7mx6m（LxW xH），竖向乔木尺寸为5mx5mx10m（LxWxH）。污染源的尺寸为2mx2m，污染源的高度分为2m，5m，8m，源强分别为85000ug/s， 170000ug/s， 255000 ug/so

此研究主要关注室外地上1.5 m行人高度的CO浓度变化，所以随着地下商业街开发强度的增加，污染源强变大，室外1.5 m的CO浓度将呈上升趋势；同时，随着竖井排风口高度由2m到5m、8m的增加，室外1.5m的CO浓度将呈下降趋势。为节约篇幅，文章主要分析排风竖井位置变化和地面绿化对室外空气质量的影响。

3模拟分析与讨论

3.1竖井位置对空气质量的影响

如图3所示不同排风竖井布置对室外CO浓度的影响（中午12：00）。对比发现，排风竖井集中布置和分散布置下的室外CO浓度均未超过10mg/m3，但是，排风竖井集中布置时，局部CO浓度略高于排风竖井分散布置。

如图4所示不同排风竖井位置下室外CO浓度超过10mg/m3的污染面积。通过数据对比发现，相比排风竖井集中布置，排风竖井分散布置时，室外CO浓度超过10mg/m3的范围明显降低，说明对于围合式城市形态而言，排风竖井分散布置有利于降低室外CO浓度。

3.2地面绿化对空气质量的影响

如图5所示不同地面绿化对室外CO浓度的影响（中午12：00）。分析发现．仅有地面绿化为大灌木时，室外CO浓度未出现超过10mg/m3;地面绿化为草和小灌木时的污染面积明显小于地面绿化为横向乔木和竖向乔木分的污染面积。

如图6所示不同地面绿化下室外CO浓度超过10mg/m3的污染面积。对比发现，当地面绿化为横向乔木或竖向乔木时，室外CO浓度超过10 mg/m3的污染面积分别累计达到3136m2和2964m2，这主要是因为高大乔木不利于气流的传播，阻碍了CO的扩散，造成局部CO浓度过高，容易造成空气污染。当地面绿化为小灌木或大灌木时，超过10mg/m3的区域面积仅为1060m2和852m2；当地面绿化为草时，室外CO浓度超过10mg/m3的区域面积累计达到772m2。这说明对于围合式城市形态下地下商业街开发，地面绿化布置草或者大灌木能够减少对室外微气候的污染。

4结论

文章分析了地下空间开发对城市微气候的影响机理，选择围合式城市形态下的地下商业街开发，以室外CO浓度为评价指标，定量评价了地下商业街开发强度、竖井排风位置、竖井排风高度以及不同地面绿化等设计因素对室外CO浓度的影响，并以此探索基于城市微气候的地下商业街设计策略。得出以下结论：随着地下商业街开发强度的增加，对外排放的CO浓度变高，污染范围变大；提高竖井排风高度，竖井排风选择分散布置，在地下商业街开发区域地面种植草或者大灌木，能够降低室外CO浓度，改善室外微气候。