基于熱環境模擬的生態園區規劃研究

付維綱， 姜 濤， 劉 俊， 周 強

(中鐵第四勘察設計院集團有限責任公司， 武漢 430063)

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付維綱， 姜 濤*， 劉 俊， 周 強

(中鐵第四勘察設計院集團有限責任公司， 武漢 430063)

以蘇州地區生態園區為研究對象，分析園區熱島效應的影響因素以及與規劃相關的元素，利用CFD技術對現狀及規劃狀況下的園區熱環境進行模擬研究，得到不同方案下溫度場、速度場及空氣齡場等計算結果，對比分析，發現通過規劃生態廊道、控制建筑密度及高度、提高喬木覆蓋率及推廣屋面綠化等手段，可以有效緩解熱島效應，提高園區舒適度.同時也為生態規劃設計提供了一種新的思路.

熱島效應； 生態廊道； 建筑布局； 綠化效應； 生態規劃

隨著城市化進程的加快，以及人們對城市人居環境要求的提高，熱島效應已經成為人們關注的焦點.在大力提倡節能減排、低碳發展的今天，有效緩解熱島效應，不僅可以改善城市人居環境，并且還能有效減少夏季空調的使用，有利于節能與環保[1-3].

生態園區作為城市的重要組成部分，直接影響著整個城市的熱島效應，其熱環境亦不容忽視.本文將從微觀層面以生態園區作為研究對象，模擬預測各種規劃方案下其熱環境，并提出合理規劃方案及優化建議，對緩解熱島效應具有重要意義，也是生態規劃技術方法的創新探索.

1 熱島效應與園區規劃

1.1 熱島效應以及與園區規劃相關元素

熱島效應是指一個地區的氣溫高于周圍地區的現象[4-5].氣候因素、太陽輻射、城市下墊面、綠地與水體及人為釋熱是其主要影響因素[6].結合園區實際規劃過程，著重分析生態廊道、建筑布局及綠化效應3個重要元素.

1.1.1 生態廊道 風為流動的氣流，在遇到地面構筑物、綠樹及山嶺等凸起物時由于地面的粗糙阻力，影響了氣流速度及質量.生態廊道類似“峽谷”，起到“風道”的作用，可以有效避免地表粗糙所造成損失，以改善市區密集地帶的空氣流動質量，利用通風帶走多余的熱量“堆積”，從而達到“通風降溫”的效果[7].

1.1.2 建筑布局 建筑物對氣流具有阻擋作用，影響氣流在城市的流通，不利于熱量的擴散.在生態規劃過程中，控制建筑物的高度及密度.尤其是在城市的迎風面，不應布置高大或高密度建筑物，以避免其對氣流的阻擋而導致大量熱量和溫室氣體滯留.

1.1.3 綠化效應 綠化對太陽輻射有較好的反射與吸收，葉面對水分的蒸騰作用帶走了熱量并增加了周圍區域的空氣濕度[8].傳統的綠化率往往只反映了地面或平面的綠化程度.在園區生態環境規劃設計中，將建筑立面及屋頂綠化的作用均衡量在內，這樣能比較完整的體現出綠化對于減少建筑受熱及緩解熱島效應的能力.

1.2 研究內容

本文將以蘇州地區生態園區為研究對象，分析園區熱島效應的影響因素以及與規劃相關的元素，著重選取生態廊道、建筑布局及綠化效應等3個元素，并結合園區現狀及規劃狀況，利用CFD技術對其熱環境進行模擬，得到不同方案下的溫度場、速度場及空氣齡場等計算結果，對比分析，提出有效合理的規劃方案及優化建議，為園區生態規劃提供可借鑒的依據.

2 構建模型及設置邊界條件

2.1 建立模型

2.1.1 園區地塊分級 將園區以主要街道、河流等各種條件為界限，分為不同的區域地塊.考慮到不同區域的建筑密度、容積率、人口毛密度及綠化程度等因素組成的CFD數字模型在模擬仿真計算過程中呈現出的不同特性，將整個研究區域內分為5個等級(如表1)[9].

表1 城市分級表

2.1.2 建立模型 根據街道布局、建筑外形、水體面積及綠化布置等建立CFD物理模型(如圖1).

圖1 生態園區三維CFD物理模型Fig.1 Three-dimensional CFD physical model of the ecological park

2.2 設置邊界條件

2.2.1 模擬初始邊界條件設置 不同級別地塊設置不同初始溫度，不同級地塊設置不同材質：在創建的CFD物理模型中，不同級別的地塊模型，根據不同區域受到太陽輻射和風大小影響的實際情況，綜合考慮其他影響因素，取各參數在本地塊上的平均值.對于一級、二級的低級別區域，由于其受太陽輻射和風影響相對小，模型采用空心，材質為磚；對于三級、四級和五級地塊模型，由于其受太陽輻射和風影響影響大，模型則采用實體的水泥材質.

2.1.2 模擬氣候邊界條件設置 設置大氣邊界層，蘇州地區夏季南風為主導風向，平均風速3.4 m/s，平均溫度31.3℃，考慮太陽輻射影響.

3 模擬結果及分析

3.1 生態廊道

在園區生態規劃設計過程中，設置與夏季主導風向一致的生態廊道(如圖2).模擬結果表明(如圖3～4)：設置生態廊道后，園區內平均風速為1.80 m/s，空氣齡為25 s，有良好的通風換氣效果；溫度場亦有所較大改善(如圖5)，最高溫度由原來的45℃減少為42℃，并且大部分區域也有之前的39℃降低為37.5℃.生態廊道可以起到通風降溫效果，有效緩解了熱島效應，提高了園區熱舒適度.

圖2 生態廊道示意圖Fig.2 Ecological corridor

圖3 速度矢量分布圖Fig.3 Velocity vector distribution

圖4 空氣齡場分布圖Fig.4 Age of air distribution

圖5 溫度場分布對比圖Fig.5 Comparison of the temperature field distribution

3.2 建筑布局

建筑物對氣流具有阻擋作用，影響氣流在城市的流通，不利于熱量的驅散.在生態規劃過程中，可以通過城市設計的手段對城市建筑高度和建筑密度的分布進行合理引導，在不影響城市用地布局及土地開發經濟性的情況下，盡可能滿足建筑高度和建筑密度從順著主導風向逐漸增加的趨勢.模擬結果如圖6顯示：在減少建筑密度之后，園區的溫度均在37.8℃左右，相對于原來的39℃溫度有所降低.其中最高溫度為42.5℃，相對于原來的45℃降低了2.5℃左右；在減少建筑高度之后，科教創新區域的溫度均在38℃左右，相對于原來的39℃溫度有所降低.其中最高溫度為42.5℃，相對于原來的45℃降低了2.5℃左右.熱島效均已有所改善.

3.3 綠化效應

城市規劃設計可以通過綠地布局、綠化配置以及綠地率等手段控制城市綠地的數量、質量及分布，從而起到調節城市微氣候的作用，緩解熱島效應.目前園區現狀綠化建設水平為：人均公共綠地10.6 m2、建成區綠化覆蓋率45%，高于《國家生態園林城市》標準，完全滿足生態園林城市的要求.增加綠地面積有利于緩解城市熱島效應，但是如果在現有的高標準綠化基礎上繼續提高，一方面不利于土地的集約利用，另一方面對于土地資源緊缺的蘇州地區而言，并不現實.因此，結合園區的實際情況，模擬研究在同樣綠地面積情況下，提高喬木覆蓋率及實施屋頂綠化對城市熱島效應的影響.本文選取月亮灣地塊進行模擬，分3種方案進行分析.各方案的情景設置如表2.

表2 模擬情景設置

模擬結果(如圖7)顯示：提高喬木覆蓋率能有效降低高密度高強度建設區的局部熱島效應；屋頂綠化作為常規地面綠化的重要補充方式，同樣具有良好的生態效益，并且可以改善用地緊張的矛盾，有利于城市景觀的美化設計.

圖7 綠化效應模擬結果對比圖Fig.7 Comparison of the greening effect simulation results

4 結論及建議

熱島效應的形成給城市規劃工作提出了新的挑戰.為了建立人與自然協調持續發展的宜居環境，如何消除熱島效應是城市規劃者應考慮的一個重要內容.

(1)利用CFD技術模擬熱島效應，預測園區熱環境，得到園區溫度場、速度場及空氣齡場等計算結果，可以為園區生態規劃提供可借鑒的依據.

(2)規劃生態廊道，設置與主導風向一致的生態廊道，可以加強園區內通風換氣效果，改善密集區域空氣質量，驅散過多的熱量“堆積”，可以有效緩解熱島效應，提高園區內空氣品質.

(3)優化建筑布局，控制建筑密度及高度，盡可能滿足建筑高度及密度從順著主導風向逐漸增加的趨勢，可以有效改善熱島效應，提高園區的熱舒適度.

(4)強化綠化效應，提高喬木覆蓋率、推廣屋面綠化，可以有效緩解熱島效應，調節城市微氣候，改善用地緊張的矛盾，同時也有利于城市景觀的美化設計.

[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] 文遠高， 連之偉. 氣候變暖對建筑能耗的影響[J].建筑熱能通風空調， 2003， 3:37-38．

[3] 黃勇波. 城市熱島效應分析及其對建筑空調采暖能耗影響的研究[D].天津:天津大學， 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] 蘇振華， 何報寅， 丁 超， 等. 基于遙感分析土地利用變化對武漢城市熱島的影響[J].華中師范大學學報：自然科學版， 2015， 49(1):139-146．

[6] 張 輝. 氣候環境影響下的城市熱環境模擬研究[D].武漢:華中科技大學， 2006:15．

[7] 李 鹍， 余 莊. 基于氣候調節的城市通風道探析[J].自然資源學報， 2006， 21(6): 991-997．

[8] 柳孝圖， 陳恩水， 余德敏， 等. 城市熱環境及其微熱環境的改善[J].環境科學， 1997， 18(1):54-58，95．

[9] 張 輝. 氣候環境影響下的城市熱環境模擬研究[D].武漢:華中科技大學， 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.

鐵道部科技研究開發計劃項目(2007G045-E).

1000-1190(2015)03-0465-05

X321;TU985.11

A

*通訊聯系人. E-mail: jiangtaohust@126.com.