面向濕熱環境的居住區氣候適應性設計技術研究

文/廣州市城市規劃勘測設計研究院 聶危蕭

0 引言

在全球變暖與城市熱島效應的疊加影響下，城市微氣候環境與人類居住需求逐漸脫節，成為建設宜居城市與健康城市的掣肘。居住區是居民使用時間最長的生活場所，良好的物理環境是提高居民活動意愿、增強居住區活力的物質前提。居住區微氣候環境雖無法脫離區域自然氣候環境，但表面材質、建筑布局、空間形態等人工環境屬性卻深刻影響居住區的局地環流和熱力傳輸交換。通過精細化的規劃設計適應自然氣候變化，融合氣候與城市治理手段，提升住區氣候舒適性，改善居民生活環境質量與空間品質，成為居住區規劃的重要課題。

廣州市是全球亞熱帶地區人口與經濟活動最集中、規模最大的城市之一，通風散熱難度大，城市熱島問題嚴重，屬于典型“夏熱冬暖”地區。當地氣候舒適性較差，全年僅21.9%的時間適合在開敞戶外空間活動。“通風、散熱”是最適合廣州濕熱環境的被動式設計策略，可有效改善城市的熱舒適環境[1]。針對廣州濕熱環境開展氣候適應性設計研究將從傳統制冷工業單一視角向城市綜合視角轉變，探尋更高效、可持續的微氣候舒適性提升方案。

1 氣候適應性設計的研究進展

規劃設計中的氣候適應性思想最初起源于以阿爾托等為代表的地方主義思想，主張設計應結合地理、氣候及文化因素，且在建筑設計方面率先發展，形成較成熟的生物氣候建筑設計理念。其他類似概念，如氣候設計、氣候適應設計、氣候敏感設計、氣候意識設計及被動式設計等，皆是對利用氣候資源實現節能建筑設計的概括性描述，其核心理念一致。20世紀90年代，GIVONI B[2]將此研究拓展到城市設計領域，其著作《建筑和城市設計中的氣候考慮》系統分析氣候成因及城市、建筑影響因素，并針對不同氣候區域提出建筑及城市設計策略。隨后，在適應地域氣候的城市規劃設計領域，不斷有學者將建筑學氣候設計理念嫁接到城市規劃設計領域，積極探索適應氣候影響的城市規劃設計對策，以創造生態宜居的城市空間環境。如ERELL E[3]在探討氣候學家和城市規劃師之間的關系后，設計氣候意識性城市規劃的方法框架，在規劃過程中應用氣候知識，說明其目標及局限性。MILLSA G等[4]提出基于氣候規劃，提升城市氣候觀察手段和數據，加強對地方、區域和全球氣候之間聯系的理解，以開發實際規劃應用，向氣象工作者和城市決策者傳播城市氣候知識和規劃知識。

眾多學者針對特定氣候類型，在適應不同地域氣候環境策略方面提出針對性的規劃設計框架，如EMMANUEL R[5]詳細分析熱帶地區氣候敏感性規劃策略及交通規劃指引。THANI S等[6]等以溫熱氣候為例，從局地和微觀尺度探討通過景觀設計改善城市熱舒適度的方法。冷紅等[7]在氣候城市設計框架下，以寒地城市為例，在分析氣候因素對城市規劃設計影響的基礎上，從宏觀、中觀和微觀3個層面剖析不同階段的氣候城市設計對策。徐小東等[8]提出基于生物氣候條件的綠色城市設計概念，分別針對冬冷夏熱地區、濕熱地區、干熱地區，通過生物氣候要素、自然要素和人工要素的整合，形成適應不同規模尺度和氣候條件的城市設計策略。

2 廣州市南沙區府前花園小區的氣候適應性設計

以廣州市南沙區府前花園小區為研究對象，小區位于南沙區豐澤西路與鳳凰大道交界處，蕉門水道北部、蕉門河西側。地塊南面、西面、北面均為非建設用地。府前花園規劃用地面積約13.5hm2，屬于典型的住宅小區；規劃容積率約2.0，建筑密度約25%，綠地率約30%，建筑以中高層為主，平均住宅層數為15層，是我國新建住宅小區的典型代表。

2.1 情景方案模擬

2.1.1 模擬方法

針對廣州濕熱地區特點，參照JGJ 286—2013《城市居住區熱環境設計標準》，選用CTTC模型進行模擬試驗。CTTC參數模型是建立在熱平衡基礎上，使用建筑群熱時間常數方法計算局部建筑環境的空氣溫度隨外界熱量擾動變化情況，并對平均氣溫、平均熱島強度、最高WGBT指標進行綜合評價。WBGT指數即濕球黑球溫度，是綜合評價人體接觸作業環境熱負荷的基本參量，由黑球、自然濕球、干球3部分溫度構成，綜合考慮空氣溫度、風速、空氣濕度和輻射熱4個因素。

2.1.2 情景設置

按容積率2.0、建筑密度30%、綠地率30%的規劃設計條件，設計條狀組團布局、建筑高度均高、不架空、30%綠地率、2棵喬木/100m2綠地的基準模型。在保持容積率2.0不變的情況下，從建筑布局方式、架空情況、綠化情況、喬木配植和建筑高度5個方面入手構建規劃情景方案（見表1，圖1）。

表1 規劃情景方案參數

圖1 規劃情景方案

2.1.3 結果分析

條狀組團式布局較點式組團式布局更有利于改善氣候舒適性。方案1條狀組團式布局較方案2點式組團式布局全天平均氣溫更低，平均熱島強度低，WBGT值低。條狀組團布局更加圍合，使太陽輻射入射量小于點式組團布局，導致氣溫較點式布局低。

南低北高的建筑高度布局并未明顯改善小區氣候舒適性。在建筑密度、容積率不變情況下，方案c南低北高建筑布局情景的熱島強度、WBGT值高于方案a的均高建筑布局情景。南低北高的建筑高度布置使住區南側更開敞，太陽輻射入射量大于均高建筑布局，導致氣溫較高于方案a均高布局。建筑高度對住區內總體熱環境的影響還需更多理論、試驗及數值模擬討論。

建筑首層架空有利于改善氣候舒適性。在建筑密度、容積率不變情況下，方案d首層架空建筑情景下熱島強度、WBGT值低于不架空建筑情景。建筑底部架空可引進新風，改善建筑底部風環境，對于南方濕熱氣候具有良好適應性，尤其對人體活動范圍而言（即高1.5m的水平面）具有改善作用。

增加小區綠地率可改善小區內的氣候舒適性。在建筑密度、容積率不變情況下，方案e綠地率40%規劃情景的熱島強度、WBGT值低于方案a綠地率30%規劃情景。綠地可吸收太陽輻射，所吸收的輻射能量大部分用于植物蒸騰及光合作用。綠地中的園林植物通過蒸騰作用，不斷從環境中吸收熱量，降低空氣溫度。

增加小區單位面積的喬木數量可改善小區內的氣候舒適性。在建筑密度、容積率不變情況下，方案f較方案a全天平均氣溫低，平均熱島強度低，WBGT值高。喬木熱容更大，升溫速度較慢，在日間可起到穩定小氣候作用；喬木的葉面積指數較大，可有效減少太陽輻射對地表照射，減少熱輸入，從而降低熱島效應；喬木蒸騰作用更強，不斷從環境中吸收熱量，可降低空氣溫度。

通過對6組規劃情景的熱環境模擬分析，優化方案采用條狀組團的建筑布局形式，首層架空設計，40%綠地率，4.3棵喬木/100m2綠地，并結合盛行風向，在小區內部規劃“東南-西北”的通風廊道。

3 結語

建立“模擬—設計”居住區氣候適應性設計技術體系，針對廣州濕熱環境，以南沙區典型新建居住小區為例，通過CTTC模型對情景方案進行模擬，從場地設計、建設布局與設計、住區外環境設計等層面集成居住區氣候適應性設計技術，形成居住區氣候適應性設計優化方案。