居住小區室外活動空間微氣候差異及其適宜性等級劃分

■ 姜之點 JIANG Zhidian 楊 峰 YANG Feng 陳虹屹 CHEN Hongyi

0 引言

隨著城市化進程逐漸轉向存量更新，住區規劃設計日益強調環境舒適、空間適宜，加之不同群體存在舒適度感知差異，針對“全齡化”的室外環境設計備受關注[1]。由于居住小區內部的建筑遮陰和局部通風會影響冷熱源交換和多重輻射過程，進而引起人體熱感覺差異[2]，因此，定量評價小區室外活動空間微氣候差異并確定室外活動空間適宜性，有助于室外活動設施的空間落位，合理分配各群體最佳活動空間范圍。這也是從中小尺度解決宏觀城市問題的重要一環。

關于室外微氣候，國家相關標準對其溫度、風速風壓、建筑材料、迎風面積比、綠化率等指標進行了規定。其中：《城市居住區熱環境設計規范》（JGJ 286—2013）[3]規定了逐時濕球黑球溫度≤33 ℃、平均熱島強度≤1.5 ℃和不同氣候區的平均迎風面積比；《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378—2019）[4]明確了建筑陰影區外綠化遮陰占比、道路與屋面反射系數范圍和不同室外空間風速風壓上限；《綠色生態城區評價標準》（GB/T 51255—2017）[5]將熱島強度≤3.0 ℃（或≤2.5 ℃）以及開敞空間和通風廊道的連續性作為評分項；《民用建筑綠色設計規范》（JGJ/T 229—2010）[6]同樣規定了綠化遮陰、建筑和道路反射率以及場地通風條件。另外，一些地方性標準規范提出，將屋頂綠化和垂直綠化用于室外環境補償性或激勵性指標?？梢钥闯?，既有規范多針對室外客觀環境進行上下限值約束，并未充分體現地域性差異，部分定性描述難以精準指導實際項目。

舒適度指標可綜合考慮環境因子與人群生理感受，量化評價人體舒適程度。然而，相關實測研究多關注特定點[7]或線性[8]舒適度和熱感覺差異，模擬研究則通常評估單個案例舒適度局部空間變化[9]或多場景之間的整體水平[10]；鮮有研究對小區室外活動空間進行類型化區分和量化比較。

本文將以重慶市為例，基于城市矢量數據提取3 個典型居住小區類型，開展室外微氣候和人體舒適度模擬，對不同室外活動空間的微氣候和舒適度的時空差異進行量化分析。

1 研究樣本選擇

1.1 提取典型城市形態

重慶市位于長江上游，其中心城區建成面積約745 km2，常住人口約1 034 萬[11]。借助百度地圖端口（API）、OpenStreetMap、BIGEMAP等公開數據平臺，獲取重慶市中心城區現狀路網、建筑邊界、建筑層數、屬性等矢量數據；進而統計居住小區地塊尺寸、建筑尺寸及街道交叉口距離，得到重慶市平均地塊規模和建筑體量特征。經統計：中心城區內6 378 個地塊的平均面積為42 865 m2、平均周長為737 m，長寬比約為1，道路交叉口平均距離 為184 m；137 912 棟 建 筑 的 平均基底面積為644 m2、平均周長為101 m，長寬比集中在1/2～1/3；單棟建筑平均高度（以層高3 m 估算）約23 m，且50%的高度值分布在10～55 m（圖1）。

圖1 中心城區內居住地塊、建筑單體形態參數分布

基于現狀統計及相關規范[3]、規定[12]，提取低層行列式、中層點式和高層點式作為重慶市典型居住小區類型。建立理想化模型：①將地塊尺寸統一近似為200 m×200 m，建筑尺寸（高度）則分別為48 m×12 m（12 m）、30 m×16 m（27 m）和40 m×26 m（54 m）；②設置建筑退讓范圍為4～15 m，建筑間距為15～42 m，山墻距離為15 m；③在組團內部設置相同面積的集中綠地。在此基礎上，統計每個地塊的建筑密度、高寬比、天空視域系數、容積率和綠地率等指標（表1）。

表1 理想化居住小區模型及形態指標

1.2 室外空間劃分

為量化描述居住小區微氣候和舒適度空間分異現象，依據下墊面類型，將室外活動空間劃分為中心廣場（S1）、中心綠地（S2）、宅間綠地（S3）和山墻空間（S4）；為細化受邊界效應影響較大的小區入口空間，分設南側入口（S5）和北側入口（S6）。在各室外活動空間的中心開敞區域布置監測點，以獲取近地面逐時氣象數據；同時，為量化比較不同室外空間對氣象因素的響應范圍，統計各典型小區室外活動空間分析區域的面積（表2）。

表2 居住小區室外活動空間劃分及其面積

2 研究方法

2.1 模型選擇

借 助ENVI-met 和RayMan 軟件開展室外微氣候和人體舒適度模擬。ENVI-met 是德國美因茨大學Bruse 團隊[13]開發的三維動態微氣候模型軟件，主要基于流體力學和熱力學原理，模擬城市建筑、植被、大氣三者間的相互關系；RayMan 則是德國弗萊堡大學Matzarakis 團隊[14]于2007年開發的熱環境評估模型軟件，主要考慮背景氣象因子和人體生理參數計算室外舒適度指標。其中，生理等效溫度（PET）表示人體體表溫度和體內溫度達到與典型室內環境同等熱狀態所對應的理想環境溫度，可劃分為9 個等級的人體舒適度范圍[15]（表3）。其因綜合考慮輻射、風、熱（溫/濕度）等氣象參數和年齡、代謝、穿衣指數等生理參數，被廣泛應用于不同氣候室外熱舒適度評價及微氣候研究中[16]。

表3 PET 范圍對應的熱感覺和生理應激等級

2.2 模型誤差

ENVI-met 模型敏感性及結果有效性已在全球多地得到檢驗。相比同類模型，ENVI-met 的氣象參數擬合度最高，植物傳熱過程最優[17]。Tsoka[18]曾基于52 個驗證案例總結，得到大氣溫度的均方根誤差（RMSE）范 圍 為0.52～4.30 ℃，R2范 圍 為0.40～0.98；而針對重慶所屬夏熱冬冷地區的驗證結果顯示，大氣溫度的RMSE 范圍為0.81～1.95℃，R2約為0.93[19-20]。這些研究均證實ENVI–met 模型具有合理的敏感性和穩定性，其誤差主要與邊界條件、建模尺度和網格精度的設置，下墊面多重輻射反射，人為熱釋放，以及土壤橫向熱傳遞等模型本身的不準確性有關。

2.3 模型設置

3 個典型小區模型統一設置為南北朝向。每個模擬場景設置200 m× 200 m 矩 形 地 塊，排 布2 m×2 m網格；縱向網格數依據建筑高度分別 設 置 為20、35、50 個，分 辨 率為2 m。基于中國標準氣象數據集（CSWD），選擇夏至日（6 月23日）和冬至日（12 月21 日）0:00—24:00 的氣象數據作為背景參數。重慶屬夏熱冬冷熱工區，日平均氣溫在8.7（12 月）～31.4℃（8 月）之間；全年風速較低，約0.9～2.1 m/s，夏冬兩季主導風向分別為東南風和西北風；年日照時數約1 180 h。借助國家地面氣象站數據獲取平均云量，同時參照城市地理位置和輻射調整系數（0.7），生成逐時太陽輻射。初始土壤溫濕度和植被屬性均參照同類氣候區設置[19]，建筑參數滿足當地設計要求[12,21]。此外，為全面反映不同人群的PET差異，分別參照普通成年人、老年人和兒童體質特征[22]，設置年齡、體重、身高和新陳代謝等屬性。模型主要輸入參數及取值見表4。

表4 模型主要輸入參數及取值

2.4 數據處理和分級原則

借助ENVI-met 獲取具有空間屬性的近地面（1.5 m）大氣溫度、濕度、風速和平均輻射溫度，并剔除建筑所占網格數據；將逐時氣象數據和不同人群生理參數輸入舒適度模型RayMan，生成PET文本文件（.txt）；導入ArcGIS，轉換為網格點數據（.shp）；疊加矢量邊界，統計6 類室外活動空間上述各參數的平均值。

本研究中，居民出行時段按日出后1 h—日落后1 h 計，即：夏季6:00—20:00（15 h）、冬 季8:00—18:00（11 h）。綜合考慮居民出行時段的頻率特征[23]，匯總該時段內不同熱感覺等級的累積時長，并連接至對應的平面空間。在此基礎上，依據夏冬兩季PET范圍，以舒適感覺累積時長為閾值[24]，劃分出3 類（適宜、較適宜和不適宜）室外活動空間適宜性等級（表5）。

表5 室外活動空間適宜性等級劃分

3 結果分析

3.1 室外空間微氣候差異

3.1.1 溫度時空差異

如圖2 所顯示，各典型小區室外活動空間大氣溫度均呈現夏季白天差異大、夜晚差異小，冬季白天差異小、夜晚差異大的日變化規律。夏季，6 類室外活動空間均于9:00 逐漸出現溫度差異，并隨時間推移不斷增大，并在14:00 前后達到最大（0.9～1.1℃），之后則迅速減弱；而在20:00 以后至次日清晨，各室外空間保持較小差異，普遍在0.5℃以下。冬季，各典型小區的溫度日變化規律與夏季基本一致，但植被呼吸作用放熱更為顯著，致使各室外空間夜晚溫差（0.4～0.9℃）較白天（0.1～0.4℃）更大。由于熱效應的累積作用和滯后性，冬季各室外空間溫度差異出現時刻較夏季延時1～2 h，結束時刻則比夏季提前約1 h，但均在14:00 存在較大差異。因此，將14:00 作為典型時刻來分析后續溫度差異的空間分布特征。

圖2 夏冬兩季溫度逐時變化規律

（1）由圖3 可以看出，室外空間的溫度差異受建筑物陰影和綠化面積影響較大。夏季，植被產生的涼爽空氣沿入流風向東南擴散，在地塊西南側形成“冷島區”；且在平均1.7 m/s 的背景風速下，冷空氣可擴散至下風向10～30 m。冬季，主導風向置換，冷空氣多集中在地塊東南側，最低氣溫通常出現在建筑山墻或建筑南側風影區。其中，高層點式地塊具有最大建筑陰影面積，平均溫度最低（31.4℃）；其較大開敞空間更有利于風場發展，空氣傳播速度更快，不同室外空間溫度差異最?。?.9℃）。

圖3 夏冬兩季14:00 溫度平面空間（1.5 m 高）分布特征

（2）圖4 反映了各典型小區不同室外活動空間在夏冬兩季14:00 時的溫度差異。夏季，S1 平均溫度最低（31.4℃），而S5 平均溫度最高（32.3℃）；其他4 類空間的平均溫度則集中在31.6～31.9℃。由于溫度較低區域更易產生集聚效應，S1 均低于該小區平均溫度，而S5 均高于該小區類型平均溫度；其他4 類空間的溫度分布相近，且61%～82%區域低于該小區平均溫度。冬季，S4 和S1 的平均溫度較低（10.5～10.8℃），且幾乎所有區域均低于該小區平均溫度；而位于地塊外圍的S5 和S6 平均溫度較高（10.7～11.1℃），其中高于該小區平均溫度的區域占50%以上；S2 和S3 則 有12%～47% 的 區域高于該小區平均溫度。

圖4 夏冬兩季14:00 室外活動空間溫度差異

3.1.2 風速時空差異

由圖5 可以看出，各典型小區的風速逐時變化規律并不顯著，全天均較為平緩，表現為：白天冷、暖氣壓減小，正午時段風速小幅降低；而夜晚湍流交換明顯增加，風速稍有提升。低層行列式、中層點式、高層點式場地內，夏季14:00 的平均風速分別為1.0、1.1、1.2 m/s，全天風速差異均在0.2 m/s 上下波動；冬季則分別為0.6、0.7、0.9 m/s，全天風速變化幅度不超過0.1 m/s。其中，高層點式地塊密度低、迎風面積小，更有利于延長湍流傳輸，因而風速更大。另外，室外活動空間風速受迎風面積和入流方向影響較大，夏冬兩季各典型小區均呈現出S4 平均風速最大、S2 平均風速最小的情況。

圖5 夏冬兩季14:00 室外活動空間風速差異

3.2 室外空間舒適度評價

3.2.1 舒適度時空差異

圖6 反映了夏冬兩季PET的逐時變化規律：夏季0:00—6:00，各典型小區的PET均值在22.3℃左右（舒適）；18:00—24:00 時，PET均值在27.5℃左右（稍暖）。兩個時段內，PET曲線均隨時間推移而減小。10:00前后，部分室外活動空間突降，這是由于太陽高度角變化，開敞區域逐漸受到建筑陰影遮擋；從12:00 開始，開敞空間接受太陽直射，PET回升；15:00 前后，PET達到峰值（極熱），并持續約2 h。冬季PET變化與夏季相似，但拐點時刻在早、晚分別延后和提前約1～2 h。

圖6 夏冬兩季PET 逐時變化規律

地塊內PET空間分布特征與輻射環境一致，均顯示夏季建筑陰影側和冬季建筑南側日照區域舒適度最高；此外風影區湍流速度較小，夏冬兩季均存在一定高溫區域（圖7）。低層行列式、中層點式和高層點式場地內人行高度1.5 m 處，夏季14:00的PET范圍分別為31.4～49.0 ℃、30.6～47.6℃、29.9～46.4℃；冬季則分別為10.3～28.5℃、9.8～27.7℃、9.3～27.2℃。

圖7 夏冬兩季14:00 PET 平面空間（1.5 m 高）分布特征

3.2.2 不同人群室外舒適度差異

以低層行列式地塊為例，比較不同人群室外舒適度差異。老年人和兒童的PET逐時變化規律與普通成年人相似，熱感覺等級基本一致。夏季，白天時段僅在S3 和S5 存在明顯的人群差異，老年人和兒童較普通成年人極熱感覺出現時刻提前約1 h，且正午時段的PET峰值高0.3～0.9℃；夜晚時段，老幼群體僅在S4 較普通成年人PET更低，但熱感覺等級并無差異。冬季與夏季類似，在同一室外活動空間中，老年人和兒童更易產生偏冷感覺。

老年人和兒童14:00 時的PET空間分布特征與普通成年人相差較小，僅在風場變化快的建筑與入流方向相切處差異較大。居住小區范圍內，難以捕捉不同人群的熱感覺等級差異，但仍表現出普通成年人PET范圍最?。ㄏ募?1.4～49.0℃、冬季10.31～28.53℃），老年人PET范圍其次（夏季31.4～49.1 ℃、冬季9.85～28.50 ℃）， 兒 童PET范圍最高（夏季31.3～49.2 ℃、冬季10.12～28.58℃），即：普通成年人對室外熱環境的適應性最強，敏感性較弱；兒童的適應性最差，對室外環境變化更為敏感。

在建筑陰影空間和風速較大區域，老幼群體室外舒適度低于普通成年人。從圖8 可以看出：夏季，S4和S6 中不同人群PET差異較大，而其他4 類空間中差異較??；冬季，不同人群PET差異更大，但仍未體現出熱感覺等級差異。

圖8 夏冬兩季14:00 室外活動空間PET 人群差異

3.3 室外活動空間的適宜性分類

3.3.1PET熱感覺等級累積時長

圖9 顯示了各典型小區不同室外活動空間白天主要活動時段（夏季6:00—20:00、冬季8:00—18:00）PET熱感覺等級的累積時長。夏季，室外活動空間的舒適和稍暖感覺均在4～7 h，相差較??；S1 和S5 的極熱感覺時長最長（約7 h），位于陰影區域的S3 和S4 極熱感覺時長最短（約3 h），S2 和S6 的極熱感覺時長則在4～6 h。冬季的熱感覺累積時長規律與夏季相反，不同室外活動空間的極冷感覺時長相差較小，范圍均在1～2 h；而舒適感覺時長相差較大，在4～8 h 之間。其中，最大可能接受太陽直射的S3 和S4 舒適感覺時長最長（約5 h），其次為S1、S2和S5，S6 冬季舒適狀況最差。

圖9 夏冬兩季主要出行時段PET 熱感覺累積時長

3.3.2 場地適宜性等級劃分

通過疊加夏至日和冬至日人行高度1.5 m 處PET熱感覺等級空間分布，統計各熱感覺累積時長，劃分室外活動空間的適宜性等級。夏季舒適時段主要集中在上午，即日出后2～3 h；其白天近地面儲熱量直至日落后才逐漸消散[25]，因而夏季日落時段較少存在舒適區間。冬季舒適時段較夏季更長，且主要集中在正午時段，日出和日落時多為涼或冷感覺。各典型小區室外活動空間場地適宜性等級劃分規律一致。如圖10 所示，S1 和S2 的適宜空間主要分布在南側；S3 的適宜空間主要位于北側近建筑空間；S4 受日照和風場雙重作用，適宜空間占比較大，但分布零散；而S5 和S6 通常位于地塊邊緣，溫度和風速變化較快，且受周邊道路和地塊影響大，適宜空間較少。

圖10 理想化居住小區適宜性等級劃分

進一步定量描述各典型小區適宜、較適宜和不適宜室外活動空間的面積及占比（表6）。低層行列式、中層點式和高層點式3 類典型小區中，S5 的適宜活動空間占比最高（超過50%），但可利用面積不足 ；S2的適宜活動空間占比分別為52%、31%、50%，且可利用面積較多；S3 和S6 的適宜活動空間占比偏低，而不適宜活動空間占比較高；S1 和S4 適宜活動空間占比一般，且不同類型小區差異較大，但較適宜活動空間占比較高。

表6 室外活動空間場地分級范圍

3.4 實踐應用

實踐案例位于重慶市北碚區蔡家組團內，為中層點式和行列式建筑混合居住小區。項目占地約13.6 hm2，總建筑面積為287 284 m2，平均建筑高度約27 m（9 層），建筑密度約33%。通過分析項目在夏冬兩季人行高度空間典型時刻的舒適度，了解不同室外活動空間的微氣候差異，分析熱感覺等級的累積時長及室外活動場地劃分類型（圖11）?？梢钥闯?，該項目適宜活動空間面積占比最大，但多位于地塊邊緣區域；而較適宜活動場地和不適宜室外活動場地占比接近。其中：適宜區域主要分布在中心廣場和組團綠地北側；山墻空間受日照和風場雙重作用，適宜區域占比大，但分布零散；邊緣空間的適宜區域則集中在地塊西側和南側；而宅間綠地周邊多為不適宜區域，僅北側近建筑空間為適宜區域，且可利用面積不多，需重點進行微環境優化設計。

圖11 蔡家項目前期設計方案及場地分級類型

4 結論與討論

綜上所述，本文基于城市矢量數據提取典型居住小區類型，借助ENVI-met 和RayMan 模型軟件，定量描述6 類室外活動空間的風、熱環境，討論不同人群的舒適度差異；通過疊加夏至日和冬至日PET熱感覺等級累積時長，對舒適度指標進行空間化表征，劃分室外空間適宜性等級。研究結果能夠增加對室外活動空間現狀微氣候定量差異認識，并可直觀引導室外空間規劃設計和活動設施空間落位。

（1）隨開發強度增加，居住小區近地面空間平均溫度更低、風速更大、熱交換更快，其內部室外活動空間環境平均差異也更小。不同室外活動空間夏冬兩季最大溫差分別出現在正午14:00（0.9～1.1℃）和早晨6:00（0.4～0.9℃）。夏季，小區綠化產生的涼爽空氣集中在地塊西北側；冬季，主導風向易置，最低氣溫通常出現在南側建筑陰影區。此外，室外活動空間風速受迎風面積和入流方向影響較大，其中山墻空間受建筑角隅作用明顯，比其他室外活動空間平均風速高約0.5 m/s。

（2）PET熱感覺變化主要受輻射環境作用，晝夜差異顯著。夏季舒適感覺時段主要集中在日出前和日落后，且不同室外活動空間中，因宅間綠地和山墻空間存在部分建筑遮陰區域，夏季舒適度更優；而小區南側入口空間因接受日照時間最長，冬季舒適度最大。此外，老年人和兒童對室外舒適度更敏感，尤其是在建筑陰影下和風場變化更快的建筑與入流風場方向相切處；但熱感覺等級與普通成年人基本一致。

本次研究建立了完整的室外空間微氣候量化評估和適宜性等級劃分的方法流程，但在模擬誤差、PET適用范圍和居民主觀感受等方面仍有待深入。未來場地舒適度評價可在實地觀測和問卷調研基礎上，深度集成建筑設計軟件和有限元計算接口，開展動態耦合模擬和模型校驗，以進一步提高場地微氣候和適宜性評價的效率和精度。