居住小區空間載體的微氣候調節作用及其落位原則

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

0 引言

在高密度開發背景下，城市環境承載力面臨巨大挑戰[1-2]。與此同時，居住小區規劃設計日益強調空間適宜性與環境舒適度[3-4]，使得基于室外空間微氣候的優化設計備受關注。立體空間拓展和綠化設施配置在對地面綠量進行補充的同時，也影響著下墊面傳熱、局部通風和多重輻射過程，進而引起人體熱感覺差異。因此，定量評估空間載體微環境及舒適度改善作用，將成為氣候適應性城市建設的重要一環。

目前，相關研究多關注在下沉空間開發和屋頂空間利用等方面，以語義評價或問卷調查等社會學方法，提出室外活動設施內容、規模、分級等規劃控制指標的指導意見。例如，王博等[2]將客觀的眼動追蹤技術與主觀的語義解析法相結合，從使用者角度對城市下沉廣場景觀滿意度進行評價，認為尺度感和圍合感是下沉花園景觀滿意度的重要空間要素；而葛翠玉等[5]通過實地和網絡調查發現，激勵措施不足和建造成本高等工程管理因素將限制屋頂花園的大規模推廣，對此提出針對性對策。另有研究借助場地觀測或數值模擬等氣候學方法，探討室外活動設施降溫、通風和舒適度等熱效應指標的時空差異。研究表明，建筑底層架空可有效改善高密度城市熱環境，提高室外活動空間舒適度水平和通風狀況[3]，而下沉廣場冬季熱中性溫度比周圍環境低約0.9℃[4]；屋頂綠化在圍合布局中的降溫強度最大（0.5℃），在分散布局中則對街區整體熱環境的改善最佳[6]。然而，當前研究多關注小區整體層面的空間組織和下墊面特征，尚未細化至空間載體類型；雖然針對特定季節的微環境改善工作逐年增加，但通常具有地域性限制，較少覆蓋夏冬兩季及具有山地特性（或縱向高差）的住區環境。筆者團隊曾在之前的研究[7]中，以重慶市為對象，探討居住小區室外活動空間的微氣候差異，并嘗試適宜性等級劃分；本文將在此基礎上，進一步對當地居住小區空間載體的微氣候調節作用及其落位原則進行探討。

1 研究方法

本研究參照重慶地域特征，建立下沉花園和屋頂花園兩類典型的居住小區空間載體，借助ENVI-met 和RayMan 軟件，開展室外微氣候和人體舒適度模擬，并應用ArcGIS 量化評估夏、冬兩季的熱風環境和舒適度改善程度，提出基于微氣候優化的空間載體落位原則。研究結果擬豐富住區室外立體空間規劃內容，為引導室外活動設施的空間選位和規劃實踐提供支撐。

1.1 空間載體類型設置

重 慶 市（118°45′E，32°25′N）地處長江上游，山地和丘陵占總面積的近94%，建城區用地高差變化較大，海拔在100～1 000 m 之間[8]。本研究依據山地環境的特殊性，建立多種空間載體應用場景，為居住小區規劃設計提供裝配式模塊化的室外場景選擇，“定制”微氣候條件。空間載體的基礎設計單元一般包括平行盒子、漫游客廳、下沉花園、屋頂花園等空間載體形式及多場景設計模塊，其中：平行盒子和漫游客廳可分別置于小區公共空間和入戶空間，豐富社區功能；下沉花園結合地勢高差，拓展縱向空間；屋頂花園利用閑置空間，補充綠地覆蓋。本文基于后兩類改善型空間載體，分別設置設計場景和參照場景（參照場景均為未布置空間載體對應的場地狀況）：下沉花園依據中庭位置，布置為下沉中庭、架空中庭、錯層中庭和分臺中庭4 種模式；屋頂花園則依據屋頂空間所屬建筑的體量差異，分設小區公共單體建筑、點式住宅、行列式雙拼住宅和底層商業裙房4 種模式；且所有場景中的建筑均布置為南北朝向（表1）。

表1 空間載體類型及設計尺寸

表2 PET 舒適度等級劃分

1.2 模型配置和分析方法

1.2.1 微氣候模型和舒適度指標

微氣候模擬軟件ENVI-met 主要借助流體力學和熱力學原理，模擬建筑、植被與大氣之間的作用關系[9]，其氣象參數擬合度最高，植物傳熱性能最優[10]。根據相關研究結果[6,11-12]，重慶市大氣溫度標準誤差（RMSE）范圍為0.68～1.21℃，其中屋頂綠化場景比地面綠化場景的誤差高約0.4℃；而在街區尺度綠地、濱水和硬質地面場景中，大氣溫度標準誤差通常在1.02～1.95℃之間。以往的研究均證實ENVI-met 具有連續穩定性，其誤差主要與邊界條件、建模尺度及網格精度等模型設置和模型本身不確定性有關。

舒適度模型軟件RayMan 綜合考慮背景氣象因子和人體生理參數，評價室外人體舒適度[13]。生理等效溫度（PET）用于表征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時所對應的理想環境溫度，可劃分為9 個等級的舒適度范圍[14]（表2）。PET能夠有效反映大氣溫濕度、風速和平均輻射溫度等熱環境參數對人體生理狀態的影響，廣泛應用于不同氣候條件下的室外舒適度評價。

1.2.2 模型配置

參考兩類空間載體的組合形式和地被覆蓋類型進行建模，統一將模擬場景設置為100×100 平面網格且分辨率為2 m×2 m 的模擬域。縱向網格數依據建筑高度分別設置為20、35、50 個，分辨率均為2 m。模型主要輸入參數見表3。

表3 ENVI-met 模型主要輸入參數及取值

（1）基于中國標準氣象數據集[15]，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。①重慶屬Ⅱ類夏熱冬冷熱工區，日均溫度在8.7（12 月）～31.4 ℃（8 月）之間；全年風速較低（0.9～2.1 m/s），且夏季主導風向為東南風（SE），冬季主導風向為西北風（NW）；年日照時數約1 180 h。②借助地面氣象站數據平臺，獲取平均云量和太陽輻射范圍；進而參照城市地理位置、云量和調整系數（0.7），自動生成逐時太陽輻射。③初始土壤的溫、濕度和植被屬性[11-12]均參照同類氣候區設置。

（2）建筑表面反射率和傳熱系數參數均滿足地方設計要求。

（3）為精細化表達屋頂綠化熱作用過程，在ENVI-met 中添加綠化表皮模塊。

此外，在舒適度模型中，參照普通成年人生理特征，設置年齡35 歲、體重75 kg、身高175 cm；且夏、冬季服裝熱阻分別設置為0.047、0.186 m2K/W。

1.2.3 數據處理

為定量評價空間載體對室外微氣候的改善狀況，需對夏、冬季熱風環境和PET熱感覺等級變化進行全面分析。

借助ENVI-met 輸出具有空間屬性的逐時大氣溫濕度、風速和平均輻射溫度，并剔除建筑所占網格。將逐時氣象數據輸入RayMan，計算PET并生成文本文件（.txt）；繼而導入ArcGIS，轉換為矢量網格點數據（.shp）。統計距地面（或屋面）1.5 m 處水平剖面處的近空間載體三維空間10 m 內所有網格（分析區域已標注在圖1、2 中）、大氣溫度、風速和PET的平均值。

圖1 夏、冬季14:00 各模式空間載體布置前后距地面1.5 m 高處溫度變化特征

選擇熱累計強度較大的14:00 為樣本時段[11]，疊加設計和參照場景的微氣候分布圖，計算大氣溫度和風速差值（正值表示降溫和阻風作用，負值表示升溫和促風作用），分析白天熱、風環境的空間差異；同時，提取居民主要活動時段[16]（日出后1 h—日落后1 h，即夏季6:00—20:00、冬季8:00—18:00），分析該時段內PET熱感覺累計時長變化。

根據晝夜大氣溫度和風速差值與參照場景中同時段平均溫度及風速之間的比值，以及PET熱感覺為極熱或極寒的時數變化與晝夜總時數之間的比值，分別評價空間載體對微環境和舒適度的改善程度，識別最大化提升場地熱效應的設計模式。

2 結果分析

2.1 室外熱、風環境

2.1.1 熱環境

由圖1 可以看出，兩類空間載體均表現為降溫作用，其中夏季降溫強度及覆蓋范圍明顯大于冬季，且主要降溫區域受季節主導風向和空間開敞度影響顯著。

下沉花園對周邊和局部環境均表現為降溫效應。夏季，架空中庭模式產生的降溫強度最大，且狹窄空間的風壓較大，有利于風場加速，在架空層南北兩側均存在較大降溫覆蓋范圍；下沉中庭和錯層中庭模式均為半開敞空間，其內部植被產生的涼爽空氣聚集在下沉空間北側或西北側；全開敞的分臺中庭模式具有最大降溫覆蓋范圍，但降溫強度最低，且受退臺阻隔，冷空氣多在地形高差處向東西兩側擴散，難以爬升至北側建筑空間。冬季，各下沉花園模式的降溫強度略有減小，主要降溫區域位于下沉空間的東南側或開口方向。

相較下沉花園，屋頂花園降溫強度更小，降溫輻射范圍更大。夏季，屋頂植被產生的最大降溫強度一般位于屋面西側。建筑高度較低的公共單體和商業裙房的屋頂綠化降溫強度最大，但水平方向的降溫覆蓋范圍較小；同時，因低層建筑縮短了冷空氣縱向傳播距離，也在一定程度上改善了近地面人行高度熱環境。點式住宅和雙拼住宅屋頂處的風速更大，因而屋頂花園降溫覆蓋范圍擴大，平均降溫強度隨之減小。冬季，主要降溫區域移至屋面東南側，屋頂植被降溫效應也被削弱。

2.1.2 風環境

室外空間載體通常具有阻風作用，但下沉花園因擴展風場發展空間，存在局部促風作用。由圖2 可以看出，夏、冬季兩類空間載體各模式之間的差異規律一致，但夏季阻風或促風作用略大于冬季。

圖2 夏、冬季14:00 各模式空間載體布置前后距地面1.5 m 高處風速變化特征

下沉花園布置后，風場向下沉空間延伸，而后尾流區因受到圍墻阻隔，最大風速均出現在下沉空間中心區域。其中，架空中庭模式的風場加速最為顯著；分臺中庭模式最為開敞，風場方向分散；而半開敞的下沉中庭和錯層中庭模式，其風速增加程度介于前兩者之間。

屋頂花園對空間改造較小，僅植被增大了表面粗糙度，對風速的影響與下沉花園相反，表現為阻風作用。一般情況下，屋頂南側迎風面的風速降低最明顯，而下風向的屋頂北側因同時受縱向氣流影響，阻風作用被削弱；且高層比低層建筑屋頂空間的風速更大。相同屋頂花園植被密度下，點式住宅和雙拼住宅模式的阻風作用更明顯；公共單體和商業裙房屋頂空間的風場發展因受建構筑物阻礙，局部掩蓋了屋頂植被的阻風作用。此外，冬季由于入流風向置換，風速減小，兩類空間載體的阻風或促風作用均相應減弱。

2.1.3 不同空間載體對室外微氣候的影響程度

進一步統計兩類空間載體夏、冬季晝夜時段熱、風環境的平均狀況，分析空間載體對環境因子的影響程度。圖3 顯示，兩類空間載體均起到降溫作用，但對風速的影響并不一致。其中，下沉花園擴展了風場發展的空間，起到促風作用；而屋頂花園各種模式均不同程度增加了表面粗糙度，起到阻風作用。下沉花園白天時段對熱環境的平均改善程度分別為1.2%（0.25～0.55 ℃）和0.6%（0.11～0.24 ℃），對風環境的平均影響程度分別為15.4%（0.18～0.35 m/s） 和 11.7%（0.10～0.23 m/s）； 而 夜 晚 時 段對熱環境的作用相反，且影響程度明顯降低，平均升溫在0.1℃以內。屋頂花園白天時段均起到降溫和阻風作用，對熱環境的平均改善程度分別為1.4%（0.34～0.42 ℃）和1.1%（0.25～0.33 ℃），對風 環境的平均影響程度分別為15.1%（0.17～0.31 m/s） 和 13.4%（0.15～0.22 m/s）；而夜晚時段對風熱環境的影響程度減弱，但仍保持與白天時段一致的微氣候作用。

圖3 夏、冬季兩類空間載體布置前后微氣候差異

2.2 室外舒適度

2.2.1 逐時變化特征

各模式空間載體布置前后，PET及其熱感覺范圍變化存在明顯晝夜差異（圖4）。其中，PET在10:00—16:00（6 h）時段內均有降低，最大降幅達到8.2 ℃；而在20:00—次日6:00（10 h）時段內，PET稍有上升。

圖4 夏、冬季兩類空間載體布置前后PET 逐時變化

夏季，PET在6:00 降到谷值，約為22.6 ℃（舒適）；且隨時間推移逐漸升高，在15:00 達到峰值，約為44.2 ℃（極熱）；之后PET逐漸減小，直至次日凌晨，熱感覺由暖、稍暖向舒適逐級變化。其中，相對封閉的下沉花園（模式1～3）隨著太陽高度角增大，逐漸產生遮蔭空間，PET在10:00 前后出現突降，并在正午12:00 時，太陽高度角達到最大，下沉空間中心區域的陰影減少，PET回升；而屋頂植被因正午大氣溫度和輻射累積強度較高，植被光合作用減弱，PET在12:00—16:00 出現短暫下降。

冬季與夏季PET逐時變化規律相似；但太陽入射角度和輻射強度均有下降，使得下沉花園遮蔭作用縮短近2 h，屋頂花園PET波動亦有所減弱。

2.2.2 日累積熱感覺等級變化

下沉花園或屋頂花園布置后，人體熱感覺等級逐漸由極熱或極冷向舒適集中。其中：夏季極熱時段減少1～5 h，熱時段減少1～2 h，稍暖和舒適時段均增加約1 h；冬季極冷時段減少2～3 h，寒冷時段減少1～2 h，稍冷和舒適時段增加1～3 h（圖5）。下沉花園中，架空中庭對熱舒適的改善程度最大，夏季極熱時段減少約3 h，冬季極冷時段減少2 h；而分臺中庭對室外舒適度改善程度相對較小，但仍可降低1 h 左右的極熱或極寒熱感覺等級。屋頂花園中，低層建筑模式對舒適度的改善程度明顯優于高層，其中：公共單體和商業裙房夏、冬季均降低極端熱感覺2 h；點式和雙拼住宅則可降低夏季屋頂空間極熱感覺3 h，但冬季極寒感覺僅減少1 h。

圖5 夏、冬季兩類空間載體布置前后熱感覺等級累計時長

2.3 案例應用

應用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。該小區占地面積約13.6 hm2，建筑面積為287 284 m2；場地最大高差約28 m，最大坡度達到6.3%，平均建筑高度約27 m（9層），建筑密度約33%。兩類空間載體布置后，夏季極熱感覺時段減少1～3 h，冬季極冷感覺時段減少1～2 h；小區中心布置的下沉花園最大降溫約0.63 ℃，屋頂花園可降低屋面空間溫度0.35 ℃。由上風向屋頂花園和下沉花園產生的涼爽空氣，滲透至建筑底部，并在風場作用下穿過架空層，可將冷空氣擴散至下風向30 m 處（圖6）。可以看出，兩類空間載體對夏、冬季室外環境的作用規律一致，但需求相反。合理布置空間載體可在一定程度上改善夏季室外舒適度狀況，且同等響應規律在冬季明顯減弱，對整體室外環境影響較小；此外，空間載體中的植被在白天可有效吸收熱量，而在夜間能夠延緩能量釋放過程，尤其對冬季室外環境，具有更大的改善作用。

圖6 夏、冬季14：00 案例場地優化前后人行高度1.5 m 處熱環境變化

3 室外活動設施落位原則

3.1 空間載體落位

基于社區層面[7]和設施層面的模擬分析，可分別從社區規劃布局、室外活動空間和室外活動設施等方面提出基于場地風熱環境和室外舒適度優化的設計原則。以理想化社區模型和典型空間載體為背景，對不同室外活動空間的熱、風環境差異進行分析，并根據舒適類型及累計時長，從布局上劃分室外活動空間適建等級，從組織上識別空間載體對局部微氣候的改善潛力。

場地微氣候由布局形態、開發強度、下墊面類型、植被水體等因素共同決定。開發強度和社區整體布局決定了社區微環境的平均水平（如高層社區的各室外活動空間溫度均低于低層社區[7]），而建筑間的組合又形成了存在環境差異的室外活動空間。通過場地分級確定各室外空間中3 類場地的占比和面積[7]，在較適宜或不適宜場地，以空間載體各模式的列舉順序（由左向右）作為同條件下的優選順序，優先布設下沉花園和屋頂花園，可實現對微氣候的改善；并進一步結合植被、水體、遮陽和鋪裝等設計元素，輔以住區微氣候優化（圖7）。

圖7 空間載體落位技術路線

3.2 空間載體設計

兩類空間載體布置后，能夠起到微環境改善作用；且除本身空間形式外，主要由載體內部綠地植被發揮作用。因此，對于無條件地塊或已建成地塊的室外空間布置，應以降溫設施布置在夏季主導風上風向為主要落位原則，合理搭配喬、灌、草，并設置主動式微環境調節裝置。同時，為實現微環境改善的規模效益，下沉花園或屋頂花園需至少預留500 m2。

3.2.1 下沉花園

架空中庭模式在夏、冬季均具備最佳熱效應，宜優先考慮。錯層中庭和下沉中庭模式可利用規模綠地或開闊水體形成降溫區域，布置在下沉空間南側（夏季主導風迎風側）；北側和東西兩側則設置緩坡或逐級退臺，以利于延伸風場路徑。分臺中庭模式單側開放難以高效積聚涼爽空氣，可將建筑提前至下沉斷面或單側落至下沉空間，以獲得更多室內天然采光。

3.2.2 屋頂花園

屋頂綠化不僅是改善微氣候的重要設施，還可作為有效綠化面積（按20%）沖抵集中綠化面積[18]。在公共單體及商業裙房等低層建筑的屋頂綠化可產生更大的熱效應，且因風速較低，宜優先選配多種植被結合的花園型屋頂綠化；若局部種植，宜考慮屋頂迎風側，有利于冷空氣輻射下風向區域。高層建筑屋頂處風速更大，宜優先鋪設草坪或低矮灌木的簡易型屋頂綠化。

3.2.3 綜合布置

單一空間載體可實現對局部微環境的改善，但輻射范圍仍較小，且易隨風場變化流失于非活動區域。若兩種空間載體有機組合，可獲得最大化降溫的邊界效益（圖8）。

圖8 室外活動設施組合形式布置

（1）前后結合：將下沉花園和低層建筑屋頂花園布置在建筑南側，可有效延續降溫區域至架空層；將下沉花園布置于低層建筑屋頂花園下風向，建筑屋頂宜南高北低，有利于引導冷空氣沉降至近地面，進而延伸至建筑架空層或積聚在半封閉的下沉空間；若將下沉花園置于屋頂花園上風向處，建筑屋頂應南低北高，以利于抬升下沉花園入流風場，引入屋頂空間。

（2）上下結合：在同一建筑的屋頂種植綠化且底層架空，可同時滿足冷空氣下沉和底層通風的條件，并在近地面實現降溫效應疊加，擴大微環境改善范圍。

4 結語

在城市公共空間訴求增加和城市環境越發復雜的雙重壓力下，居住小區立體空間開發無疑是改善空間品質、提升環境質量的重要方式。本文將室外微環境和人體舒適度模擬作為居住小區室外空間載體比選和落位的基礎，對熱風環境的時空分布和改善程度進行較為完整的評估，研究具有科學性。當然，本文尚存在一定局限性：并未統一空間載體的設計尺寸和控制單一綠量，忽略了其可能引起的規模效應；相關環境因子的累積效應、舒適度指標的動態耦合方法也有待深入；此外，模型部分輸入參數取自默認值，建筑材料和植被屬性對熱環境的潛在影響未作充分考慮。但本次模擬結果仍然揭示了不同設計場景之間的相對差異，亦可作為立體空間多方案比選和落位的參照。因此，在高密度山地城市增設下沉花園和屋頂花園等空間載體，不失為調節微氣候的有效干預手段。