城市熱環境規劃調控研究——以郴州東部新城控規為例

鄭伯紅，吳敏瓊，戴佩瑜

(中南大學 建筑與藝術學院，湖南 長沙410075)

1 研究背景與方法

隨著世界城市化程度的加劇，城市空間和人口高密度集聚，城市中心熱環境日益惡化，熱島效應顯著。城市熱環境對城市建設、城市規劃、城市生態有著密切的影響，尤其對人居環境質量有重要影響。城市夏季高溫問題頻發，切實提出改善城市氣候環境的緩解措施迫在眉睫。當前，在氣候適應型城市理念的指引下，以規劃設計手段適應氣候條件來實現經濟發展與健康宜居已成為新的城市發展思路。一些學者建議把應對氣候風險、減緩熱島效應與城市規劃結合起來。在城市規劃體系中引入城市熱環境的應對策略和評價指標體系對于未來城市發展具有重大意義。針對城市熱島緩解，全球不同地區制定了一系列發展綱要與評價準則。例如，美國航空航天局(Nation‐al Aeronautics and Space Administration,NASA)和環保署(Environmental Protection Agency,EPA)共同發起了《Urban Heat Island Pilot Project》計劃，利用地面觀測和遙感技術開展針對洛杉磯、芝加哥、舊金山等城市的熱島研究和熱環境治理工作[1]。加拿大多倫多地區啟動了《Cool?City Strategies》計劃，作為城市熱環境和熱島效應的長期應對策略[2]。德國斯圖加特為緩解城市熱島效應、促進空氣流通，制定了氣候圖集和城市發展手冊，提出了減少非透水性地面、降低建筑密度、提高綠化率與水面比例等優化措施[3?4]。香港為改善都市空間的環境素質、舒緩熱島效應，從通風廊道、街道與綠化布局、建筑形態設計等方面對城市熱島緩解給出詳細指引，提出設置天臺綠化、園林遮蔭等具體措施[5]。我國一些前沿的生態新城規劃如《蘇州獨墅湖科教創新區低碳生態控制性詳細規劃》、《曹妃甸國際生態城起步區規劃》等還對遮陽覆蓋率、屋頂綠地率、硬質地面透水面積比、每100 m2綠地喬木量、水體率、綠化用地本地物種指數等熱環境影響指標提出相應要求。目前有關熱環境的研究主要從街區熱環境評價與優化、景觀影響因子對熱環境的影響、城市設計對熱環境的影響等角度開展。陸莎基于CTTC模型對廣州市65個住區進行了模擬，分析了不同景觀設計因子對住區全天逐時熱島強度的影響，歸納了居住區詳細規劃的熱島緩減措施及優化設計方法[6]。孟慶林等[7]對廈門科技創新園夏季室外熱環境進行了現狀評估和優化設計，得出遮陽效果由樹冠茂密類喬木遮陽、非透明類構筑物遮陽、樹冠稀疏類喬木遮陽、透明類構筑物遮陽依次減弱，為綠化、遮陽、滲透等技術手段在城市熱環境設計中的應用提出相應建議。鄭穎生等[5]以香港新界大埔墟為例，選取城市更新前后的經濟技術指標、天空視域因子及行人層高度的風速3種類型參量進行量化比較，驗證在高密度建設的前提下，優化城市形態可改善區域夏季室外熱環境。鄔尚霖[8]利用DUTE對廣州天河體育中心地塊進行模擬分析，研究建筑密度、容積率、架空率、下墊面材質等因素對熱島的影響規律，發現高密度緊湊發展模式下的街區熱環境是可接受的。高波等[9]選取某住區建立理想模型進行模擬，利用DUTE分析了建筑室外熱環境的景觀因素的影響機制，擬合了熱島強度與綠地率、建筑密度、水泥地面率之間的數值關系。一直以來，大中尺度的城市熱環境評價是城市氣候研究領域的難點，針對大尺度新城熱環境模擬優化和規劃調控的研究較為缺乏。在以往研究中，景觀及環境建造因子對熱環境的影響機制多基于實驗提出，且局限在對熱島強度與綠地率、建筑密度、水泥地面率的數值研究，缺乏對熱環境與城市建造的其他指標(如容積率、屋頂綠地率、水體覆蓋率、建筑首層架空率等)的數值關系研究。城市控制性詳細規劃是城市環境容量及建筑建造等空間形態的主要控制方案，而城市的空間形態在一定程度上決定著城市的物理環境。因此，本文將對研究區域在控規方案指導下的室外熱環境進行微氣候模擬，選擇8個涉及環境容量、建筑建造、景觀設計的熱環境影響因子作為本文的研究指標(表1)，通過統計分析探究其與室外熱環境之間的耦合關系，據此探討新城熱環境規劃調控的可操作手段。

表1 本文研究指標及釋義一覽表Table 1 List of research indicators and definitions of this paper

2 研究區域

本研究以湖南省郴州市東部新城為例。郴州市位于湖南省南部，位于建筑氣候Ⅲ區，屬亞熱帶季風性氣候。從郴州市2008～2017年的氣象數據來看，夏季溫度達到35℃及以上的年平均天數為58 d，且月平均氣溫呈上漲趨勢。城區氣溫顯著高于郊區，熱島效應顯著，熱環境情況嚴峻。該地區的城市氣候問題與熱環境的人為調控密切相關，城市熱環境亟待優化。

郴州市的城市建設用地以京港澳高速公路為界，分為東、西2個城區?！冻恢菔锌傮w規劃(2009～2030)》(2018年修改)指出，東部新城將成為未來郴州市重點發展的地區和人口高度集中的生活聚居地，其熱環境狀況應受到充分重視。新城規劃用地總面積約為34.95 km2，主要包括行政辦公、工業研發、居住、公共服務設施、市政公用設施用地和綠化用地。本文按照郴州市土地利用規劃將東部新城劃分為150個子區域進行研究(圖1)。根據研究需求，將150個子區域按用地類型進一步劃分為4個類別(表2)。

表2 本研究的用地類型劃分Table 2 Division of land types in this work

圖1 郴州市東部新城土地利用規劃及研究子區域劃分圖Fig.1 Land use and districts division in the eastern new town of Chenzhou

通過對郴州市東部新城控制性詳細規劃方案的解析發現，新城西部以第Ⅰ和Ⅱ類用地為主，建筑密度較為適中，綠地率較高，綠化覆蓋情況較好，室外可滲透地面面積比例較東部高；新城東部以第Ⅲ類用地為主，配有少量住宅和公共服務設施，建筑密度較高，綠地率較西部低；新城中部為整個東部新城的核心區域，容積率較高；新城的屋頂綠地的普及程度不高，僅有個別公共建筑設置；新城內有少量居住建筑和公共建筑設置底層架空。各子區域研究指標的分布情況如圖2所示。

圖2 郴州市東部新城熱環境影響因子的分布情況Fig.2 Value of thermal environmental impact factors in each district

3 模擬評價

3.1 模擬方法

目前，常用的城市熱環境評價方法為遙感觀測和數值模擬。其中，數值模擬的方法操作便捷、可控性強，不受時間和空間的限制，是目前城市熱環境評價的主要方法[10?11]。數值模擬主要采用的模型有兩類：基于集總參數法的CTTC(Cluster Thermal Time Constant)模型和基于分布參數法的CFD(Computational Fluid Dynamics)模型[11?12]。CTTC模型是使用建筑群熱時間常數網的方法計算局部空間環境的空氣溫度隨外界熱量擾動變化的情況[12]，其主要代表軟件是華南理工大學開發的建筑群室外熱環境分析軟件DUTE(Design Urban Ther‐mal Environment)?；贑TTC模型的DUTE軟件基于AutoCAD2006平臺運行，其模型構建基本滿足城市設計需要，計算簡便快速、輸出數據精度高，適用于城市大、中尺度范圍的模擬[13]。CFD模型是通過對室外環境的熱傳遞與空氣流動的渦合計算來評價空間的微氣候環境，其主要代表軟件有ENVI?met，PHOENICS,FLUENT等，軟件輸出數據精度高，模型計算時間相對較長且精度要求高，適用于微尺度、小范圍的研究[13?14]?？紤]到本文的研究對象為新城，研究區域涵蓋150個街區，總面積為34.94 km2，范圍較大，因此，本文將選取適用于大尺度微氣候模擬的DUTE工具對研究區域內的熱環境進行模擬評價。

3.2 評價依據

我國《城市居住區熱環境設計標準》(JG J286—2013)明確指出，當進行評價型設計時，應采用逐時濕球黑球溫度(Wet Bulb Globe Temperature,WBGT)與平均熱島強度作為居住區熱環境的設計指標，居住區夏季逐時WBGT不應大于33℃，居住區夏季8:00～18:00間的平均熱島強度不應大于1.5℃[4]。本研究將采取以上規定作為評價的標準。此外，研究范圍內的其他類型用地應符合以下規定：夏季典型氣象日逐時WBGT不應大于33℃，8:00～18:00平均熱島強度不應大于2.0℃。

3.3 模型構建

依據郴州市東部新城控制性詳細規劃方案，在DUTE軟件中對150個研究子區域進行建模(圖3)。模型參數如下：模擬地點為湖南郴州，模擬時間為2016年7月21日(該地區近10年來氣溫最高的一天)，模擬風向為157.5°(該地區夏季盛行風向)，地表粗糙系數為0.22。

3.4 熱環境評價與分析

3.4.1 熱環境總體評價

150個子區域中，逐時WBGT不達標的有10個地塊，其中7個為第Ⅲ類用地，3個為第Ⅱ類用地。150個子區域中8:00～18:00平均熱島強度大于2.0的有46個地塊，其用地性質大多為第Ⅱ，第Ⅲ類用地；8:00～18:00平均熱島強度在1.5到2.0之間的有47個地塊，不達標地塊有14個。綜上，郴州市東部新城150個子區域中室外熱環境不達標的地塊總數為60個，占整個東部新城研究子區域的40%，研究區域內東部熱環境整體較差，西部熱環境相對較優。熱環境總體分布情況如圖4所示?？偟膩碚f，郴州市東部新城在現有控規指標的引導下，熱環境情況較差，亟待優化。

圖4 郴州市東部新城夏季典型氣象日室外熱環境評價Fig.4 Overall evaluation results of outdoor thermal environment of the eastern new town of Chenzhou

3.4.2 熱環境逐時評價

按照本文劃分的4種用地類型，分類別對新城室外熱環境進行逐時評價(圖5)。在夏季典型氣象日，4類用地的逐時熱島強度變化趨勢都表現為日間弱、夜間強，逐時WBGT變化趨勢則相反，表現為日間強、夜間弱。第Ⅳ類用地的逐時WBGT峰值出現在15:00或16:00時，其余3種類型用地逐時WBGT峰值均出現在15:00時。

圖5 郴州市東部新城各類型地塊夏季典型氣象日逐時熱環境變化曲線Fig.5 Hourly evaluation of thermal environment of the eastern new town of Chenzhou

4 數值模擬

在SPSS軟件中對研究范圍內3類地塊的熱環境數據進行統計分析。令容積率(x1)、建筑密度(x2)、綠地率(x3)、植物遮陽覆蓋率(x4)、室外可滲透地面面積比例(x5)、屋頂綠地率(x6)、建筑首層架空率(x7)、水體覆蓋率(x8)為自變量，分別令Δta和WBGTmax為因變量，進行回歸分析，探究熱環境影響因子與室外熱環境的耦合關系。經過數值擬合得到室外熱環境的預測模型如表3和表4所示，該模型可用于規劃方案設計初期對街區熱環境的預測。

表3 3種類型用地夏季典型氣象日WBGTmax預測模型Table 3 Prediction models of WBGTmaxfor three land types

表4 3種類型用地夏季典型氣象日Δta預測模型Table 4 Prediction models ofΔta for three land types

5 優化設計

本章選取3種類型用地的代表性地塊，設置對照實驗，通過對熱環境影響因子的調整來改變模型的布局及參數，從而對地塊的熱環境進行優化，在此過程中探究不同類型用地熱環境改善的具體措施。由對照實驗得到8個熱環境影響因子對3種類型用地熱環境的影響效率和具體優化措施如表5所示。實驗表明，調整熱環境影響因子的值能有效改善室外熱環境，對城市微氣候起到積極的調控作用。限于篇幅，本章僅列出3個代表性地塊優化前后工況對比情況(表6)。

表5 熱環境影響因子對3種類型用地室外熱環境的影響效率Table 5 Ranking of the influence efficiency of thermal environmental impact factors on outdoor thermal environment of three types of land

表6 3種用地室外熱環境優化前后對比Table 6 Comparison of the thermal environment condition before and after optimized design of three land types

通過對照實驗發現，第Ⅰ類用地中增大建筑密度、植物遮陽覆蓋率和綠地率對熱環境的改善的效果較好。在該類用地中建筑高度一般大于18 m，建筑密度越大，建筑所能提供的地面陰影越多，從而有助于改善室外熱環境。增大屋頂綠地面積有助于吸收太陽輻射，降低建筑表面溫度。增大建筑首層架空率有助于加速地面通風，從而有效降低熱島。第Ⅱ類和第Ⅲ用地中，降低建筑密度、增大植物遮陽覆蓋率對熱環境的改善的效果較好。在這2種類型用地中建筑高度一般較低，無法為區域內部提供足夠的陰影及遮陽。建筑體量一般較為龐大，導致場地內通風情況不佳、熱環境較為糟糕，因此降低建筑密度有助于改善園區內的通風情況。設置綠化遮陽和增大綠地率都對室外熱環境的改善起著積極的作用，但布置綠地對于改善室外熱環境的作用十分有限，在實際規劃建設中需考慮配備一定的遮陽設施。

綜上所述，改變建筑密度和增設遮陽的手段對建筑室外熱環境的改善最為明顯。經過綜合優化設計，郴州東部新城熱環境不達標的區域從60個降低至了14個，室外熱環境達標率從60%提升至了90%(圖6)。

圖6 郴州東部新城優化設計前后室外熱環境對比Fig.6 Comparison of the thermal environment condition before and after optimized design

6 結論

1)對郴州東部新城150個街區在夏季典型氣象日的室外熱環境進行了模擬評價與優化設計，根據實際提出了可操作的新城熱環境規劃調控手段，為城市控規層面的熱環境調控和控規指標的調整提供了理論參考。

2)討論了8個熱環境影響因子(容積率、建筑密度、綠地率、綠化遮陽覆蓋率、建筑首層架空率、屋頂綠地率、室外可滲透地面面積比例、水體覆蓋率)對新城室外熱環境的影響規律，得到了室外熱環境的預測方程，該方程可應用于郴州及湘南地區新城熱環境的預測。對于正處于規劃階段的新城，可以利用熱環境預測模型快速判別控規方案指標設置的合理性，從而對新城熱環境進行合理的引導和調控。

3)通過優化對照實驗發現改變建筑密度和增大植物遮陽覆蓋率的手段對熱環境的影響最為明顯。在進行熱環境優化設計時，單獨使用一種優化手段對熱環境的改善作用有限，不足以使室外熱環境達標，在實際中需考慮綜合使用多種優化手段對室外熱環境進行優化。對于有條件改造的街區，可以優先考慮增設遮陽、水體、綠化、減少不透水地面、增設屋頂綠化的手段對新城室外熱環境進行優化和改善。

4)經驗證，本文討論的8個熱環境影響因子對新城室外熱環境有一定的影響。中國現有的控制性詳細規劃體系中僅包含容積率、建筑密度、綠地率3項指標，建議將建筑首層架空率、綠化遮陽覆蓋率、室外可滲透地面面積比例、屋頂綠地率、水體覆蓋率5項指標也納入控規之中，構建熱環境控制指標體系，完善在控規層面對新城熱環境的引導和調控。