上海住区风景园林空间冬季微气候感受分析

2017-06-20 23:24:29

梅欹 / MEI Yi 刘滨谊* / LIU Bin-yi

摘要:住区风景园林空间是城市人群出行活动的重要场所之一,使用者对微气候的感受直接影响其空间使用的频次和整体体验。以3个上海中心城区的住宅小区为实验对象,运用现场实测的方法,在广场、滨水、亭廊和庭园4类风景园林空间内进行了为期9天的冬季测试。研究运用生理等效温度(PET)指标进行风景园林空间人体感受的量化计算,对人体在微气候(即热、风、湿因子)环境内的理论感受结果进行回归分析。结果显示热因子是影响冬季人体感受的最关键因子,其中微气候子因子太阳辐射是影响人体舒适感受的根源。各实验空间中,广场区的理论体感最佳,亭廊区其次,这2类空间共有的微气候特征为:太阳辐射强、空气温度高、相对湿度较低、风力微弱且不持续。实验证明大面积开敞硬地形成的热量场、匀质的立面围合形式和开敞的顶面可满足上海冬季体感舒适要求。结论中对风景园林空间顶面、立面、底面的建议可作为住区风景园林空间冬季微气候适宜性设计的参考。

关键词:风景园林;微气候;住区;人体感受;生理等效温度;上海

文章编号:1000-6664(2017)04-0012-06

中图分类号:TU 986  文献标志码:A

收稿日期:2017-02-15; 修回日期:2017-02-22

基金项目:国家自然科学基金重点项目“城市宜居环境风景园林小气候适应性设计理论和方法研究”(编号51338007)资助

Abstract: Landscape space in residence is one of the most frequent using places for urban population, in which micro-climate affects the experiences of space using and active frequency directly. In this study, field measurements of three residential areas in winter within four landscape spaces including plaza, waterfront, pavilion and corridor, and garden are carried out, to investigate the effect of landscape structure on micro-climate environment (which includes thermal, windy and humidity factors) and further on human perception. The experimental results show that radiant heat is the key factor affecting the human perception in winter, in which the solar radiation factor is the root cause of the change of micro-climatic perception; the effect of relative humidity and air flow come next. In the test residences, the plaza area has the best perception assessment, followed by the pavilion and corridor space. The common micro-climatic characteristics of the two spaces are: sufficient solar radiation, high air temperature; low humidity; gentle breezing and discontinuous wind, which proves that the large open hard ground can promote heat gathered and properly ventilated to meet the winter comfort requirements of human body. According to the analysis, for the top, vertical, bottom of the space respectively, light, air vent and green area can be used to simply assess the human experience. And Physiological Equivalent Temperature (PET) as human comfort index is based on these three main variables. The method of space structure can be used as a guideline for the designing of micro-climate suitability in residential landscapes.

Key words: landscape architecture; micro-climate; human perception; residential area; physiological equivalent temperature (PET); Shanghai

气象学中将城市气候环境称为“热环境”。本研究针对城市住区风景园林空间的微气候环境,进一步将其细分为热环境、风环境和湿环境3类因子,分别对应空气温度(Ta)、太阳辐射(S);风速(WS)、风向(WD);空气相对湿度(RH)等微气候子因子。研究对上海高密度人居环境中城市住宅小区的风景园林空间展开实地监测,针对人群每日频繁活动的公共空间进行冬季微气候实测和人体感受分析。研究采用生理等效温度(Physiological Equivalent Temperature, PET)作为人体感受评价指标,分别求得各风景园林空间的感受差别,并分析导致评价差异的主要原因,以进一步指导设计实践。

1 背景理论

近年来,在户外热舒适实验中被广泛应用、适合复杂遮阳状况下城市户外环境研究的生理等效温度(PET)是Höppe[1-2]从慕尼黑模型MEMI-model(Munich Energy Balance Model for Individuals)发展而来的热指标,指在给定环境条件下以真正的热流量和人体温度、皮肤温度、出汗率、体内温度及皮肤温度模拟得出的函数。由德国Andreas Matzarakis教授研发的RayMan1.2软件[3-4]可用来计算PET数值。

谈建国等[5]和郑有飞等[6]用PET和舒适感觉参照关系研究了中国东部城市尺度的人体舒适度,以及气象参数对年际、月际舒适度的影响。目前,对于高密度居住环境中的风景园林空间热舒适感受评价研究仍很少见。笔者曾以夏季的居住区风景园林空间为对象,对上海某小区内的微气候环境和人群行为进行了关系测定[7-8],并提出相应的设计建议。本研究在此基础上,将实验基地扩展为3个小区,分析冬季上海高密度人居环境的微气候现状及其环境下的舒适度指数,以期对冬季人群高频活动区的风景园林空间提供更为合理、详细的微气候季节适宜性设计理论基础。

2 研究方法2.1 实验方案

本研究使用便携式气象站,针对风景园林空间中的热、风、湿微气候因子,对3个对象住区分别进行了连续至少72h的实测实验。实验日期各为2015年2月2—4日(瑞虹新城一期);2015年12月24—28日(新陆花苑),和2016年1月7—9日(SVA·世博花园)。本试验在适宜大部分人群活动的天气状况基础上,选取上海冬季典型天气日(晴天或多云天气,考虑到上海气候多雨湿润,短时阵雨天气也被纳入实验范围)进行,期间如遇雨天则实测相应延后。试验比较的重点是3个小区不同空间之间的微气候因子变化规律,而非各小区之间的微气候差异。

实验共采集576例舒适感受指标个案,数据的分析评价运用SPSS和Excel软件的回归分析,具体包括:各风景园林空间微气候因子日变化规律,以及PET与微气候各因子之间的相关性。PET的计算使用RayMan软件,参数采用典型中国男性生理指标(年龄30岁、体重70kg、身高1.75cm),设定冬季服装热阻1.0clo,新陈代谢率90W/m2。

2.2 实验仪器

本研究中的测试仪器为美国Spectrum Technologies生产的Watchdog气象站2000系列。在世界气象组织(World Meteorological Organization, WMO)规定气象测定标准的基础上,基于实验仪器特性,将仪器放置在监测空间相应测试点距离地面1.5m高度处,仪器自动测量时间间隔设为10min。

2.3 基地选择和概况

住区选取的前提条件有:业态成熟、高层住宅、有相当规模的中心花园、公共空间内有长期固定的活动人群,以及风景园林空间种类丰富。基于对上海虹口区和杨浦区居住小区的走访调查,研究选定具有代表性的3个居住小区:SVA·世博花园、瑞虹新城一期、新陆花苑为研究对象(图1~3)。

本研究排除了住区风景园林空间中以交通为使用目的,或无使用者频繁踏足的场所,选取人群自发主动停留,并进行休憩性活动的空间。实验空间锁定为儿童活动区、运动场所、节点广场、小型私密空间和水系周边空间,在本研究中分别将其归纳为广场、滨水、亭廊、庭园4类空间。

实验采取定点观测的方法,在3个小区人群活动密集的广场、滨水、亭廊、庭园空间场地内,分别设置14台(SVA·世博花园)、12台(瑞虹新城一期)和11台(新陆花苑)便携式气象站(表1)。

3 结果分析

研究从热环境、风环境和湿环境3个方面,分类归纳实测数据,对实验测得的太阳辐射、空气温度;总风量、平均风速、风向、阵风风速;空气相对湿度等微气候子因子数据取间隔为10min的平均值进行比较,分析各类空间之间的微气候差别。

3.1 热环境

3.1.1 太阳辐射

测试日,测试小区平均日出时间7:00,日落时间17:30。各区太阳辐射对比结果显示(图4),上午7:00—10:30广场太阳辐射量升幅最大,庭园升幅最慢;中午11:00—14:00滨水的太阳辐射值保持最高,庭园太阳辐射维持平稳;下午14:00—17:30广场和滨水的太阳辐射降幅最快,庭园降幅最低。总体而言,滨水区的太阳辐射总量最大,亭廊区太阳辐射总量最小。从空间结构上分析原因,滨水空间的顶层覆盖物最少,广场其次,亭廊最多,可得太阳辐射和遮阴量呈反比,越开敞的空间太阳辐射量越大。滨水区靠近大量水体,水体的储热力较硬质铺装大,在中午没有树荫遮挡的条件下,滨水空间储热和辐射热都显现出较大的增长幅度。

3.1.2 空气温度

Robert Brown[9]曾在风景园林场所中携带位于面部高度的温度计快速移动,过程中温度计读取的空气温度数值几乎没有变化。因此,他得出的实验结论为空气温度会随着时间、距离和高度而改变,但如果多因素叠加且移动速度很快时,则实测温差很小。

本研究中各区空气温度比较结果显示,0:00—13:00各区的空气温度相差较大,表现为广场>庭园>亭廊>滨水;13:00—24:00,4类空间温度差值逐渐变小,直到基本维持相等(图5)。全天气温均存在各区同步变化规律。太阳辐射引起的物体或空间之间的热量传递是产生微气候变化的根本原因。从实验可见,太阳辐射对空气温度的影响显著,随着正午太阳辐射热到达顶峰,气流带动各区气温缓慢持平;日落后太阳辐射热消失,不同材质的储热率差异导致地表与空气之间的热量传递不均,加剧了夜间各区温差。

3.2 风环境

风环境研究包括各空间内的风量、风向和风速(包含平均风速和阵风风速),是微气候环境中变化幅度最大、最复杂的一类。

3.2.1 总风量和平均风速

各区风速总量统计结果显示,庭园总风量最大,亭廊最小。平均风速日变化统计结果显示,各空间均出现风速频繁急速增减的现象。冬季风速最大值出现频率最高的空间为庭园,其次是广场;数值变化幅度最大的空间是庭园,亭廊的风速变化相对维持平稳。住区风景园林空间的空气流动多以阵风形式出现,无固定持续来风,开阔空间的风量较封闭空间大,空间内边界开口处的风量最大。

3.2.2 风向

风景园林空间内部风向具有变化复杂、难捕捉和不可预知的特点。从城市气象站记录的风向数据得知,测试日各实验小区内的主导风向皆为偏北风。而实验小区各空间实际测得的风向数据结果显示,各风景园林空间的风向日变化各异,主次风向不明,难以进行分析,尚未从实验结果中发现规律。

3.2.3 阵风风速

基于上文所述的风环境变化特征,影响人体舒适感受的风环境因子是人体瞬间感受到的阵风风速,而非某长时段内的平均风速。阵风风速可有效影响短时心理舒适感,甚至形成对特定空间的长时记忆,彻底改变个体的空间感受。由阵风风速记录可见,广场和庭园的阵风强度大于滨水和亭廊,最大差值达7.18km/h,前2类空间的风速感受统计结果明显大于后两者(图6)。

3.3 湿环境

区别于绿量明显偏大的庭园,广场、滨水、亭廊3类空间的空气相对湿度变化趋势基本保持一致(图7)。7:00日出后,各空间空气相对湿度下降,14:30太阳辐射转弱之后空气相对湿度回升,17:30日落后空气相对湿度维持相对平衡的状态。全区最大值和最小值均出现在庭园,最大差值为44.68%,约2倍于其他空间。可初步推算,相对湿度与太阳辐射呈负相关,空间绿量越大相对湿度变化越大。

3.4 热感受指标计算

本研究在预实验期间对比平均辐射温度Tmrt、预测平均投票数PMV和生理等效温度PET这3项热舒适评价指标,结果显示,PET结果与实地主观感受结果最为接近,故而采用PET作为本次评价标准。

PET日变化趋势(图8)同时受到太阳辐射和空气温度影响,日间变化与太阳辐射日变化趋势(图4)相仿,晚间变化与空气温度日变化趋势(图5)相近。PET平均值排序为广场>亭廊>滨水>庭园,最高值和最低值再次出现在滨水区。

PET和微气候因子相关性分析结果显示,在测试日空气温度低于10℃的情况下,PET与太阳辐射呈显著正相关;与空气温度呈显著相关;与阵风风速呈显著弱相关;与空气相对湿度呈显著负相关(表2)。

由各风景园林空间中PET与气象因子相关性的分析结果(图9)可见,显著并能有效影响PET的微气候子因子是太阳辐射,PET与之呈线性正相关,即太阳辐射越大,PET越大;PET和空气温度呈二次函数关系,PET增幅随温度增高而加大,空气温度高于6.5℃后,PET增长幅度骤增;PET和阵风风速相关性较前三者略低,在风速低于0.35m/s时,PET随风速增加而增加,风速高于0.35m/s时,PET随风速增加而降低;PET与相对湿度的关系为气温越低PET越低,但当气温接近0℃且相对湿度高于约70%后,相对湿度越大,PET越高。

3.5 小结

住区各类风景园林空间微气候环境比较结果如下。

广场空间的太阳辐射持续稳定,气温保持在6~8℃,空间内持续有约0.1m/s的微风,空气相对湿度维持在55%~57%,PET平均值最高,舒适度最高。

滨水空间受太阳辐射影响,气温变化幅度最大,尤其表现在最低温度较其他空间低约1.5℃;阵风连续风速偏大且变化幅度大;相对湿度居中,在55%~75%范围内。日间的太阳辐射最大值最高,PET最大值相应最高;夜间所有空间的太阳辐射为0wat/m2时,加之受风环境的影响,滨水的空气温度(Ta)最低,PET总体感受偏低。

亭廊空间受人工遮阴设备影响,太阳终日无法直射,PET与平均辐射温度Tmrt相关性最弱,但与太阳辐射相关性表现良好,究其原因,与空间内为硬质铺地,可吸收并保存大部分热辐射有关。空间内温度变化平稳,受建筑物遮挡风速低且不持续,相对湿度维持在50%~70%,PET最大值和最小值皆为最低,体感恒定。

庭园受空间内大面积植被及周边建筑物遮阴影响,太阳辐射强度最低,且PET与太阳辐射相关性最低。空气温度变化稳定在6~8℃,风速受围合方式影响较多变,相对湿度变化幅度最大,为40%~80%,空间内PET平均值最低,理论体感最冷,但PET变化范围和差值都较亭廊大,热感觉随时间的变化增大,人体感受差异较亭廊大。

图9 各风景园林空间PET与各气象因子相关性分析根据回归分析可见,人体冬季感受受热环境影响最大,其中太阳辐射强度是影响各类空间体验的最主要因子;其次受风环境影响;最弱的影响因子是湿环境。在实验的4类空间类型中,广场的太阳辐射强度最大,空气温度也最高,虽然风速适中、相对湿度高,但还是有最高的PET感受值,最适宜人群活动。亭廊虽无直接太阳辐射,但空气温度适中,在风速和相对湿度最低的情况下,也具备体感较好的条件。滨水空间风速快、湿度高,湿空气的流动带走了空间内部热量,降低了空气温度,因此即便太阳辐射最大,人体仍感觉不舒适。庭园乔灌草丰富,植被覆盖率高,空间围合紧密,太阳辐射低,相对湿度昼高夜低,加之立面上的出入口狭窄,形成明显的风道,人体舒适感受最差。

综合实验结果,最适宜人群冬季活动的空间类型为广场区,亭廊区其次,滨水区和庭园区随后。冬季感受评价突出的空间类型共有的微气候特征为:空间内热量充足、湿度较低、风力微弱且不连续。与良好的微气候环境对应,可满足冬季人体舒适感受要求的空间结构应具备的特征有:底面大面积硬质铺装,在日照下可有效形成微尺度的热量聚集,形成热量团;立面围合分布均匀,可供空气平和均匀流通,无明显风道造成的强阵风现象;顶面开敞,最大程度吸收太阳辐射,提升空气温度(表3)。

4 结论和讨论

日照条件、围合情况和硬质铺装的选择是设计冬季风景园林空间的关键。对住区风景园林空间冬季微气候适宜性设计的建议如下。1)热环境:减少使用人群活动空间的顶面郁闭度,适当增加地面硬质铺装,提升空间内部太阳辐射强度,增加热量积蓄。2)风环境:通过人工手段,形成均质半封闭围合物,分散风力,避免形成明显风道。3)湿环境:适当减少乔灌草多层复合的立面及顶面围合空间,降低相对湿度。

本实验为高密度城市居住小区风景园林空间的微气候实地试验,研究提出了冬季各空间的优选方案,但仍存在一定欠缺。首先,未能将理论感受评价和实际感受评价完全结合,后续研究将继续推进实地主观测试,结合使用者实际体验,验证PET与实际体感之间的实际差距。其次,由于本实验选择基地的空间形式限定,量化结果无法直接用于其他小区。最后,受试验地环境及城市风场变化复杂且规律难以捕捉的局限,本研究中对于城市住区风环境的分析结果存在一定不足,后续研究将继续深入探讨平均风速和阵风风速对人体感受造成的长期和短期影响,建立合理且符合实际人体热舒适感受的模型。注:文中图片均由作者绘制或拍摄。

参考文献:

[1] Peter H. The physiological equivalent temperature-a universal index for the biometeorological assessment of the thermal environment[J]. Int J Biometeorol, 1999, 43(2): 71-75.

[2] Matzarakis A, Mayer H. Heat stress in Greece[J]. Int J Biometeorol, 1997, 41(1): 34-39.

[3] Matzarakis A, Rutz F, Mayer H. Modelling Radiation fluxes in simple and complex environments, Basics of the RayMan model[J]. International Journal of Biometeorology, 2010(54): 131-139.

[4] Matzarakis A, Rutz F, Mayer H. Modeling radiation fluxes in simple and complex environments-application of the RayMan model[J]. International Journal of Biometeorology, 2007(51): 323-334.

[5] 谈建国,邵德民,马雷鸣,等.人体热量平衡模型及其在人体舒适度预报中的应用[J].南京气象学院学报,2001,24(3):384-390.

[6] 郑有飞,余永江,谈建国,等.气象参数对人体舒适度的影响研究[J].气象技术,2007(6):827-831.

[7] 刘滨谊,梅欹,匡纬.上海城市居住区风景园林空间小气候要素与人群行为关系测析[J].中国园林,2016(1):5-9.

[8] 刘滨谊,张德顺,张琳,等.上海城市开敞空间小气候适应性设计基础调查研究[J].中国园林,2014(12):17-22.

[9] Brown R D, Gillespie T J. Microclimatic Landscape Design: Creating Thermal Comfort and Energy Efficiency [M]. New Jersey, U.S.A.: John Wiley and Sons Ltd, 1995.

(编辑/刘欣雅)

作者简介:

梅欹/1983年生/女/浙江绍兴人/同济大学建筑与城市规划学院景观学系在读博士研究生/研究方向为风景园林规划与设计、风景园林气候适应性(上海 200092)

刘滨谊/1957年生/男/辽宁法库人/博士/同济大学风景园林学科专业委员会主任,景观学系教授,博士生导师/国务院学位办风景园林学科评议组召集人/国务院、教育部、人事部风景园林专业硕士指导委员会委员/全国高等学校土建学科风景园林专业教指委副主任委员/住房和城乡建设部城市设计专家委员会委员、风景园林专家委员会委员/研究方向为景观视觉评价、绿地系统规划、风景园林与旅游规划设计/本刊副主编(上海 200092)

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