高密度地区广场冠层小气候效应及人体热舒适度研究——以上海创智天地广场为例

2017-06-20 23:24:31

张德顺 / ZHANG De-shun 王振 / WANG Zhen

摘要:为揭示高密度地区广场不同冠层与热环境间、人体热舒适度与行为活动间的关联特征,以上海创智天地广场为研究对象,对小气候要素进行冬夏两季昼夜连续监测。研究冬夏季不同太阳方位角和高度角对场地阴影的影响,解析不同冠层在空间和时间两个维度上的组间差异、冬夏差异,并归纳其作用规律。通过对比行为注记与人体热舒适度数据,分析空间热舒适度对广场单位面积人流量的作用规律,并据此提出小气候适宜性广场的设计策略。

关键词:风景园林;高密度地区;广场冠层;小气候;太阳辐射;行为注记;人体热舒适度

文章编号:1000-6664(2017)04-0018-05

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: In order to reveal correlation between canopy of square in dense habitat and thermal environment, between human thermal comfort (HTC) and human activities, the micro-climate factors were continuously monitored during summer and winter in Shanghai Knowledge and Innovation Community Square (KIC Square). The variations of shade in the solar elevation angle and solar azimuth in summer and winter were described, and the difference experimental and control groups, difference between summer and winter in a variety of square canopy groups and their diurnal variation were analyzed. The mechanism of how HTC impacts unit area pedestrian volume was obtained on the basis of contrasting behavior mapping data with HTC data, and the influence factors of HTC was revealed. Furthermore, micro-climate adaptive design strategies were proposed for future square planning.

Key words: landscape architecture; dense habitat; square canopy; micro-climate; solar radiation; behavior mapping; human thermal comfort

城市公共空间的使用、逗留质量受到诸多因素的影响,其中,小气候及热舒适性是影响的核心因子[1]。风景园林的气候适应性设计是改善城市公共开放空间综合功能发挥的重要途径。在古代,园林巧妙利用山石、水体、建筑及植物等园林要素的搭配组合,形成了传统小气候智慧[2]。在现代广场[3]、街道[4]、滨水带[5-6]、居住区等空间小气候改善上,风景园林始终发挥着重要作用。

20世纪初始,室内外环境中的人体热感受和热舒适度已开展研究[7-8]。各国学者通过合理的参数计算制定了PMV[9]、COMFA[10]、PET[11]、SET*[12]、OUT-SET*[13]、TS-Givoni[14]等不同的热舒适模型和指数,以制定和表征不同的人体热舒适度标准和状态。

为探究高密度地区商业中心开放空间的小气候环境和行为活动的关系。选取上海创智天地广场进行实例研究,通过小气候要素和行为活动的定量化分析,从空间和时间变化的角度,解析不同广场冠层空间的冬夏小气候特征,冬夏人体热舒适度与行为活动的关系。

1 场地概况1.1 场地条件

测试场地为上海市杨浦区创智天地园区下沉广场中心区域,场地呈“凸”字形,面积为9 000m2,长度约140m,宽度约56~90m,长边为东北—西南走向(东偏北28°),在场地北侧垂直于长边方向有一条建筑围合的西北—东南方向的通廊。广场中以花岗岩铺装为主,乔木4种,灌木3种,草本植物1种,绿化覆盖率21%。

1.2 气象因素

上海地区属亚热带海洋性季风气候。根据上海市气象中心统计数据分析,上海市最高温度多出现在7、8月,最低温度多出现在1、12月(表1)。

2 测试仪器与方法2.1 测试仪器

小气候测量使用美国产的WatchDog Model 2900ET小型气象站;场地测量仪器主要有180°鱼眼镜头(用于测量SVF,Sky View Factort天空视野因子)、瑞士产Haglof超声波测高测距仪Vertex IV等;行为注记使用加拿大产LadyBug5全景摄像机、单反相机等。

2.2 小气候测试方法

小气候测试在晴朗少云的天气下进行,连续采集昼夜数据,数据采集间隔为10min,具体测试时间为2015年2月7—9日,8月3—5日。数据采集时保持空气温度和相对湿度传感器的高度为1.5m。监测数据有空气温度、相对湿度、表面温度、太阳辐射、风速、风向。

根据广场冠层类型,分为常绿植物冠层、落叶植物冠层、建筑冠层、无冠层4种,及广场对照组(图1,表2)。

2.3 行为注记方法

将创智天地广场中的户外活动分为必要性、自发性和社会性活动3类[15],采用全景摄像机录制、拍摄、访谈等方式进行使用人群的行为注记。

图1 测点分布图

3 不同冠层形式下冬夏热环境分析

辐射是宇宙能量传输与交换的主要方式,太阳能是地球上能量的唯一原始来源。城市广场主要能量来源于地球表面接受的太阳辐射。局部的热湿环境、风环境和大气环境等,也受到太阳辐射的直接影响[16]。故选择太阳辐射量作为热环境研究的切入点,展开分析研究。

3.1 太阳辐射量空间分布分析

根据太阳直射点的季节性移动,结合日出日落时间,取6:30—18:00,5:00—19:00作为冬夏两季的太阳辐射分析时段。

比较各类空间与广场对照组太阳辐射值的平均差值(图2),可以发现:1)在冬夏两季,下沉广场各类空间均有降低太阳辐射强度的作用。平均辐射差趋势在冬季为P1>P3>P2>P4,在夏季为P3>P1>P2>P4;2)冬季平均辐射差值最大为P1,夏季为P3,其原因为悬挑建筑较高,冬季太阳高度角较低时,太阳直射可到达测点,夏季太阳高度角较高时,无太阳直射;落叶植物排序未变,但由于落叶植物在夏季枝叶繁茂,冬季树叶凋落,覆盖率变化较大,导致在冬夏季相差335.99wat/m2,为4组中最大;3)P4和CK虽同为无冠层空间,但由于P4位于下沉广场中,围合形式和程度与CK不同,太阳辐射量在冬夏季均较低。

由此发现,影响广场太阳辐射强度的外因有太阳方位角、高度角、日照时间等;内因有广场内外的围合形式及程度,广场内乔木冠层的覆盖率、高度,及植物的季节性变化等因素。

3.2 太阳辐射量时间变化分析

影响太阳辐射日变化规律的为天文辐射的周期性变化,和大气污染的日变化。上海大气污染浓度的日变化呈两高两低型,8:00和18:00大气污染物浓度较高;0:00和12:00大气污染物浓度较低。晴天太阳直接辐射在清晨和傍晚时,受到的削减更为显著[17]。因此,场地中各测点太阳辐射日变化基本趋势为早晚低,正午高。

综合图3、4发现:1)有无太阳直射可以使太阳辐射值迅速增长或迅速降低的时间提前,如夏季无阴影的P4、CK太阳辐射值比阴影下的各组提前70~110min开始迅速增长,冬季P3组的太阳辐射变化与日影变化基本吻合;2)分析有阴影各组发现,除P3组夏季外,阴影条件下,随着天文辐射量的增加,太阳辐射值增长速度也会从缓升到速升;3)植物冠层的孔隙度使树下的太阳辐射量呈波动状态,夏季树下太阳辐射迅速升高阶段比冬季开始时间早,持续时间长,达到的太阳辐射值高;4)常绿植物夏季波动幅度和太阳辐射量大于冬季,落叶植物夏季同常绿植物相似,冬季树叶脱落,仅剩枝干阻挡太阳直射,与夏季相比太阳辐射量和波动幅度均增加。

4 不同冠层形式下冬夏人体热舒适度与行为活动分析

使用生理等效温度(Physiologically Equivalent Temperature,PET)作为此次广场冬夏人体热舒适度(Human Thermal Comfort,HTC)分析的依据,PET是基于MEMI(Munich Energy Balance Model for Individuals)模型提出的人体热舒适度指标,室内外环境下的PET均可等效于人体在维持体内和体表温度达到的人体热量平衡时相对应的在典型室内环境中的空气温度[11]。体现了人体能量平衡和室外空间长波辐射通量的相互关系,是最合适的户外人体热舒适度评价指标[18]。计算中环境因素为太阳辐射、空气温度、空气相对湿度、风速数据。人体因素条件为性别男、身高175cm、体重70kg、年龄35岁,服装热阻夏季为0.5clo,冬季为1.0clo,活动为新陈代谢率取80W/m2。行为注记采集间隔为1h,观察时间为10min,不研究因通行和工作形成的行为,根据观察的活动人数计算各组单位面积上的人流量,消除场地尺寸对活动的影响;比较人体热舒适度和单位面积上的人流量的关系,分析不同空间小气候对人的影响。

4.1 热舒适度与行为活动的空间分布分析

对各类空间冬夏PET的日均值和行为注记结果进行对比分析,得出如下结论。1)冬季日均值排序为CK>P4>P2>P3>P1,夏季为CK>P4>P2>P1>P3;行为注记结果表明,冬季单位面积上人流量排序为P4>P1>CK>P2>P3,夏季为P3>P1>P4>CK>P2。2)根据图5可知,在冬季PET越高,人感到越舒适,不具冠层的空间比具有冠层的空间更舒适,总体趋势与SVF呈正相关,但P1和P3两组相反,其原因为P3处悬挑空间高度大,冬季太阳直射提高了太阳辐射和气温,以提高人体热舒适度。夏季PET越低,人感到越舒适。具有冠层的空间比不具冠层的空间更舒适,且舒适度随SVF降低而增大。3)冬季最舒适的空间是CK和P4,最不舒适的空间是P1和P3;夏季相反,最舒适为P1和P3,最不舒适为CK和P4。人在冬夏不同气候条件下的人体舒适度要求不同,冬季需要增光、增温、减少通风,夏季需要遮光、降温、通风。因此在冬夏小气候调节时,需要统筹考虑两季大气候特征和人体热舒适诉求(图6)。4)P2组在冬夏两季中PET均处于居中位置,种植落叶乔木是保持广场热舒适度水平的稳妥之举。5)影响冬季单位面积人流量排序的原因主要有枝下高、空间形态,座椅数量及材质,人体热舒适度等。枝下高影响如P2的植物分枝点较低,树下无法开展活动。CK的空间形态为临街的线性空间,以通过性活动为主(不在此次统计中),少有逗留。P1座椅数量较多,材质为木材和石材2种;P3座椅数量小,且座椅为石材,使P3热舒适度高于P1,但使用率低于P1。排除以上原因后,发现P4单位面积人流量最高的原因是该空间的热舒适度最高,即使排除喷泉吸引的人流,其单位面积人流量仍为最高。6)夏季行为活动和人体热舒适度关系更为密切,除P2分枝点过低无人活动外,其他类空间单位面积人流量与热舒适度呈正相关。即使夏季喷泉可以吸引众多戏水、赏景者,P4的单位面积人流量仍较低。4.2 热舒适度与行为活动的时间变化分析

比较分析各类空间热舒适度和行为活动的日变化特征如图7,发现如下。1)热舒适度的变化规律为中午高、早晚低,最低值出现在日出前后。PET对时间的导数可知各空间PET值增降速率。在冬季17:30至翌日8:30、夏季18:00至翌日5:30,PET值较低时增降速率较一致。白天各组增减速率各有不同,基本趋势与太阳辐射相近。2)热舒适度对行为活动具有一定的影响。冬季中午热舒适度均高于其他时段,各测试组中午单位面积人流量也比上下午多。夏季夜晚热舒适度高,各测试组夜晚单位面积人流量比白天多。3)单位面积人流量在夜晚均高于同季节的中午,恰与冬季热舒适变化相反。比较两季各测试组夜晚单位面积人流量占全天的比例可知,下沉广场中各测试组夏季均高于冬季2倍以上。说明虽然受到白天工作夜晚休息的基本生活规律影响,夜晚活动人数较多,但是人们行为活动仍然受到热舒适度的影响,在舒适的夏夜活动人数比例远高于不舒适的冬夜。4)夏季中午热舒适度最低,P3、CK组中午人流量低于其他时段,受到喷泉和午餐休息影响,夏季中午P1、P4组人流量高于白天其他时段,对比两季P1、P4测试组中午单位面积人流量占全天的比例可知,P1、P4组冬季值是夏季值的4.50倍、1.81倍。可见,在同样外因的影响下,热舒适度对行为活动的影响很大。

5 思考与建议

城市广场从物理学的层面上看,必须通过物质手段而设立并获得形式,从而显示出空间特征;从社会学层面上讲,必须满足人的愿望及其他非物质层面的要求[19]。因此,在城市广场的规划设计中,既要实现广场的集散、交通、商业等基本功能,又要营造良好的小气候环境满足人们对环境的基本要求。

1)太阳辐射条件是影响广场热环境的基础,不同季节对太阳辐射的要求不同,夏季需要减少太阳辐射量,增加阴影面积,冬季需要增加太阳辐射量。不同的休闲空间、活动类型对阳光和阴影的要求也不同。因此在广场设计中应对冬至日、夏至日的光照进行分析,再进行组织空间和活动。

2)在小气候适宜性广场规划中,可以根据冬夏小气候诉求和行为活动特征划分分隔的冬夏活动区,如在冬季活动区注重增加光照、提高温度、减少通风等,在夏季活动区注重减少光照、降低温度、增加通风等。可以根据行为活动的时间和性质,进行针对性的小气候设计和空间的优化组合,着重处理早中晚活动使用的空间,自发性活动使用空间等。

3)利用植物、建筑物、构筑物等营造适宜冬夏小气候特征的空间。根据各地常年气象数据,计算人体热舒适度及极端冷/热应激的时间,并结合行为活动习惯,评估冬夏小气候限定和偏好的权重值。

4)场地内外的建筑方位、围合形式及程度都对场地热环境具有一定的影响,尤其在冬季太阳高度角较低时,遮挡形成阴影面积。从季节动态角度思考,建筑可以提供夏季遮阳降温,但在冬季会形成更大的不舒适的低温阴影区。因此,建筑并非小气候适宜性设计的最佳选择。

5)植物冠层在夏季、冬季具有遮挡阳光、降低温度的作用。与常绿植物相比,落叶植物夏季枝繁叶茂遮阳效果相似,但冬季叶落后透光性强,热舒适度更高。因此,在满足广场必要活动所需的硬质空间外,可以适当增加大乔木面积,乔木选择时在保证季相景观效果和常绿落叶比例的同时,可以多种植高大落叶植物,以调节冬夏两季的热环境。

6)基础设施方面,可采用可移动或可开合的遮阳设施,实现夏季遮阳、冬季透光的小气候适应性的动态设计。在热舒适度较高的空间设置座椅,或利用台阶、种植池、小品等增加休闲空间。

7)人群的行为活动需要适宜的活动尺度,植物、遮阳设施下的高度过低或面积过小,会影响正常活动、通风和阴影面积,故应在热舒适度较高的空间采用合适的空间尺度,以保证活动的正常进行。

此次研究以太阳辐射为代表分析热环境,进行广场小气候分析,并以PET为人体热舒适度标准进行热舒适度与行为活动的关系分析。空气温度、地面温度、相对湿度、风速风向等仅参加PET计算,未展开分析。今后还将根据不同季节特征、行为活动及广场空间形态,从风湿热环境的实测与模拟等方面,分析广场小气候和行为活动的时空分布规律,探寻小气候适宜性广场的营造理论、方法和技术。注:文中图片均由作者绘制。

图7 人体热舒适度与行为活动日变化对比图(上为冬季,下为夏季)参考文献:

[1] Eliasson I, Knez I, Westerberg U, et al. Climate and behavior in a Nordic city[J]. Landscape and Urban Planning, 2007, 82(1-2): 72-84.

[2] 张德顺,李宾,王振,等.上海豫园夏季晴天小气候实测研究[J].中国园林,2016(1):18-22.

[3] 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.

[4] 董芦笛,樊亚妮,李冬至,等.西安城市街道单拱封闭型林荫空间夏季小气候测试分析[J].中国园林,2016(1):10-17.

[5] 张琳,刘滨谊,林俊.城市滨水带风景园林小气候适应性设计初探[J].中国城市林业,2014,12(4):36-39.

[6] 刘滨谊,林俊.城市滨水带环境小气候与空间断面关系研究:以上海苏州河滨水带为例[J].风景园林,2015(6):46-54.

[7] Benedict F G, Carpenter T M. The Metabolism And Energy Transformations Of Healthy Man During Rest (1910)[M]. Whitefish: Kessinger Publishing, 2010.

[8] Winslow C E A, Herrington L P, Gagge A P. Physiological reactions of the human body to varying environmental temperatures[J]. The American Journal of Physiology, 1937, 120(1): 1-22.

[9] Fanger P O. Thermal comfort: Analysis and applications in environmental engineering[M]. New York: McGraw-Hill, 1972.

[10] Brown R D, Gillespie T J. Microclimatic Landscape Design[M]. New York: Wiley, 1995, 8: 107-109.

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

[12] Gagge A P, Fobelets A P, Berglund L G. Standard predictive index of human response to the thermal environment[J]. ASHRAE Transactions, 1986, 92(PT 2B): 709-731.

[13] Pickup J, Dear R D. An outdoor thermal comfort index (OUT-SET*) -Part I-The model and its assumptions[C]//Sydney, Australia: 15th International Congress of Biometeorology and International Conference on Urban Climatology, 1999.

[14] Givonia B, Noguchib M, Saaronic H, et al. Outdoor comfort research issues[J]. Energy and Buildings. 2003, 35(1): 77-86.

[15] 扬·盖尔.交往与空间[M].第4版.何人可,译.北京:中国建筑工业出版社,2002:13-18.

[16] 刘加平,等.城市环境物理[M].北京:中国建筑工业出版社,2011:23.

[17] 周淑贞,郑景春.上海城市太阳辐射的日变化和季节变化[J].华东师范大学学报:自然科学版,1992(2):63-73.

[18] Makaremi N, Salleh E, Jaafar M Z, et al. Thermal comfort conditions of shaded outdoor spaces in hot and humid climate of Malaysia[J]. Building and Environment, 2012, 48: 7-14.

[19] 蔡永洁.城市广场[M].南京:东南大学出版社, 2006:5.

(编辑/王媛媛)

作者简介:

张德顺/1964年生/男/山东人/同济大学建筑与城市规划学院教授,博士生导师/高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室/IUCN/SSC委员,中国植物学会理事,中国风景园林学会园林植物专业委员会副主任委员(上海 200092)

王振/1988年生/男/山东人/同济大学建筑与城市规划学院在读博士研究生/高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室(上海 200092)

上一篇回2017年4月第4期目录 下一篇 (方向键翻页,回车键返回目录)加入书签

© 2016 毕业论文网 > 高密度地区广场冠层小气候效应及人体热舒适度研究——以上海创智天地广场为例