（城市规划与设计专业论文）可改善室外微热环境的城市基面设计研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 城市热环境是自然环境及人工环境在城市中形成的一种特有环境，它直 接关系到城市居民对环境舒适度的感受，也直接影响到人们生活、学习、工 作及身体健康。因此，城市热环境的改善对创造良好的人居环境，提高人的 生存质量，特别是对于提高炎热地区的人居环境质量有着特别重要的意义。 本文在对研究背景、现状和存在的问题进行总结分析的基础上，通过对 典型基面在典型气候下的主要热环境做实测分析，透过各自“热”现象分析 其与热环境的相关性。进一步地具体分析了构成城市基面的硬质地面、人工 水体，建筑围护结构外表面和绿地的热效应及其对热环境的影响，指出降低 它们的表面温度能有效地减弱对大气和周围环境的长波辐射。并针对现在城 市基面设计中的存在的问题，提出了基于热环境的城市基面优化设计系统思 想以及从微观和宏观层面对城市基面构造方式、构成模式、比列结构及空间 布局等方面进行优化设计的技术措施。 关键词：热环境城市基面优化设计热工性能 a b s tr a c t t h et h e 彻a le n v i r o i l i i l e n to fu r b a ni sak i n do fe s p e c i a le n v i r o n m e n tf o m e d f r o mn a t u r a la n da n i f i c i a le n v i r o 砌e n t i td i r e c t l yr e f e r st ot h er e s i d e n t s f e e l i n go f c o m f o r t a b l ed e g r e ea n da l s od i r e c t l ya f f e c tt h ep e o p l e sl i f e ，s y u d y ，w o r ka n d h e a l t h t h e r e f o r e t h et h e m a le n v i r o n m e n to fu r b a ni so fv i t a li m p o r t a n c et oc r e a t e t h ec o m f o r t a b l el i v i n ga n di m p r o v el i v i n gq u a l i t y ，e s p e c i a l l y t or a s i s et h e e n v i r o i 蛐e n tq u a l i t yo fs w e l t e r i n gr e g i o n i nm i sp a p e r ，w em e a s u r e da n da n a l y z e dt h em a i nt h e m a le n v i r o m e n t o ft h e t y p i c a ld a t u mp l a n eu n d e rt y p i c a lc l i m a t eb a s e d o ns u m m a r i z i n ga n da n a l y z i n gt h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，p r e s e n ts i t u a t i o na n de x i s t i n gp r o b le m s ，a n da n a l y z e dt h e c o 盯e l a t i o nb e t w e e nt h e ma n dt h et h e m a le n v i r o n m e n tt h r o u 曲t h e i ro w n t h e m l a l p h e n o m e n a t h e n ，w ed e e p l ya n a l y z e dt h et h e 肌a 1e f f e c ta n de f f e c t so nt h e m a l e n v i r o n m e n to fh a r dn o o r 、 m a m n a d ew a t e r 、o u t e rs u r f a c eo fb u i l d i n ge n c l o s u r e s t r l l c t u r ea n dg r e e n 一1 a n dw h i c hc o n s t i t u t et h eu r b a nd a t u mp l a n e ，p o i n t e do u tt h a t w ec a nd e c r e a s et h e1 0 n gw a v er a d i a t i o no na t m o s p h e r i ca n de n v i r o n m e n ta r o u n d i tb yl o w e r i n gt h e i rs u r f a c et e m p e r a t u r e f i n a l l y a c c o r d i n gt ot h ep r o b i e m sm c u r r e n td e s i l 舛o fu r b a nd a t u mp l a n e ，w ep r o p o s e da no p t i m i z e dd e s i g ni d e ao f u r b a nd a t u mp l a n eb a s e do nt h et h e m a le n v i r o 砌e n t ，a n dt e m i c a lm e a s u r e so f o p t i m i z e dd e s i g n i n go nm o d eo fc o n s t r u c t i o n 、c o m p o s i n gm o d e l 、 p r o p o r t l o n s t r u c t u r ea n ds p a t i a ll a y o u te t c o ft h eu r b a nd a t u mp l a n e仔o mb o t h t h e m i c r o s c o p i ca n dm a c r o s c o p i cl e v e l k e yw o rds ：t h e m a le n v i r o n m e n t ； u r b a nb a s e1 e v e l ； o p t i m i z e dd e s i g n ； t h e m o p h y s i c a lp r o p e r t i e s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：舌磊 关于论文使用和授权的说明 日期：上册吕昭 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：名吞 导师签名： 势半 日期：沙一厶t 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1研究的背景和意义 随着城市化进程加快，城市面积和人口数量的逐渐增加，工业和经济活 动强度加大，以及构筑的人工下垫面增大，使城市区域的热环境诸因素产生 明显的变化。城市是人类住区的一种形式城市的热环境是现代人类生存的重 要因素之一，在现代化高度发展的今天，高密度城市化引起的城市微气候的 变化越来越受到人们的广泛关注。因此改善城市热环境，改善人居生存环境、 建设生态城市是城市规划和设计的重要内容之一。 1 1 1城市热环境日趋恶化 由于城市化的发展，城市的过度开发和扩张，越来越多的人工环境充斥 在我们的周围。城市热环境恶化主要是城市下垫面结构特征、城市人为热、 气候条件等三方面因素综合作用的结果。城市下垫面结构特征的改变意味着 自然植被通常被不透气和不透水的表面如沥青和水泥、金属所替代，最终使 城市区域水体与植被的分布状况发生改变，乡村区域透水、低温、高湿的自 然地表转变为不透水、高温、低湿的城市地表，同时这种改变将不可避免导 致城市太阳辐射的改变，形成城乡之间表面辐射和气温之间的差异，出现了 在大的气候背景条件下城市区域的特殊气候，即热环境诸因素产生显著变 化，主要表现为大气透明度差，削弱了太阳辐射；气温较高，形成“热岛 ； 风速减小，风向随地面而异；蒸发减弱，湿度变小，城市地表保水性差，调 节微气候的能力越来越弱。 城市往往具有复杂的空间结构，市内建筑、道路、广场、绿地、水体都 对地表能量平衡产生影响，城市热环境中的“热所产生的原因是多方面的。 在白天，城市下垫面吸收的太阳辐射主要用于加热建筑物、土壤、空气和植 物蒸腾，以及水体蒸发。由于城市中建筑密集、人口众多而造成绿化面积和 水面远远低于天然下垫面的水平，加之道路、广场又都是人工铺筑的，透水 性差，因此通过水面蒸发和植物蒸腾散出的热量要少的多，大部分的太阳辐 射必然用于加热空气和实体材料：另外城市中的建筑物增加了地面的粗糙度， 使城市风速减小，也减少了向外围的散热，使城市上空的温度高于周围地区。 这种现象称为“热岛效应”，如图卜1 所示。董雅文总结热岛形成的因素主 要有晗1 ： 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 1 ) 高大建筑群及柏油路面因为反射率小而能吸收较多的太阳辐射，再 加上墙体与地面的多次反射吸收，使城市比郊区获得更多的太阳辐射能； ( 2 ) 城市建筑用材比郊区自然下垫面的热容量( c ) 大，导热率高，使得 城市在日落后下垫面降温速度比郊区小； ( 3 ) 城市因下垫面贮热多，夜晚下垫面温度高，通过长波辐射给空气的 热量也比郊区多，再加上城市空气中有许多污染物，比如c o 。等，它们吸收 地面辐射能力很强； ( 4 ) 城市有较多的人为热进入大气； ( 5 ) 城市因不透水面积大，地面蒸发面积小，植被面积比郊区小，蒸腾 作用小； ， ( 6 ) 城市建筑物密度大，通风不良，不易于热量扩散。 总的来看，建筑材料热工性质及基质结构是城市热环境中“热 的主要 来由，正由于基质和结构的不同，对能量平衡的影响就存在差异。蓄热、导 热大的基质，地表温度高，长波辐射就强，导致气温增高。而城市规划中的 不合理因素，比如不合理的基质搭配，片面追求大广场、大马路而不注重绿 化及水体的合理配置，加剧了城市热环境的劣化。 _ 7 厂厂、 ，、 。 戳 - h 一“瓣 ，黼“j _ j 垒 表搏郊区黼垃中心 筠韭逸 璃市公瑶箨鳗 蓬住区嚣往区君往区 图卜1城市与热岛效应吲 f i g 1 1 u r b a na n dh e a tis i a n d 1 1 2 改善城市热环境是人居环境建设的必要手段 由于人的舒适度主要受4 个因素的影响：太阳辐射、温度、风速、湿度。 因此，环境设计应当以改善城市的热环境为目的，为人们提供一个舒适的室 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 外热环境。在城市建筑物的表面及周围，气候条件都有较大的变化。这种变 化的影响会大大改变建筑物的能耗及热反应。再加上城市是一个人口高密度 聚集、高强度的生活和经济活动区域，其影响就更为严重，可造成与农村腹 地气候迥然不同的城区气候。 近几十年来，由于城市化飞速发展、下垫面结构的改变、以及交通排热 和建筑排热等因素的影响，城市热环境逐渐恶化，“热岛 现象及其负面作 用日渐凸现。城市人口密集、工厂及车辆排热、居民生活用能的释放、城市 建筑结构及下垫面特性的综合影响等是其产生的主要原因。热岛强度有明显 的日变化和季节变化。日变化表现为夜晚强、白天弱，最大值出现在晴朗无 风的夜晚。对于建筑小区而言，由于受规划设计中建筑密度、建筑材料、建 筑布局、绿地率、水景设施及空调、车辆排热、居民生活用能的释放等因素 的影响，小区室外气温也有可能出现“热岛 现象。“热岛 现象在夏季的 出现，不仅会使人们高温中暑的机率变大，同时还促使了光化学烟雾的形成、 加重污染，并增加建筑的空调能耗，给人们的工作生活带来负面影响。此外， 室外热环境的恶化，不仅会影响到人们室外的生活质量，如风速过大不利于 行人行走；而对于大型人员集中场所，如果其夏季室外热环境过于恶劣，当 环境的热舒适度超过极限值时，长时间停留还会引发人群的生理不适直至中 暑。同时，建筑的供暖空调能耗以及空调系统的运行性能也将受到不同程度 的影响。 改善城市户外热环境也是城市户外建筑环境设计的要求。绿地、水体可 调节区域微热环境，使热舒适性得到改善。但一些城市过分强调广场规模， 照搬其它城市广场模式，大面积采用硬质地砖，缺乏合理配置树木、草地、 水体，在夏季势必导致广场的生态环境、物理环境恶化。因此，我们需要寻 找综合利用绿地、树荫、水体、立面绿化、建筑阴影、建筑布局等这些户外 建筑环境设计的方法来改善城市热环境，给城市居民创造一个舒适的生活空 间。 舒适的室外热环境是现代人们所需要和追求的。改善城市室外热环境， 让人们在休闲时更多的选择户外空间，不仅可以缓解建筑能耗的紧张，而且 使人们可以呼吸到新鲜的空气，感受到自然的气息。 1 1 3 研究城市基面设计是改善城市热环境的必要技术方法 城市基面是指城市下垫面范围内一切人工构造层的总和，包括各种地面 的铺垫层、人工开凿的水体、种植的植被以及建构的构筑物。在同一个市区 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 内，各个地区的微热环境都与其临邻近地段的基面及环境条件密切相关。 在全球经济增长迅速，城市化进程迅猛的趋势下，人们越来越追求城市 化和高质量的环境条件，以节省能源、资源和减少环境污染，创造健康舒适 的人居环境为核心的生态城市是人类心目中的美好理想与向往目标。因此， 改善城市热环境，应探索一条应用现代科学技术，利用地区气候条件，通过 对城市基面的合理规划与设计，建立良好城市微气候，再应用现代高新技术， 把室外新鲜空气引入室内，建立室内外互相联系的良性循环热环境。这样既 减少能耗，保护生态环境，又能创造更加理想热环境的可持续发展道路。 1 2国内外研究现状 对城市热环境的研究至少已有17 0 多年的历史。自1 8 1 8 年l h o w a r d 根据对伦敦城市温度场的观察出版了伦敦气候一书后英、法、美、日、德、 加拿大以及后来的中国、印度、马来西亚等许多国家陆续出版了有关这方面 的研究成果的论著。从l o o 多年的发展现状来看对城市热环境的研究大致可 分为城市大气候研究和城市微热气候研究两大类。 1 2 1城市大气候研究 城市大气候的研究分为三个阶段，第一阶段是城市热环境研究的初期， 结束于2 0 世纪2 0 年代术期，这一研究阶段主要呈现以下特点： ( 1 ) 研究工作仅仅是以特定的城市为对象，以城市内外几个有代表性观 测点的观测数据为代表，比较城市内外的温度变化，在观测范围上受到限制， 并且是静态的观测。 ( 2 ) 往往仅研究热环境的某一因素，给出的一般是城市温度的逐月、逐 季或逐年的平均值或累计值，没有从建筑学的角度讨论建筑气候。 ( 3 ) 由于气候条件的多变，无法绘制出城市温度场的分布图h 1 。 2 0 世纪的2 0 年代末，城市气候研究的要素越来越多，研究的地区也日 益扩大。奥地利人施密特于1 9 1 7 年开始对城市内部不同景观地区的小气候 进行研究。他于1 9 2 7 年首创利用汽车装备气象观测仪器做流动观测，在一 个或几个观测地点利用自记记录与流动观测点的观测值进行对比订正，并绘 制订正到同一时刻的气象要素等值线图。利用这个方法可在短时间内收集到 很多点的资料，对城市气候的研究贡献很大，它开创了热环境研究的第二阶 段。p a k r a t z e r 于1 9 7 3 年对这段时期的有关研究作了详细的综合分析， 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 出版了城市气候一书，对2 0 世纪3 0 年代以前城市气候的研究工作进 行了全面的总结哺1 。这一阶段城市热环境研究的主要特点是观测方法的改变， 研究人员已开始作城市温度场的动态测量，但研究仍以观测数据为基础，研 究内容也主要是对单一气候指标进行的，仍没有把城市规划设计与城市热环 境的综合研究结合起来。 第三阶段是应用新技术和新方法研究城市热环境的阶段( 始于2 0 世 纪5 0 年代) 具有以下特点： ( 1 ) 对热环境的观测己扩大到三维。 ( 2 ) 将卫星遥感和航空测试技术用于观测分析。 ( 3 ) 利用计算机进行数据模拟和数学建模分析，风洞实验被用于参数 分析和模拟比较。 ( 4 ) 绘制热岛等值图以及作城市形态和大气污染等的相关性分析。 ( 5 ) 出版了大量的科教书、评论和专著。 ( 6 ) 对城市降水等因素作影响评价。 ( 7 ) 对热环境与城市规模、建筑密度、人口、下垫面粗糙度、街道设 计、视野开阔度因子作相关性比较分析。 ( 8 ) 不仅发达国家，许多发展中国家也加入了研究行列，建筑气候的 研究得到迅速发展，微气候的评价受到重视。 ( 9 ) 深化了对城市热环境变化机理的研究。 ( 1 0 ) 通过对城市热环境的研究将成果更多的应用于实际。 在城市热环境研究的第三阶段才真正开始了建筑热环境的研究，从而使 城市热环境的研究得到迅速发展，内容更加丰富和完善。这一阶段的人们开 始重视城市热环境的机理和应用研究，特别是在1 9 6 8 年比利时布鲁塞尔第 一次国际性“城市气候和建筑气候学讨论会 之后，美国若干大学和研究机 构共十几个单位协作，于1 9 6 9 1 9 7 0 年共同拟定了一项为期5 年的“大都 市气象观测试验计划，这种大协作的专题城市气候观测，在世界上第一次对 城市影响降水问题取得了不少有价值的研究成果，同时还为气象观测的选 点、布点提供了一个良好的范例。 这一阶段的另一个特点是模拟实验、计算机模拟和数学模型分析手段 的运用。用模拟实验法研究城市化对气候与环境的影响是这一阶段研究者一 直沿用的方法。最常用的是将城市实况按比例做一模型，进行风洞试验，这 种方法主要是分析建筑物对风的湍流扰动。j e c e r m a k 对美国科罗拉多州 丹佛城的研究就是这方面的代表性工作拍1 。利用风洞实验，可以研究气压的 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 分布与风的结构，以及城市中污染物扩散分布的情况。这种方法能够直观地 表现出特殊下垫面对气温的影响。但这种方法也存在一些缺点：其一，所做 的城市模型无法模拟城市内部的热力结构；其二，此方法没有预测效果，只 能用于实际评价和分析。由于计算机技术的发展，数值模拟和数学模型工作 得到了很大发展。对于这方面的工作已有很多文献记载。1 9 5 1 年， a s o u n d b o r g 首先用统计模型对城市温度场进行分析，给出了一系列经验公 式，由于缺乏理论基础，因而总带有一定的盲目性 1 。1 9 6 9 年，l o m y r u p 根据能量交换方程，建立了一个城市热岛的静力学模式陋1 。d e l a g e 和t a y l o r 应用方程和绝热方程建立了二维的城市热岛环流的动力学模式阳1 。a h a u e r 和g a m a r o t z ，j c c o i n e r 曾经作过城市气候研究，利用航空照片进 行城市下垫面分类的尝试叩1 。o k e 认为人为热在能量平衡中占的比重因城 市的不同会有很大的变化，并与y a p ，l a n d s b e r g 等分别对加拿大的温哥华、 美国马里兰州的哥伦比亚进行了实测和计算，计算了城市与郊区能量平衡的 差异n 引。w h i t e 经研究发现农业性郊区的反照率是1 6 5 ，而城市邻近区的 住宅的反照率则为1 1 5 ，通用建材与道路表面、以及停车场所的反射率则 降低到5 n 引。 随着城市化进程的加快，我国的城市规模日益扩大，城市热环境受城市 发展的影响越加明显，带动了我国城市热环境研究的发展和深入。与国外相 比，我国城市热环境研究虽然起步较晚，但进展很快。1 9 8 0 年以后，我国城 市气候和热环境研究取得了丰硕成果，出版了北京城市气候、兰州城市 气候、广州城市气候等一系列论著，对我国各气候区的城市热岛、城市 湿度、降水及能见度、城市郊区的辐射特征、城市风场、城市发展对热环境 的影响及微热环境的调节等方面都有一定的研究4 1 5 1 。同时，国外普遍采用 的新技术、新方法和计算机模拟在我国也得到广较好的应用n6 。 1 2 2 城市微热气候研究 城市空间的创造和使用，服务的主体和对象都是人，城市建筑设计和规 划直接影响到城市微热气候，并通过其影响的微热气候作用于人，对人们的 热感觉有直接影响。因此，城市空间的安全性与舒适性已越来越引起空间环 境设计者与研究者的关注，对城市微热气候的研究也越来越深入。 城市微热气候研究主要是针对城市内不同性质下垫面进行对比分析，将 城市内部下垫面按其功能、建筑设计形式、建筑密度、植被覆盖度等进行分 类，研究其地表和城市覆盖层内的辐射、湿度、温度、风速的分布和变化， 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 分析其时空分布的规律及其形成机制，了解其对人体热感觉的影响，从而采 取措施改善城市的微热气候以利于人类的生存。 c 1 a r k ea n db a c h 首先指出，用气象观测站所观测到的温度来推论其对 城市空间中人的健康影响很不准确。因为观测点所在的环境与城市内部的环 境完全不同 。t e r j u n ga n dl o u i e 给出了在不同纬度和季节，人体所接受 的太阳辐射的理论计算方法n 引。p 1 u m l e y 在实测的基础上，考虑地表和墙的 辐射交换，计算了普通着装情况下几种行为，即不同的新陈代谢率，保持舒 适的环境辐射温度上限引。 a r e n sa n db a l l a n t i 则采用风洞实验研究了风对舒适状况的影响。影响 人们户外活动时热反应的因素很多，显然，单纯提出辐射温度上限或只考虑 风的影响是很不全面的引。 尾岛俊雄与三浦昌生测定了几种住宅类型外部空间的风速、空气温度、 墙和地表温度幢1 。测试地点为东京都墨田区( 低层高密度住宅区) 及板桥区 高岛平( 高层住宅区) 。结果表明，在1 k m 1k m 范围内，由于外部空间构成 不同，表面温度差异很大，但空气温度差异很小。中村泰人等对于东西走向 街宽1 6 m 两侧建筑物高1 7 m 的矩形街谷在炎热夏季的气温分布进行2 4 小时 的全天观测，发现街谷内气温在空间分布上无显著差异且与街谷外的气温 基本一致。表面的温度边界层不超过5 0 c m 。同时，他们还观测了街谷内表 面温度与表面热流。实测结果表明，太阳辐射对表面温度与表面热流影响很 大，街道靠北部分表面温度最高达4 8 ，靠北建筑物墙下部表面温度次之为 4 3 2 引。 郑明坤等对夏季长春文化广场进行了实测心3 1 。该广场范围：东西5 0 0 m ， 南3 0 0 m ，坐落于地质宫前。测定了现场气温、地表温度、风速、相对湿度以 及主观感觉。发现广场气温、地面温度略高于街道和林荫带的气温和地面温 度；而广场相对湿度低于街道和林荫地；广场风速大于街道和林荫地。 柳孝图等分别研究了下垫面的结构、材料性质对温度的影响情况，他们 发现n 1 ： ( 1 ) 街道两侧植树绿化有明显降温作用，白天绿地的平均气温比广场低 0 9 ，中午最大温差达2 5 ； ( 2 ) 水体具有调节热环境的功能，水体周围的建筑物不利于水体对邻近 地区环境的降温作用； ( 3 ) 地面铺装材料对温度影响极大。草坪表面的气温比混凝土表面的气 温月平均低l 左右； 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 4 ) 太阳辐射是城市温度变化的首要因素，人为排热和建筑布局在很大 程度上改变了局部地区的微热环境。 为了解决城市热环境问题，国内外也有不少研究人员提出了一些可行措 施。如庞景平提出从城市环境美学的角度，以温湿度作为重要指标，在进行 城市建设时有效控制城市及住宅周围绿化，园林化城市街心花园和马路中间 的绿化幢4 1 。马来西亚著名规划师杨经文认为在评估外部景观设计时，通过地 段规划和景观设计可以实现微观气候的改善，他还提议设计系统与景观植物 结合起来，以造成当地生态系统的发展和弹性，并提出利用竖向景观和植物 降低周围的气温心副。彭一刚指出建筑物的体型系数，指外表面积与体积之比， 对热环境的影响颇大，他强调了温度控制在空间质量中的重要性陋引。张景哲 认为一定面积的水体在夏季具有消暑降温的作用，特别是城市建筑完成区的 水体周围，在夏季常常是城市热岛中的一个低温区心引。周一星等分析了北京 市城市气温与下垫面的结构关系，认为城市绿地有相当大的作用，绿化很好 的建筑区在城市期望的形成中，无论冬夏都是一种降温因素他引。 上述研究基本上都是采用实测的研究方法，这对实测区域的热环境质量 可以给出一种可靠的评价，所得结论为进一步分析研究奠定了基础。甚至可 启发人们对问题的思考，找到解决问题的途径。 1 2 3 研究展望与存在的问题 一方面在现代城市的设计和建设中，设计师往往考虑更多的是其经济、 功能、空间形态、视觉感受，忽视了对街道布局的设计，包括路面材料、建 筑物的高度控制以及绿化的基本要求。另一方面，城市规划虽对城市的容积 率和绿化率都有一定的要求，但是城市居民日益增多，城市空间的有限也就 决定了城市规划部门通过规定宏观指标来改善城市环境的幅度。要想进一步 调节城市的微气候，尤其是温度这一直接影响人类生活质量的重要因子，城 市规划和设计人员就不能仅仅局限于城市规划的角度，还要运用生态学原理 从建筑本身的房屋防辐射、隔热技术以及城市基面材料的选择和结构上进行 调整。因此，通过合理的建筑设计和布局，选择高效美观的绿化形式、植物 搭配、水景设置以及优化地表构造设计，可有效地改善城市微热环境，从而 获得清新宜人的室外空气温湿度和适当的辐射环境。在提供给人们一个美 观、舒适、健康、便利的室外活动环境的同时，也通过传导、辐射、对流、 自然通风等形式降低了建筑围护结构的外表温度及室内气温，有效地降低建 筑的采暖空调能耗，减少人类对于自然资源的使用。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 随着城市化进程的加快，城市规模日益扩大，城市热环境受城市发展的 影响越加明显，由此带动了城市热环境的研究的发展和深入。取得了一定的 进步，但也存在一些问题： ( 1 ) 大多数研究从定性上分析城市与热环境之间的现象关系，但未能深 入到地表设计； ( 2 ) 对微热环境的研究，特别是结合建筑设计和规划的讨论缺乏； ( 3 ) 对夏季热环境研究较多而对冬季的研究重视不够； ( 4 ) 理论研究还有待深化，与服务对象的结合不够，相关研究成果不能 很好利用。 因此，本文研究的重点就是通过对城市典型基面如硬质地面、植被、水 体、等在典型气候下所表现出的“热”现象进行对比分析，由此来研究这些 典型基面所造成的热物理现象与基面设计的相关性，并且通过理论计算方 式，研究城市基面的热工性能及其对热环境的影响机理，寻找规律，揭示基 面形态与热环境之间的关系，从而寻找到能改善微热环境的基面优化设计方 法。这对城市规划和建筑设计以及规划中基面材料的选用和当前城市基面的 改造有着重要的指导意义。这样既能改善区域热环境，又可节约能源、保护 环境，具有广阔的应用前景。 1 3 研究的内容与方法 1 3 1研究的内容 本论文研究的主要内容包括以下三个部分： ( 1 ) 典型基面热环境测试与分析：典型基面在典型气候( 夏至和冬至日) 逐时热湿效应实测和对比分析； ( 2 ) 不同基面的热工性能及热效应研究：典型基面的传热性能与基面形 态、构造做法以及构成方式的相关性研究； ( 3 ) 典型城市基面优化设计：主要包括基面构造的改进，基面优化组合 与布局，基质的优化搭配等。 1 3 2 研究的方法 本课题是基于热环境下的城市基面设计研究，是一个可以从多学科的角 度进行研究的对象。城市规划学、建筑环境学、景观生态学和建筑热工学等 学科研究中的许多方法是本课题研究的理论基础。+ 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 1 3 2 1实验的方法 实验的显著特点就是直观性和准确性。为了更好的揭示城市热环境与基 面之间的关系，在基面热环境研究中，采取了对几种典型基面设点逐时观测 实验，获取不同基面“热现象 数据，以便进一步研究不同基面的热效应差 异。 1 3 2 2 图表法 将实验数据和通过模型计算得到的结果制成图表，能直观地表达不同基 面所产生的热环境效应及其内部规律和变化趋势。 1 3 2 3 归纳综合法 在研究的过程中，采用归纳综合的方法去伪存真，归纳出可供选择的优 化设计方法，以便有效的指导城市基面设计，改善区域热环境。 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 2 典型热环境测试与分析 2 1 热环境主要参数 热环境是指包括空气温度、空气湿度、太阳辐射、气流速度( 风速) 等诸 项因素组成的与人们身体健康、工作效率直接有关的物理环境条件。 2 1 1 太阳辐射 太阳辐射是来自太阳的电磁波辐射太阳辐射直接决定地表空气温度变 化，并主导地球上几乎所有的气候现象。在各种不同波长的辐射中能转化为 热能的主要是可见光和红外线。太阳总辐射能中有4 5 6 来自波长为0 3 8 0 7 6 啪的可见光；有4 5 2 来自波长在0 7 6 3 0 帅的近红外线曙引。 在地球大气层外，太阳与地球的平均距离处，与太阳光线相垂直的表面 上、单位面积、单位时间里接收到太阳辐射能称为太阳常数，通常可取值为 1 3 6 7 w m 2 ，并随着一年中太阳与地球之间距离的变化而有3 5 的变化率。太 阳辐射在透过大气到达地面的过程中又受到大气层的吸收和反射而减弱，其 中一部分穿过大气层直接辐射到地面的称为直射辐射，被大气层吸收后再辐 射到地面的称为散射辐射，直射辐射与散射辐射之和称为总辐射，通常以辐 射照度e 来度量。 对于夏热冬冷地区来说，太阳辐射一方面是造成夏季室温过高的主要 原因，另一方面又是冬季改善室内外热环境，节省采暖能耗必不可少的天然、 清洁、高效度能源。因此在室外环境设计中，应当充分利用太阳辐射的优点， 在夏季防晒得同时，兼顾冬季御寒。 2 1 2空气温度 通常所说的空气温度是距离地面1 5 m 高出的空气温度，通常用摄氏温 标( ) 表示。影响室外气温的主要因素有太阳辐射照度，气流状况和下垫 面的构成情况。其中，太阳辐射是核心因素。这是因为，大气中的气体分子 在吸收和放射辐射能时具有一定的选择性，它对太阳辐射几乎是透明的，直 接接受太阳辐射而升温的幅度是非常弱的，主要靠吸收地面的长波辐射而增 温。可见，地面与空气的热量交换才是气温变化的直接原因，随着时间的不 同，地面与空气的热量交换在不断的发生着变化，气温也随着变化，如图2 1 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 2 1 3空气湿度 空气湿度是指空气中水蒸气的含量，这些水蒸气来源于江河湖海的水面、 植物以及其它潮湿物体表面的水分蒸发。 空气湿度通常可以用绝对湿度和相对湿度来表示。绝对湿度，即每立 方米湿空气中所含水蒸气量，单位为g m 3 ；相对湿度函，即在一定的温度和 气压下空气中实际水蒸气量与饱和水蒸气量的比值引。相对湿度是随着空气 温度和空气中水蒸气的含量而变化的一个数值如图2 2 所示。通常在一天之 内中午气温最高时相对湿度最低而气温降低时相对湿度增高。 薯度 毒0 3 5 3 0 2 5 2 0 ( ) 。厂、 日平均 ii。lt o481 21 62 02 4 时鲤 图2 1气温日变化曲线图2 9 1 fig 2 1 t h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r e inw h o led a y 捆 对髓 曩 度8 0 7 5 7 0 6 5 量度 图2 2相对湿度日变化曲线汹1 f i g 2 2 t h ec h a n g eo fh u m id i t y inw h oied a y 2 1 4 气流速度( 风速) 地球表面增温不同导致了大气压力，由大气压力差所引起的大气水平风 向的运动就形成了风。 风向和风速是描述风的特性的两个要素，通常，人们把风吹来的风向确 定为风的方向，如风来自西南方叫西南风，来自北方叫北风。在陆地上风向 常用1 6 个方位来表示。风速即单位时间里风前进的距离，单位为m s 。为了 直观的反映一个地区的风速和风向，通常用风玫瑰图来表示。 在小范围的局部地区，由于接收太阳辐射不均匀以及受到地形、地势、 地表覆盖、水陆分布等因素的影响而产生的地方性风系。建筑的总体布局以 及绿化和水体的配置都会对风向和风速产生很大的影响，使局部地区的主导 风向可能偏离地区主导风向，风速也会改变，如水陆风、山谷风、街巷风和 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 高楼风等。合理组织和利用地形风可增强自然通风效果，从而降低表面对环 境的辐射热。 2 2 区域热环境 在区域气候的背景下，经过城市化后，人口高度密集，在城市的特殊下垫 面和城市人类活动的影响下，改变了该地区原有的区域气候状况，形成了一 种与周围不同的局地热环境。 在城市化的地区，人类活动对气候的影响首先是通过下垫面性质的改变 来体现的，下垫面是区域热环境形成的重要因素，它与空气间存在复杂的物 质交换和能量交换，同时也是下层空气运动的边界面，对局地热环境的影响 非常敏感。人工建筑物、构筑物高度集中，以水泥、沥青、砖石、陶瓦和金 属板等坚硬密实、干燥而不透水的建筑材料代替了原来疏松和植物覆盖的土 壤或空旷荒地。这些人工材料改变了反射表面和辐射表面的特性，也改变了 表面附近的热交换和表面的气体动力粗糙度。其次，人工铺筑的道路纵横交 错，建筑高度参差不齐，使城市轮廓错综复杂，这种“人为的立体下垫面” 无论在材料还是形状上都不尽相同，因此势必造成区域之间的热环境差异。 影响城市热环境的因素很多，关系也较为复杂。除了受到城市上空大气 环境影响外，它还与周围的建筑布局、形态、材料以及局部的下垫面属性等 多种因素有关。相当于人们在地面上从事各种活动的高度范围里的微热环境 大致可以归纳为3 类阳1 1 ： ( 1 ) 公园、林荫道路以及河流或湖泊的附近地带，是具有很好的蒸发和 蒸腾作用的表面，在夏目无风、晴朗的天气，由于大面积绿地和水体存在， 它们对太阳辐射的反射率大，土壤含水多，蒸发耗热多，所以相对较为凉爽， 一天里的温度变化和波动较小。w il m e r s 发现墨西哥城5 0 0 公顷的 c h a p u l t e p e c 公园对周围半径2 公里范围内的气温有影响剀。g i v o n i 发现 0 5 公顷的公园的冷却效果可以达到其外面2 0 1 5 0m 阳3 1 ； ( 2 ) 无树木的街道、广场、停车场等，这些地方由于功能的需要，地面 大都采用硬质铺装，并且都是无遮挡地朝向天空，其特点是坚硬、不吸水、 含水量少，但蓄热系数和热容量较大，被日晒时吸热多而散热慢。这些地区 的微热环境比较干燥，夏日中午很热，至晚间气温才会有所降低； ( 3 ) 街道和环绕在较高的建筑物周围的院落，这里对太阳辐射的遮挡较 多，因而夏日中午和下午的气温相对较低，晚间的温度变化也不明显。图 2 3 为国外学者测量的城市区域的3 类不同地区微热环境的气温日变化及 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 相互间的差异，与上述分析符合。 图2 3城市区域的三类不同地区8 月初气温的日变化口 f ig 2 3t h ed aiiyv a ria tio nt e m p e r a t u r eo ft h r e e k in d so fd j f f e r e n tc i t y r e g i o na r e a si na u g u s t 2 3 测试区域简介 热环境实测是研究热环境的主要手段之一，是了解不同基面对室外热环 境的影响特征的必要环节，也是指导建立理论预测模型的基础。为了系统的 了解不同基面与环境对室外热环境的影响特征和效果。本论文测定了西南科 技大学教学办公区内的典型基面( 硬质铺地、天然石材、植被基面) 在典型 气候( 冬至与夏至日) 下的热湿环境。 西南科技大学位于东经1 0 4 7 3 度，北纬3 1 4 8 度，属中亚热带湿润季 风气候区，年平均气温17 。实测环境面积约1 3 6 万m 2 ，其中建筑占地 2 2 ，广场占1 4 ，绿地占地4 5 6 ，道路占地9 8 ，水体占地8 6 阳利。 测试点分布如图2 4 ，各测点布置情况及周边环境状况见表2 一l 。第一 次测试时间2 0 0 6 年1 月2 2 日8 ：0 0 1 8 ：o o ，天气阴转多云，测试环境平 均气温7 2 ，平均湿度5 8 ，平均风速1 2m s ；第二次测试时间2 0 0 7 年 6 月2 1 日8 ：o o 2 0 ：0 0 ，天气多云，测试环境平均气温3 2 o ，平均湿度 5 6 ，平均风速1 4m s 。两次实验使用的仪器有温度计、湿度计。测量的主 要参数有温度、湿度，采用移动逐点循环测量，各个测点的温度取垂直地面 的0m 的表面温度和1 5 m 的空气温度，每1 5 分钟记录一次数据，为了比较 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 清楚的看清变化曲线图，取各个测点半小时的平均值作曲线图 。瓣 图2 4各测点布置圉 f ig2 4 t h e 口o s i t i ft h eo b s a t lo n 表2 1测试场所测点布置以及周围环境情况说明 t a b le2 1 t h e e x p l to no fo b s e r v a t l o n s s u rr o u n d in g r o n t 24 冬至日测试结果与分析 241 水岸区测试结果与分析 ( 1 ) 小 叫下垫l 天不同时自j 空气温度变化 西南科技大学硕士研究生学位论文 第16 页 实测结果如图2 5 所示，卵石驳岸与草地的空气温度接近，变化趋势相 似。三者温度峰值均出现在1 5 ：0 0 左右，草地上方的空气温度与硬质铺装 的峰值温度相差1 7 ，与驳岸的峰值温度相差o 2 。硬质铺装上空气温 变化相对于其它两种平稳，波动小。三者中草地空气平均温度为7 5 ，比 石材路面大0 6 ，比卵石驳岸大o 4 。 在此测点，驳岸与草地和水面毗邻，草地空气平均温度大于其它二者， 说明此处草地对提升空气温度有利，也证明了大面积草坪在冬季有提升温度 作用的观点。硬质铺装上空的平均温度小于其它两种，主要原因是面积比草 坪和卵石驳岸小得多，对提升空气温度的作用没有它们大。 1 0 p8 u 蜊 赠6 4 十卵石驳岸一石材路面一草地 图2 5水岸区冬至日不同下垫面上方8 ：0 0 1 8 ：0 0 空气温度变化曲线图 fig 2 5t h ec h a n g eo fairt e m p e r a t u r ea b o v edif f e r e n ts u r f a c ef r o m8 ：0 0t o 1 8 ：0 0o nm i d w i n t e r ( 2 ) 不同下垫面一天不同时间的表面温度变化 实测结果见图2 6 所示，三者的表面温度变化趋势相近，但石材路面的 表面温度要高于其它两种，与草地的表面温度峰值相差1 7 ，与卵石驳岸 的表面峰值相差1 2 。各个表面温度均随太阳高度角的增大而增高，1 5 ： 0 0 左右又开始下降。但每种物质表面的温度变化趋势又不同，草地变化幅度 较其它两种平稳。大多数时间内草地的表面温度要高于卵石驳岸，且草地的 地表温度峰值要先于其它两种1 小时左右到来，可能主要是草地的蓄热系数 要小于其它两种。三者表面平均温度大小排列顺序为石材路面 草地 卵石 驳岸。 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 + 卵石驳岸一石材路面+ 草地 图2 6水岸区冬至日不同下垫面8 ：0 0 1 8 ：0 0 表面平均温度对比 f i g 2 6 t h ea v e r a g es u r f a c et e m p e r a t u r ef r o m8 ：0 0t o1 8 ：0 0o nm i d w i n t e r 图2 7 f ig 2 7 + 卵石驳岸一石材路面+ 草地 水岸区冬至日不同下垫面8 ：0 0 1 8 ：0 0 空气相对湿度平均值对比 t h ea v e r a g ea irh u m i d i t ya b o v ed i f f e r e n ts u r f a c ef r o m8 ：0 0t o1 8 ：0 0 o nm i d w in t e r ( 3 ) 不同下挚面一天不同时间空气相对湿度变化 实测结果如图2 7 所示，草地的湿度峰值要先于其它两种到来，与其表 面温度峰值先于其它两种到来相对应，且在1 1 ：0 0 前草地的湿度要大于另外 两种。但到了午后，随着气温的升高湿度较石材路面与卵石驳岸变化剧烈且 小于这两种。 4 2 o 8 6 4 1 1 1 p p 毯赠 【0【岣节【9【冀曲_ 【9 h! =崎h 寻h! h【h旧冀n 【式【葛【h 二h! o h【0【 冀_ 【6旧节旧【8 踯 加 冰赵蹦餐罢旷甜 一=崎葛o _ 【崎h 9 【? 旧【田h 兮l 【崎? =h 寻【冀h譬【冀n 【一n _ 【 吣冀= h 二_ 【曲? o 【h o h 冀吩t 吣节_ 【8 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 空气相对湿度平均值大小