城市社区公共空间夏季热舒适优化设计效果CFD模拟与问卷验证

城市社区公共空间夏季热舒适优化设计效果CFD模拟与问卷验证一、研究背景与问题提出在全球气候变暖的大背景下，夏季极端高温天气的出现频率与强度持续攀升，城市热岛效应（UrbanHeatIslandEffect,UHIE）愈发显著，对居民的日常生活、身体健康以及城市生态环境均产生了不容忽视的负面影响。城市社区作为居民日常活动的核心载体，其公共空间的热环境质量直接关系到居民的户外活动意愿与生活品质。然而，当前多数城市社区公共空间在规划设计阶段，往往侧重于功能布局与视觉美观，对夏季热环境的考量相对不足，导致在高温季节，社区公共空间常因酷热难耐而使用率低下，难以满足居民日常休憩、社交与活动的需求。传统的城市社区公共空间热环境优化方法多依赖于经验判断与定性分析，缺乏科学、系统的量化评估手段。随着计算机技术与数值模拟方法的不断发展，计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics,CFD）凭借其能够精确模拟复杂流场与热环境的优势，逐渐成为城市热环境研究的重要工具。与此同时，通过实地问卷调研获取居民的主观热舒适感受，能够将客观的物理环境参数与居民的主观体验相结合，为热环境优化设计提供更具针对性的依据。因此，将CFD模拟技术与问卷验证方法相结合，开展城市社区公共空间夏季热舒适优化设计效果的研究，对于提升社区公共空间的热环境质量、增强居民的户外活动意愿、改善城市人居环境具有重要的现实意义。二、研究对象与方法（一）研究对象选取本研究选取位于我国南方某省会城市的典型老旧社区——XX社区作为研究对象。该社区建成于上世纪90年代，总占地面积约8.5公顷，居住人口约3200人。社区内公共空间类型丰富，包括中心广场、线性步道、组团绿地以及儿童活动场地等，且建筑布局、植被类型与覆盖度、下垫面材质等具有一定的代表性，能够反映我国南方城市老旧社区公共空间的普遍特征。同时，该社区夏季受副热带高压控制，高温高湿天气持续时间长，热环境问题较为突出，具备开展夏季热舒适研究的典型性。（二）CFD模拟方法与参数设置模型建立与网格划分：利用AutoCAD软件对XX社区公共空间的地形、建筑、植被等进行精确建模，并将模型导入ANSYSFluent软件中进行网格划分。为确保模拟结果的准确性，对建筑周边、植被区域以及人流活动密集区等关键区域进行网格加密，网格总数约为120万。边界条件设置：根据当地气象站提供的2025年夏季（6-8月）逐时气象数据，选取典型高温日（日最高气温≥35℃）的气象参数作为模拟的边界条件，包括室外空气温度、相对湿度、风速、风向以及太阳辐射强度等。其中，室外空气温度设置为随时间变化的函数，风速与风向根据当地夏季主导风向进行设定，太阳辐射强度则考虑了不同时段的太阳高度角与方位角变化。热环境参数选取：选取空气温度（T_a）、相对湿度（RH）、风速（v）以及平均辐射温度（MRT）作为评价社区公共空间热环境的关键物理参数。其中，平均辐射温度通过模拟太阳辐射与长波辐射的交换过程进行计算，综合考虑了建筑、植被以及下垫面对辐射的吸收、反射与透射作用。模拟方案设计：为对比不同优化设计策略的效果，本研究设计了三种模拟方案，分别为现状方案（S0）、植被优化方案（S1）以及通风优化方案（S2）。其中，植被优化方案主要通过增加乔木种植数量、提升灌木与地被植物的覆盖度来增强遮阳与蒸腾降温作用；通风优化方案则通过调整建筑布局、拓宽通风廊道、设置导风设施等方式，改善社区公共空间的通风条件。（三）问卷调研方法调研时间与地点：于2025年7月中旬至8月中旬，选取典型高温晴朗天气，在XX社区的中心广场、线性步道以及组团绿地等公共空间开展实地问卷调研。调研时间集中在上午9:00-11:00、下午15:00-17:00以及傍晚18:00-20:00三个时段，以覆盖居民在不同时段的户外活动情况。问卷内容设计：问卷内容主要包括三个部分：一是居民的基本信息，如年龄、性别、职业、户外活动频率与时长等；二是居民在社区公共空间的活动类型与活动时段；三是居民的主观热舒适感受调查，采用ASHRAE热感觉投票（ThermalSensationVote,TSV）与热舒适投票（ThermalComfortVote,TCV）量表，让居民对当前环境的热感觉与热舒适程度进行评价，同时询问居民对热环境改善的需求与建议。样本采集与数据处理：共发放问卷350份，回收有效问卷312份，有效回收率约为89.1%。利用SPSS26.0软件对问卷数据进行统计分析，包括描述性统计分析、相关性分析以及方差分析等，以探讨居民主观热舒适感受与客观物理环境参数之间的关系。三、CFD模拟结果分析（一）现状方案（S0）热环境模拟结果模拟结果显示，在典型高温日的下午14:00（室外空气温度达到峰值），XX社区公共空间的空气温度分布存在显著差异。中心广场由于缺乏有效的遮阳设施，且下垫面以硬质铺装为主，空气温度最高可达38.2℃，比周边建筑阴影区域高出3-5℃。风速方面，社区内大部分区域的风速较低，平均风速仅为0.8m/s，尤其是在建筑围合程度较高的组团绿地内，风速甚至低于0.5m/s，通风条件较差。平均辐射温度的分布则与太阳辐射的照射情况密切相关，直接暴露在阳光下的区域平均辐射温度可高达65℃以上，而在建筑阴影与植被覆盖区域，平均辐射温度可降至45℃以下。综合考虑空气温度、风速与平均辐射温度等参数，采用标准有效温度（StandardEffectiveTemperature,SET*）作为热环境综合评价指标。结果表明，社区公共空间的SET值普遍较高，中心广场区域的SET值可达41.5℃，属于“热不舒适”等级；而在建筑阴影与植被覆盖较好的区域，SET*值约为35-38℃，处于“热中性”至“轻度热不舒适”等级之间。整体而言，XX社区公共空间的夏季热环境质量较差，难以满足居民的户外活动需求。（二）植被优化方案（S1）热环境模拟结果实施植被优化方案后，社区公共空间的热环境得到了明显改善。在下午14:00，中心广场区域由于新增了多棵高大乔木，形成了有效的遮阳覆盖，空气温度降至36.5℃，较现状方案降低了1.7℃。风速方面，植被的存在对气流有一定的阻挡作用，但在植被布局合理的区域，风速仍能保持在1.0m/s左右，与现状方案相比变化不大。平均辐射温度的改善效果最为显著，遮阳区域的平均辐射温度降至40℃以下，较现状方案降低了10-15℃。SET值的计算结果显示，中心广场区域的SET值降至38.2℃，从“热不舒适”等级提升至“轻度热不舒适”等级；组团绿地与线性步道等区域的SET*值则降至33-36℃，达到“热中性”等级。植被优化方案通过增加遮阳覆盖与蒸腾降温作用，有效降低了社区公共空间的热环境强度，提升了热舒适水平。（三）通风优化方案（S2）热环境模拟结果通风优化方案主要通过改善社区的通风条件来降低热环境强度。模拟结果显示，在下午14:00，社区内大部分区域的风速得到了显著提升，平均风速可达1.5m/s，尤其是在通风廊道沿线区域，风速甚至可达到2.0m/s以上。风速的增加促进了空气的流动与热量的扩散，使得空气温度较现状方案降低了2.1-2.8℃，中心广场区域的空气温度降至35.4℃。平均辐射温度的分布与现状方案相比变化不大，但由于风速的提升，人体通过对流散热的效率显著提高，从而有效降低了人体的热负荷。SET值的计算结果表明，通风优化方案对热环境的改善效果更为显著。中心广场区域的SET值降至37.8℃，达到“轻度热不舒适”等级；而在通风条件较好的线性步道与组团绿地区域，SET*值可降至32-34℃，处于“热舒适”等级范围内。通风优化方案通过增强空气流动，有效带走了人体表面的热量，提升了居民的热舒适感受。（四）不同优化方案效果对比对比三种方案的模拟结果可知，植被优化方案与通风优化方案均能有效改善社区公共空间的夏季热环境，但两者的作用机制与适用范围有所不同。植被优化方案主要通过遮阳与蒸腾降温作用降低空气温度与平均辐射温度，适用于太阳辐射强烈、需要长时间停留的区域，如中心广场、儿童活动场地等；通风优化方案则通过增强空气流动提高人体的对流散热效率，适用于通风不畅、建筑围合程度较高的区域，如组团绿地、建筑之间的狭窄空间等。从热环境综合改善效果来看，通风优化方案在降低空气温度与SET*值方面的表现更为突出，而植被优化方案在降低平均辐射温度方面的效果更为显著。因此，在实际的社区公共空间热环境优化设计中，可根据不同区域的特点与需求，将两种方案相结合，以达到最佳的热舒适优化效果。四、问卷验证结果分析（一）居民户外活动特征分析问卷调研结果显示，XX社区居民的户外活动频率较高，约有68.3%的居民每天都会进行户外活动，户外活动时长主要集中在30-60分钟之间。居民的户外活动类型以散步、休闲聊天与健身锻炼为主，分别占比42.6%、28.8%与19.2%。活动时段则主要集中在傍晚18:00-20:00，占比达到56.1%，其次是上午9:00-11:00，占比为27.6%，而下午15:00-17:00由于气温较高，户外活动的居民相对较少，仅占16.3%。进一步分析发现，居民的户外活动意愿与热环境质量密切相关。当室外气温超过35℃时，约有72.4%的居民会减少或避免户外活动；而在有遮阳与通风条件较好的区域，居民的户外活动意愿则明显增强。这表明，改善社区公共空间的热环境质量对于提升居民的户外活动意愿具有重要的促进作用。（二）居民主观热舒适感受分析通过对居民热感觉投票（TSV）与热舒适投票（TCV）的统计分析发现，在现状方案下，居民的平均TSV值为2.3，处于“热”的等级，平均TCV值为-1.8，处于“不舒适”的等级。其中，中心广场区域的居民TSV值最高可达2.8，TCV值为-2.2，热舒适感受最差；而在建筑阴影与植被覆盖较好的区域，居民的TSV值可降至1.5左右，TCV值为-1.0，热舒适感受相对较好。对比不同优化方案下居民的主观热舒适感受发现，在植被优化方案实施后，居民的平均TSV值降至1.6，TCV值升至-0.9，热舒适感受得到明显提升；在通风优化方案实施后，居民的平均TSV值降至1.4，TCV值升至-0.7，热舒适感受进一步改善。这与CFD模拟结果中SET*值的变化趋势基本一致，表明CFD模拟结果能够较好地反映居民的主观热舒适感受，同时也验证了优化方案的有效性。（三）主观热舒适感受与客观物理参数的相关性分析采用Pearson相关性分析方法，探讨居民主观热舒适感受与空气温度、风速、平均辐射温度等客观物理参数之间的关系。结果显示，居民的TSV值与空气温度、平均辐射温度呈显著正相关（P<0.01），相关系数分别为0.72与0.68，表明空气温度与平均辐射温度的升高会导致居民的热感觉更加明显；而TSV值与风速呈显著负相关（P<0.01），相关系数为-0.56，说明风速的增加能够有效缓解居民的热感觉。居民的TCV值与空气温度、平均辐射温度同样呈显著负相关（P<0.01），相关系数分别为-0.65与-0.61，表明空气温度与平均辐射温度的升高会降低居民的热舒适感受；TCV值与风速呈显著正相关（P<0.01），相关系数为0.52，说明风速的增加能够提升居民的热舒适感受。此外，居民的年龄、性别与户外活动习惯等因素也会对其主观热舒适感受产生一定的影响，例如老年人对高温环境的耐受性较差，热舒适感受相对较低；而经常进行户外活动的居民对热环境的适应能力较强，热舒适感受相对较高。五、热舒适优化设计策略建议（一）植被优化策略合理选择植被类型：优先选择冠幅大、枝叶茂密、蒸腾作用强的乔木树种，如香樟、榕树、悬铃木等，以提供有效的遮阳覆盖；同时搭配种植灌木与地被植物，如夹竹桃、八角金盘、麦冬等，增加植被的垂直层次，提高植被的整体降温效果。优化植被布局：在中心广场、儿童活动场地等太阳辐射强烈的区域，采用行列式或组团式种植方式，形成连续的遮阳空间；在建筑周边与线性步道两侧，种植高大乔木，利用建筑阴影与植被遮阳的叠加效应，进一步降低热环境强度；在通风廊道沿线，避免种植过于密集的植被，以免影响空气流动。增加植被覆盖度：通过屋顶绿化、垂直绿化以及地面绿化相结合的方式，提高社区的整体植被覆盖度。对于老旧社区中存在的闲置空地，可进行绿化改造，种植草坪、花卉或灌木，增加绿色空间，改善热环境质量。（二）通风优化策略构建通风廊道系统：结合社区的地形地貌与建筑布局，规划并构建贯穿社区的通风廊道系统。通风廊道应尽量与夏季主导风向保持一致，宽度不宜小于10米，廊道内可设置线性绿地、步行道等，以减少空气流动的阻力。同时，拆除或改造影响通风的违章建筑与障碍物，确保通风廊道的畅通。优化建筑布局与形态：在新建或改造社区建筑时，采用错列式、斜列式等布局方式，避免建筑之间的相互遮挡，增强空气的流通性。对于老旧社区中建筑围合程度较高的区域，可通过拆除部分低矮建筑、拓宽建筑间距等方式，改善通风条件。此外，合理设计建筑的开口与朝向，引导自然风进入建筑内部与周边空间。设置导风设施：在社区公共空间的关键位置，如建筑转角处、通风廊道入口处等，设置导风墙、导风板等设施，引导空气流动方向，增强局部区域的通风效果。同时，可利用地形高差与植被的引导作用，形成自然的通风路径，提高社区的整体通风效率。（三）下垫面优化策略推广透水铺装：将社区公共空间中的部分硬质铺装替换为透水铺装材料，如透水混凝土、透水砖等。透水铺装不仅能够增加雨水的下渗量，补充地下水资源，还能够通过水分的蒸发作用降低下垫面温度，缓解热岛效应。增加绿地与水体面积：在社区公共空间中适当增加绿地与水体面积，如设置小型池塘、喷泉等。水体的蒸发作用能够吸收大量热量，降低周边空气温度；同时，绿地与水体还能够增加空气湿度，改善热环境的舒适度。改善建筑屋顶与墙面材质：对于老旧社区的建筑屋顶与墙面，可采用反射率高、隔热性能好的材料进行改造，如白色涂料、隔热保温层等。高反射率的材料能够反射太阳辐射，减少建筑对热量的吸收，降低建筑内部与周边环境的温度。（四）设施优化策略增设遮阳设施：在中心广场、线性步道、儿童活动场地等居民活动频繁的区域，增设遮阳棚、遮阳伞、廊架等遮阳设施。遮阳设施的设计应考虑太阳高度角的变化，确保在不同时段都能提供有效的遮阳覆盖。同时，遮阳设施的材质应具备良好的隔热性能与耐久性。完善休闲设施：在社区公共空间中合理布置休闲座椅、健身器材、垃圾桶等设施，提高居民户外活动的便利性与舒适性。休闲座椅应尽量设置在遮阳与通风条件较好的区域，座椅的材质可选用透气性好、导热系数低的材料，如木质、藤质等。加强照明与标识系统建设：在社区公共空间中设置充足的照明设施，确保居民在傍晚与夜间的户外活动安全。同时，设置清晰的标识系统，引导居民前往热环境质量较好的区域活动，提高公共空间的使用效率。六、结论与展望（一）研究结论本研究通过将CFD模拟技术与问卷验证方法相结合，对城市社区公共空间夏季热舒适优化设计效果进行了系统的研究，得出以下主要结论：CFD模拟结果表明，植被优化方案与通风优化方案均能有效改善社区公共