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    廣州珠江沿岸不同下墊面區域熱環境分析

    • 作者:
    • 中國暖通空調網
    • 發布時間:
    • 2019-12-09

    杜翔宇,李    瓊

    (華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,廣州   510640)

    摘   要:本文現場實測了廣州珠江沿岸不同測點的空氣溫濕度、風速、太陽輻射等熱環境參數,分析了城市河流沿岸不同下墊面上空的熱環境狀況,并使用WBGT和TSVmodel分析其熱安全及舒適性。研究表明,河流風在白天較夜間更強,有樹蔭的綠地在較高太陽輻射強度下也能保持較好熱舒適,適當的樹木間隔有利于風速的增加。論文也為濱河區域景觀設計提供了建議。

    關鍵詞:城市河流;熱環境;WBGT;TSVmodel

    基金項目:廣東省自然科學基金(2015A030306035);中國博士后科學基金面上項目(2014M560662);全國“香江學者”計劃(XJ2013017);廣州市“珠江科技新星”專項(2014J2200065);亞熱帶建筑科學國家重點實驗室自主課題(2014ZC15) 。

           0   引言

           河流在城市規劃和布局中有重要影響,不僅具有航運、景觀、資源等功能,更對周邊環境的溫濕度、通風、大氣質量等微氣候因素,發揮著重要的調節作用。隨著城市熱島強度的進一步加劇,河流作為改善高溫天氣的天然冷源逐漸受到各研究領域的重視,尤其對城市規劃發展意義深遠[1]。國內外逐漸重視城市河流對熱環境的改善作用,首爾Cheonggye河在取消河流上方水泥瀝青覆蓋后,河流上方平均氣溫降低0.4℃[2];英國某住區中向河流開敞的街道與近河流端有建筑阻擋的街道相比,降溫范圍大30m[3];上海將黃浦江陸家嘴一帶沿岸改造成市民臨水活動空間,利用河流改善公共活動場所的熱濕環境,同時滿足景觀需求[4]。城市河流堤岸設計一般為近自然植物群落造景及濱水景觀和城市環境相融合兩種方法,而后者更為常見,更好兼顧經濟社會效益,如親水平臺、公園綠地、廣場等公共場地,是利用河流對熱環境的改善作用來創造健康舒適的室外活動空間的有效方法[5]。廣場、綠地類型的河流周邊下墊面缺少高大建筑,對河流風的削減作用小,可使河流對微氣候的影響范圍向內陸延伸,是河流與城市建筑群之間的良好過渡區域,因此對該類型下墊面的研究具有現實意義。

           本文通過現場實測的方法獲取熱環境參數,并用濕球黑球溫度(WBGT)和經驗指標TSVmodel對熱環境進行評價,探究廣州珠江沿岸不同下墊面類型的室外熱氣候特征,為河流沿岸景觀設計及改造提供建議。

           1   研究方法

           1.1   現場實測

           本文選取廣州市天河區珠江新城臨江帶狀公園為實測區域,并分別將測點布置于無遮陽硬質鋪裝廣場(測點A)、無遮陽草地(測點B)、有樹蔭草地(測點C)三類下墊面,測點距離河岸均為50m(見圖1)。實測時間為2017年7月13日10:00~20:30,取樣間隔為1min。實測內容包括空氣溫度、濕度、風速、黑球溫度、太陽輻射強度。由于測點B在實測過程中均無建筑物及樹木等物體遮擋,因此可大致認為其太陽輻射強度與測點A相一致。本實測使用儀器如表1所示,溫濕度記錄儀安置于白色百葉防輻射罩中并用三角支架固定在離地約1.5m的人行高度,上部安置有熱指數儀,太陽輻射計置于水平地面。

    圖1   實測區域及測點布置

           1.2   熱環境評價指標

           一般而言,室外熱環境的優劣受氣溫、相對濕度、風速、太陽輻射等自然因素的綜合影響,而熱舒適是與自然因素和個體因素(如服裝熱阻、新陳代謝率等)都相關的評價指標。目前,WBGT已被相關評價體系和標準作為室外熱安全評價指標,國內也有不少相關研究,張磊和孟慶林[6]經過實測和相關性分析,得出了適用于廣州地區基于干球溫度、相對濕度和太陽輻射的WBGT回歸方程:

    表1   實測儀器一覽表

           式中:Ta為空氣干球溫度(℃);RH為相對濕度(%);SR為總太陽輻射照度(W/m2)。本文利用式(1)計算各測點WBGT的逐時值大小。然而上述WBGT計算公式并未考慮風速對熱環境的影響,因此引入對濕熱地區城市室外空間熱舒適有較好預測力的經驗指標TSVmodel,其計算模型如下[7]

           式中:Ta為空氣溫度(℃);V為風速(m/s);G為太陽輻射強度(W/m2)。

           2   實測結果

           實測過程中,測試區域天氣情況大致為10:00~15:00晴到多云,15:00~19:00以多云為主,且云層較厚,19:00后為夜間。圖2為三個測點的逐分鐘空氣溫度和太陽輻射強度變化曲線,由圖可知三個測點均在午后13:50前后達到空氣溫度最高值,分別為35.34℃(A)、34.49℃(B)、33.89℃(C),在15:00前測點A與測點C平均溫差約為1.1℃,測點B氣溫大致介于前兩者中間;15:00后,由于太陽輻射減弱,三個測點氣溫均有明顯下降,測點A和C的平均溫差減小至0.7℃;19:00后在沒有太陽輻射影響下,B點氣溫迅速變化至與C點氣溫基本一致,測點A氣溫依然高出0.4℃,這是由于廣場的硬質鋪裝下墊面的蓄熱能力較強。無遮陽草地的氣溫對太陽輻射強度變化較敏感,15:30~16:00太陽輻射減弱,B點氣溫降低至與C點接近,而17:10太陽輻射的增強又使得B點氣溫略有回升。

    圖2    三個測點太陽輻射強度及空氣溫度變化曲線

           三個測點的各時間段平均風速如表2所示。從中可見,三個測點的平均風速在白天時段均明顯高于夜間時段。這是由于在太陽輻射作用下陸地升溫較快,水陸之間溫差增大,促進河流風的形成,而夜間無太陽輻射,陸地溫度減小,與河流溫差減小,因此河流風減弱。測點B在整個實測過程中平均風速最大,而最空曠的測點A在15:00之后以及全時間段中平均風速均最小。由于廣州夏季盛行東南風,測試區域的來流風向主要為河流吹向陸地,測點B雖然不處于空曠的廣場,但其上風向恰好經過廣場,保證了空氣流動,避免了風速衰減,另一方面,測點B、C周圍都疏密不同地種有景觀喬木,成為空氣流通過程中的屏障,減小了流動面積,當流體流量一定時,流通面積越小,流速越大,因此位于人行高度的測點B、C相比測點A風速偏高,但C處的樹木密度較大,一定程度上加強了對風的阻擋作用,使得風速偏低。

    表2    三個測點各時間段平均風速

           利用各測點的氣溫、相對濕度和太陽輻射強度代入式(1)求得對應時間的WBGT如圖3所示。根據ISO標準7243推薦的WBGT閾值,考慮人們夏季著裝(服裝熱阻0.5clo),在休閑狀態下(代謝率M<117W/m2),相應的人體安全WBGT限值為32~33℃,而夏季人體舒適WBGT為30℃以下[8]。由圖4可知,三個測點均低于熱安全WBGT限制,最高值31.42℃出現在測點A,在10:20~15:00期間,測點A、B的WBGT較接近,均超過熱舒適范圍,且接近熱安全限值,不適宜進行戶外活動,而測點C在全時間段均處于熱舒適范圍,但13:30~14:00測點C處短暫的太陽直射(約750W/m2)使WBGT到達熱舒適臨界值。在太陽輻射強度較大的情況下,河流沿岸有無遮陽區域之間WBGT平均值相差約1.84℃,高于對應的平均氣溫差1.1℃;在多云天氣下,WBGT差值可縮小至0.46℃,低于對應的平均氣溫差0.7℃。

    圖3   三個測點WBGT及TSVmodel變化曲線

           經驗指標TSVmodel的正常(舒適)區域為-0.5~+0.5(如圖4綠色區域),+1表示稍暖,+2表示暖,+3表示熱。測點B、C僅在15:00~16:00氣溫回落和風速增大時達到舒適區,測點C大部分時間是“稍暖”狀態,當太陽輻射增強時迅速變成“暖”狀態(13:30~14:00)。WBGT和TSVmodel隨時間的變化趨勢大致相同,相比之下,TSVmodel的熱舒適評價更為嚴苛,對太陽輻射強度的變化更敏感。在19:00后無太陽輻射作用,氣溫與15:00~16:00時間段相當,但三個測點依然處于“稍暖”狀態,是由于對應時間段的風速比白天小,使TSVmodel值無法達到舒適區域。 

           3   結論

           河流沿岸作為人們休閑娛樂運動的絕佳場所,其熱環境時刻影響著活動人群的舒適健康。本文通過實測得到珠江沿岸典型室外活動區域三種下墊面的相關熱環境參數,并通過WBGT和TSVmodel指標對環境的熱安全性和熱舒適性進行定量評價,得出的主要結論如下:

           河流風在白天較夜間更強,由于在太陽輻射作用下陸地升溫較快,水陸之間溫差增大,促進河流風的形成,而夜間無太陽輻射,陸地溫度減小,與河流溫差減小,因此河流風減弱。

           在較強太陽輻射下,無遮陽廣場和草地上空熱安全與熱舒適指標較接近,且明顯高于有樹蔭的草地,容易超出熱舒適區域;在較弱或沒有太陽輻射下,無遮陽草地上空的空氣溫度能較快恢復至與有樹蔭草地相一致,但廣場上空空氣溫度下降較困難。因此在熱環境優化設計中,可在廣場增設人工遮陽構件或間隔栽種遮陽效果好的喬木,也可采用蓄熱性小或透水的材料作地面鋪裝。

           合理的樹木種植間隔可以在一定程度上改善河流周邊的風環境,實現對風向的引導和對風速的加強,從而改善熱舒適,但過密的樹木帶來良好遮陽效果的同時卻降低風速,對風向下游的場地包括開闊廣場的風場造成重要影響,因此建議河流沿岸的綠地種植樹冠層底部高于行人活動空間的樹種,并保證一定種植間距。

    參考文獻

           [1] 蔣志祥. 水體與周邊植被對城市區域熱濕氣候影響的動態模擬研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2012.

           [2] Kim T H,Ryoo S B,Baik J J. Does the restoration of an inner-city stream in Seoul affect local thermal environment?[J].Theoretical and Applied Climatology,2008,92:239–248.

           [3] Hathway E A,Sharples S. The interaction of rivers and urban form in mitigating the Urban Heat Island effect: A UK case study[J].Building and Environment,2012,58:14–22.

           [4] 周建東,黃永高. 我國城市濱水綠地生態規劃設計的內容與方法[J].城市規劃. 2007,31(10):63–68. 

           [5] 胡云卿. 城市河流水環境區域生態景觀建設系統研究[A]. 中國城市規劃學會、南京市政府.轉型與重構——2011中國城市規劃年會論文集[C].中國城市規劃學會、南京市政府,2011.13.

           [6] 張磊,孟慶林,趙立華,等. 室外熱環境評價指標濕球黑球溫度簡化計算方法[J].重慶建筑大學學報,2008,(05):108–111+117.

           [7] 李坤明,張宇峰,趙立華,等. 熱舒適指標在濕熱地區城市室外空間的適用性[J].建筑科學,2017,(02):15–19+166.

           [8] 陳睿智,董靚. 濕熱氣候區風景園林微氣候舒適度評價研究[J]. 建筑科學,2013,(08):28–33.

    注:本文收錄于《建筑環境與能源》2017年5月刊總第5期《2017全國通風技術年會論文集》中。
           版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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