基于微气候的关中地区海绵街谷绿化设计策略思考

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论文字数:52155 论文编号:sb2022021719270343648 日期:2022-02-22 来源:硕博论文网
本文是一篇建筑论文,本研究发现街谷高宽比和绿化共同影响着街谷微气候与热舒适情况。街谷高宽比越大平均辐射温度越低、风速越高,街谷 SET 值越低;街谷绿化尤其是乔木随着街谷高宽比的增大,其对空气温度、平均辐射温度的降低作用变弱,对街谷风速降低作用变强,各街谷热舒适情况主要是取决于其平均辐射温度和风速对街谷 SET 值影响的大小。

第一章 绪论

1.1 课题来源、研究背景及意义
1.1.1 课题来源
本文的课题来源于省级课题“适应气候变化的韧性城乡系统规划理论与实践营造体系(2020TD-029)”中的第一部分《基于“基本生态单元”的城市微气候调控理论与营造体系研究》,并与导师商定后确认选题。
1.1.2 研究背景
经济和科学技术的发展促进我国城市化进程不断加快,城镇化是保持经济持续健康发展的强大引擎,也是推动社会全面进步的必然要求。然而,随着我国城市化进程的加快,不可避免地出现了城市热岛效应、空气污染、城市内涝、水污染等一系列问题,这些问题的出现严重影响了人们的日常生活。十八大全国代表大会的报告中明确表示,“面对严峻的城市化发展形势,例如资源紧张,环境污染和生态系统退化问题, 为此,有必要创新城镇化发展路径,实现可持续发展[1]”。
城市化导致太阳辐射的吸收和反射发生变化,这些变化源于多种因素,包括热导率和比热容,城市地区使用的材料,地表反照率,城市峡谷形态和人为热量的输入等[2 ,3 ,4 ,5 。全球气候变化导致的气温升高可能加剧高温并对城市地区居民造成健康影响,因此迫切需要一个可以被评估的缓解城市地区相关温度的策略[6 ,现在已提出一种改善策略称之为“绿色”,其实质是通过增加城市绿量和树木的覆盖度来改善城市微气候。
树木的潜在降温效果,主要是因为对太阳辐射的遮挡和蒸腾作用。绿化面积、绿化郁闭度、植物自身的类型和生长情况等要素的差异都会使城市道路绿化的降温增湿效果不同[8 。另外,树木热效应与城市街谷形态密切相关,对于任何覆盖程度的树木而言, 冷却效果都是不恒定的 。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外街谷绿化及微气候相关研究
日本 Tsuyoshi Honjo(1990)利用数值模拟的方式研究了绿地对其周围区域热效应的影响,研究发现受影响区域的范围是绿色区域的比例和绿色区域之间间隔的函数,较小间隔的绿色区域能够有效冷却空气温度[10 。
以色列 Said H(1993)研究了不同高宽比街谷行人热舒适的差异,研究指出不同高宽比街谷内评价辐射温度相差较大,街谷高宽比越大能够减少更多太阳辐射从而导致 PET(等效生理温度)的降低 [11 。同样有学者指出,狭窄的街谷能够通过建筑的阴影为行人提供更多的荫庇。在极热湿润气候下的 Colombo,Sri Lank,研究者通过场地测试和模拟发现,深街谷在改善行人热舒适度上有着很大的潜力[12 。
希腊 Johansson E(2006)发现一些学者对城市微气候和街谷形态的关系探索多集中于两侧建筑高度几乎相同的对称街谷中。这些研究大多发现在中低纬度地区的夏季时节以及赤道地区的全年时段,街谷深度越大行人被阴影遮蔽的面积和时间越大,从而使得街谷行人热舒适状况越好。
希腊 Eleftheria Alexandri(2008)研究了不同气候下屋顶绿化和绿墙对街谷温度的降低作用,研究指出在炎热干旱的地区,屋顶绿化最大可以降低屋顶空气温度 26.01℃,日平均空气温度可降低 12.81℃,在气候潮湿地区,在屋顶和墙壁都有植被覆盖的情况下,气温最高可降低 8.41℃,屋顶绿化和绿墙在炎热干燥的气候中对温度的降低效果更明显。在一个小区域内,绿色屋顶和绿色墙壁仅对一个小区域的空气温度有降低作用,如果将该措施应用到整个城市规模,整个城市的空气温度都会有所下降,尤其是在炎热的夏季,建筑的制冷率也将受到影响[18 。
以色列 Limor Shashua-Ba(2010)研究了不同城市形态下树木的降温作用,研究指夏天炎热潮湿气候下树木的降温效果非常重要,最高可降温 3–4℃大约是空气温度从日出到中午升高的 50%;发现了城市道路中树的潜在降温效果主要取决于其树冠覆盖程度和种植密度,其他方面几乎没有物种特征;树木的热效应与街谷几何形态有很大的关系,对于任何树木覆盖程度,其冷却效果都不恒定的,开放空间越深(高宽比越大)树木对空气温度的冷却效果越小,开放空间越浅(高宽比越小),应选择冠层较大的树木来降低夏季午间空气温度[9 。Limor Shashua-Bar(2000)在另一篇文章研究指出,相聚 200 米的小花园其冷却范围可达到 100 米[19 。
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第二章 气候分析及现场调研情况

2.1 关中地区城市气候特征
2.1.1 关中地区气候分析
关中地区特指陕西省中部的一些地区,由西安、铜川、宝鸡、咸阳、渭南五个省辖地级市组成,总面积可达 5.55 万平方公里。以西安为中心的关中地区,被划分为寒冷地区,寒冷地区主要指标为最冷月平均温度在 0-10℃间,辅助指标为日平均温度≤5℃的天数≥145 天[41]。随着全球气候变暖趋势,关中地区春、秋季节气温也在显著上升,夏季延长成为季节变化的主要特征。西安地区成为关中地区高温中心,且高温范围逐渐向西扩散[42]。随着关中地区夏季延长和日渐增多的高温现象成为影响室外行人热安全和热舒适的重要问题。
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2.2 城市微气候评价及绿化影响要素选取
2.2.1 城市微气候单因子要素
所谓单因子要素,指的是被人感知的单独的物理气候现象,在微气候的研究中,空气温度、相对湿度、太阳辐射和风速能够直接影响人体冷暖、干燥、闷热的情况。这些要素之间相互联系和影响,其中以太阳辐射和风速对人体热感觉影响最大。街谷形态如街谷高宽比和街谷走向、街谷中的乔木都对微气候中的太阳辐射、风速、相对湿度、空气温度有较大的影响。 空气温度和太阳辐射:
空气温度(Air Temperature)又称为气温,单位为℃。可以用来表示空气冷热程度,但空气的冷热程度并不一定代表人体冷热的感知程度。太阳辐射是引起气温变化的主要原因,原理为太阳长短波辐射通过散射或直射的方式给地面加热,地面热量再以热传导或对流的方式传给空气,所以减少地表面得热在理论上可以有效的降低空气温度。海拔高低、街谷深度大小、下垫面材质和树木的遮挡都可以影响街谷内部接受的太阳辐射热量。
相对湿度:相对湿度(Relative Humidity  ),用 RH 表示,单位为%。自然界中太阳辐射和风速会影响相对湿度的变化,绿化景观因素中,喷泉水体和绿化植物也能影响公园、广场、街谷的相对湿度。在保持其他物理热环境参数不变的同时当空气温度值维持在较高的水平时,人在相对湿度越大时感到越热[34],这一点在南方多雨地区尤其明显,夏季不但空气温度高,且空气中水份含量容易饱和,人体在要出汗时水分无法向空气中排除导致人体感觉更加闷热;当空气温度值维持在较低的水平时,人在相对湿度越大时感到越冷。这是由于当相对湿度的增加时,人们所穿的衣物也会更加潮湿并且热阻变小,导致对流换热量变大[42]。
风速:空气流动的速度称为气流速度,单位(m/s),风出现的原理为空气之间的温差和气压之间的大小差异引起了相对于地表面的空气运动,在夏季风可以带走人体表面的热量进而使人感觉凉爽,在冬季过大的风速会使人感觉更加寒冷。相对于室内风速,室外风速具有较强的不稳定性,主要是因为建筑外维护结构阻挡了风的进入从而显示出较为平稳的风速或者无风状态,而室外风受诸多因素导致的空气温差引发的空气流动影响较多[43]。因此,合理的对街谷形态进行控制可以有利于控制街谷风速,另外乔木对街谷风速也有一定的影响作用,在合适的地点种植乔木可以有效的降低冬季吹风感[44]。
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第三章 海绵街谷微气候实测研究 .................................. 21
3.1 街谷微气候实测方案 ................................................. 21
3.1.1  实测地点及测点布置 ............................................ 21
3.1.2 测试仪器及方法 ................................... 22 
第四章 绿化对街谷微气候影响模拟研究 ..................................... 35
4.1 城市微气候模拟软件 ............................................. 35
4.1.1 ENVI-met 软件介绍 ............................. 35
4.1.2  ENVI-met 模型构建与网格划分方法 ................................ 36
第五章 海绵街谷绿化设计策略研究 ..................................... 85
5.1 街谷绿化设计策略 .............................. 85
5.1.1 H/W=0.5 街谷绿化设计策略 ..................................... 85
5.1.2H/W=1 街谷绿化设计策略 ............................................ 86 

第五章 海绵街谷绿化设计策略研究

5.1 街谷绿化设计策略
5.1.1 H/W=0.5 街谷绿化设计策略
如图 5-1 所示,H/W=0.5 街谷建筑低,建筑阴影在上午 10 点和下午 14 点遮蔽街谷空间四分之一左右,中午 12 点则无阴影遮蔽,下午 16 点时随着太阳高度角偏移,街谷能够被建筑阴影遮蔽的区域变多,总体来说,H/W=0.5 街谷在全天受太阳辐射强,街谷地面吸热多,空气温度高,街谷热舒适情况受热辐射的影响大。此时,对于街谷热舒适而言,有效的降低太阳辐射是改善街谷热舒适情况的主要选择,在降低太阳辐射的基础上控制控制街谷风速能够更有效的维持街谷热舒适情况。
建筑论文参考
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结论


本文主要对关中地区海绵街谷微气候进行研究,首先通过实测与数据分析来比较透水、非透水沥青道路和具有不同绿化的街谷微气候现状;另外通过城市微气候模拟软件 ENVI-met 对三种高宽比街谷(H/W=0.5、H/W=1、H/W=2)不同绿化结构、冠层尺寸、种植密度下街谷空气热湿环境、风环境进行研究,分析对比不同绿化要素在三种高宽比街谷内对微气候的影响差异;最后采用室外热舒适评价指标 SET 综合考虑三种高宽比街谷不同街谷绿化要素对于街谷热舒适的影响作用。具体研究成果如以下所示:
(1)通过比较夏季雨后和普通天气实测数据可知,雨后透水沥青路面表面温度和湿黑球温度在一定时间段内均明显低于普通沥青道路,而在非雨后的普通天气透水沥青道路对空气温度、湿黑球温度等无明显降低作用;绿化方面,冬季和夏季乔木对街谷风速影响明显,而单独的绿化草带对风速的影响与无绿化处相比无明显差别,夏季乔木对街谷空气温度、相对湿度和黑球温度的积极影响要大于冬季,草带在冬夏两季影响效果都不大。
(2)研究发现街谷高宽比和绿化共同影响着街谷微气候与热舒适情况。街谷高宽比越大平均辐射温度越低、风速越高,街谷 SET 值越低;街谷绿化尤其是乔木随着街谷高宽比的增大,其对空气温度、平均辐射温度的降低作用变弱,对街谷风速降低作用变强,各街谷热舒适情况主要是取决于其平均辐射温度和风速对街谷 SET 值影响的大小。
(3)与无绿化街谷相比,单独的绿化草带和灌木带对三个街谷微气候和热舒适情况影响都不太明显,而乔木有明显的降温增湿和降低风速作用,于 H/W=0.5 和 1 街谷而言,乔木对平均辐射温度降低程度大于风速降低程度对街谷 SET 值的影响,这种情况下乔木对街谷热舒适有着积极作用,对于 H/W=2 街谷而言,街谷风速成为影响街谷热舒适的关键,大幅度的降低街谷风速使乔木对街谷热舒适产生消极影响,从日间整体热舒适角度出发,单独的绿化草带更有利于维持 H/W=2 街谷热舒适情况。
参考文献(略)


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