理论研究 | 应对夏季高温热潮的典型住区室外空间风热环境模拟及降温策略研究——以天津市为例

导读

全球气候变暖的背景下，高密度城市受热岛效应不良影响较大，夏季热浪气旋席卷城市。住区是人群活动的基本单元，是实现存量挖潜、共建共享的重要空间，改善住区风热环境、提升住区气候适应性，建设“温度舒适+海绵韧性+人居健康”的细胞单元成为必然。本文选取天津市“行列式+点群式+组团式+混合式”建筑布局住区为研究样本[1]，提炼住区绿地的空间布局模式，通过CFD物理环境模拟，从社区室外现状风热环境出发，以如何合理规划住区布局空间，形成适应气候的室外环境，降低居住用地内部温度为主线，以“空间布局——气候环境——降温策略”为主要研究路径，总结住区空间布局优化方法并提出基于气候适应性的“通风疏热+植物导热+降温减热”策略，以期改善住区内部高温气候，提升社区室外环境品质，为应对夏季高温热潮提供可行策略。

本文字数：7189字

阅读时间：22分钟

作者

钱博雯，天津城建大学建筑学院

曾穗平，天津城建大学建筑学院

田 健，天津大学建筑学院、天津大学建筑设计规划研究总院有限公司

关键词

高温热潮，典型住区，风环境，CFD，降温

01

引 言

随着城市化进程不断加快，城市绿地空间不断缩减，夏季高温现象较为严重。为应对气候变化危机，盘活存量，做优增量，对社区空间进行精细化管理，营建高效生态空间是为必然。居住用地在城市用地中占比大，且持续高能耗的生活用电、用水使得住区内部温度较高，但绿地公共空间舒适度较低，难以营造健康的人居环境[2]。社区绿地是城市绿地系统中的关键细胞，是降低城市温度、缓解城市热岛效应的关键环境要素，对助推人居环境健康发展具有巨大的生态潜力。

国内对于绿地降温的研究主要从两个方面展开，在规划设计方面，重点依据防护绿地及公园绿地形成城市绿地空间系统，认为绿地空间应满足人均公园绿地面积及城市绿化覆盖率，既有研究多数关注绿地空间可达性及自然通风，从城市整体空间结构、公园空间系统及自然景观方面提出可行策略；在园林设计层面，研究多关注居民主观体验及现状建设成本，难以计算居住区规划设计中提出的绿地率下限是否可以有效缓解住区内部夏季高温问题[4]。

为建设绿色生态化、人居舒适度高的城市绿地环境，本文从住区入手，分析天津市居住区建筑空间布局，提炼现状住区绿地“宅间绿地、组团绿地、中心绿地、道路绿地”四类空间布局，利用phoenics模拟住区室外风热环境，评估客观物理环境模拟现状，提出“通风疏热+植物导热+降温减热”的策略，以期为缓解夏季高温现象提供新思路、新方法。

02

研究区域现状

2.1 研究区域

天津地处北温带位于中纬度亚欧大陆东岸，主要受季风环流的支配，是东亚季风盛行的地区，属暖温带半湿润季风性气候。临近渤海湾，海洋气候对天津的影响比较明显，夏季炎热雨水也较为集中。近期夏季高温气候灾害严重危害人居环境健康，2022-2023年国家气象站监测天津夏季温度普遍≥34℃，自1981-2023年天津市平均最高温度大概在32℃，气温逐年呈上升趋势。由于城市快速扩张，市内六区（和平区、河西区、南开区、河东区、河北区、红桥区）气候变暖、高温热浪和城市热岛效应叠加，城市高温灾害风险增加[5]。

天津市内六区住区多为历史社区及老旧社区，容积率上限2.4，是天津城内居住密度最高的核心区域，内部居住建筑建筑年限久，社区内部绿地环境较差。本研究以天津市内六区4类典型居住区平面为例，对住区中的建筑布局、建筑高度、容积率等进行统计分析，运用PHOENICS进行住区室外物理环境模拟，探索住区室外物理环境气候特点，挖掘社区绿地降温可行性，改善住区内部微气候环境从而有效缓解夏季高温现象。

图1 1981-2023年天津市最高最低温度瀑布图

（资料来源：作者自绘）

图2 2023夏季天津地表温度反演

（资料来源：作者自绘）

2.2 研究对象

选取天津市内夏季温度较高区域进行分析，依据《天津市新型居住社区城市设计导则（试行）》内部提出的“传统合院+里弄式住宅+院落式住宅+联排式住宅+叠拼式住宅+多层住宅+高层一类住宅+高层二类住宅”建筑布局形式，将寒冷地区的住区组团空间划分为四类，在空间形态上分为行列式、点群式、组团式及混合式组团。①行列式布局。居住建筑多以南北向排列，形成宅间绿地空间，空间私密性较强，各个建筑为独立的个体，建筑底部两层多为商业功能。②点群式布局。建筑多为小高层或高层建筑，建筑行间距较大。③组团式布局。由建筑形成多为三面围合式布局，空间形态多呈半开放U型，空间私密感较高，东西向围合建筑采光较差。④混合式布局。由行列式、点群式、组团式结合形成混合式建筑布局，多采取行列式+错列式的建筑布局形式。筛选天津市“行列式+点群式+组团式+混合式”的四类典型住区空间布局，凝练出“宅前绿地+组团绿地+中心绿地+道路绿地”的绿地空间布局形式，构建“等距式+分散式+集聚式+混合式”四种植物布局方式。

基于上述空间分类，以尖山光华里、时代奥城、天拖盈江里及华苑碧华里四个住区展开调查并进行模拟实验（如表1所示）。

表1 四个住区概况（资料来源：地图改绘）

尖山光华里绿地空间布局呈宅间绿地布局形式，植物多为分散种植，乔木较多，灌木及绿地较少；时代奥城呈“组团绿地+中心绿地”的布局方式，植物多为集聚种植及等距种植，乔灌草配置较为完善；天拖盈江里绿地空间布局呈“宅间绿地+组团绿地”的布局方式，植物多为分散种植，组团绿地结合开敞空间采取混合式种植；华苑碧华里的绿地空间布局呈“宅间+组团+中心”的布局模式，植物植物种植呈等距种植。四个住区绿地率多≥30%。

根据网络爬取卫星影像及现状调研实测数据使用三维建模软件建立住区抽象模型。并对各个住区形态进行平面示意及数据整理，辅助物理环境模拟（如表2所示）。

表2住区空间环境要素（资料来源：调研信息）

2.3 研究方法

基于风热环境模拟研究多采取计算流体动力学软件（Computational Fluid Dynamics），本文选用PHOENICS 2019模拟及预测住区室外风热环境现状。依照天津市气象数据，以《GB 50736-2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》为标准，采用中心城区夏季主导风向南风（S），平均风速为1.7m/s。采用平均风速（夏季风向：SSW；风速：1.7m/s，行人高度1.5m）为参数条件进行布局方案的风环境模拟；采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中天津典型气象年数据，选取夏季典型气象日，全天最高、最低气温分别为36.1℃、25℃，太阳辐射最大值1861KWh/㎡，以四个小区为模拟案例，模拟住区室外风热环境，发掘现状问题并提出现状绿地微气候环境优化策略。

选取风速、风压、温度、相对湿度为评价内容，以《中国生态住宅技术评估手册》中提到的风速评价标准为依据，划定风速a＞5m/s时为强风区，1m/s＜a＜5m/s时为舒适区，a＜1m/s时为静风区，同时，夏季板式建筑前后风压差应保持1.5Pa左右，保证建筑死角的通风舒适度；以《城市居住区热环境设计标准 JGJ 286-2013》中采用的居住区夏季平均热岛强度不应大于1.5℃为参考依据。

图3 住区风热环境评价标准选取（资料来源：作者自绘）

03

基于CFD模拟的住区风热环境特点分析

3.1 夏季风速风压模拟及分析

通过PHOENICS模拟分析夏季四个住区风环境风速和风压的模拟情况展现（图 4、图 5），分析夏季风环境情况，总结住区内部不良风场规律，结合住区绿地空间布局类型，提出改善空气流动的有效方法。从风速云图中看出，在夏季南向风向影响下，行列式建筑排布室外风环境较差，风速区间为0.44-1.83m/s，宅间空间静风区域较多，尤其是深蓝色区域风速趋近于零，建筑行间距较小，通风环境较差，空气流通性能较差，形成风影效应；点群式住宅相较前者形成峡谷通风，风速区间为0.23-2.73m/s，建筑两边具有角隅效应，夏季通风散热较好，建筑背面静风区域较多；组团式住宅形成半围合院落，围合区域蓝色较多，风速区间为0.17-2.21m/s，风速较小；混合式住宅由于空间组成多样，且实际来风偏西南方向，整体风环境较好，风速区间为0.32-4.08m/s，局部高层偏围合住宅出现低风速涡流，通风效能欠佳，但住区入口、组团绿地间均形成局部风廊。

总体来看，研究区域外围通风效果均欠佳，围合及低层建筑之间风速较低，应改善宅间绿地的植物配置、增设降温及遮阳设施；高层建筑山墙面出现角隅效应，部分舒适度较低，可通过绿地环境进行优化改善，道路周边可增设道路绿地，优化生态环境。住区室外环境受风环境影响较大，优化住区室外风环境，可有效改善住区通风效能，有效降低室外温度。

图4 住区1.5米行人高度处风速云图（资料来源：作者自绘）

风压云图中，红色为最高正风压，深蓝色为最高负风压，通过对比分析，住宅南侧正风压较大，建筑迎风面及背风面平均风压差维持在5Pa左右，有利于建筑内部通风，围合程度越大，建筑前后风压差越大，迎风面建筑负风压越大。对于混合式的住区，疏通建筑组群、控制建筑高度，有利于改善建筑迎风面的较大风压，从而保护建筑立面构筑材料等。

图5 住区1.5米行人高度处风压云图（资料来源：作者自绘）

经分析，四个住区风速情况主要问题有以下几点：

①行列式住宅建筑排列整齐，随天际线及建筑形态明晰，但通风效率较差；

②点群式住宅整体通风情况良好，但由于高层建筑的角隅效应与峡谷效应，建筑背风面风速较低，但横向建筑间通风情况较好；

③组团式住宅因围合效应，建筑迎风面对风产生阻碍，内部风影区较多，污染物易堆积，宅间空间温度较高；

④混合式住宅因西侧建筑迎风面积较大，阻挡西南风进入地块，西北侧建筑布局较为混乱，导致风速下降，东侧由于建筑围合及较小的间距对室外风环境产生较为严重的影响；

依据住区现状建筑模拟及分析，总结出四个住区室外风环境特征对比分析如表3所示，并结合图4行人1.5m高度处风速云图，判断住区内部各类开敞空间风速大小。

表3住区室外风环境对比分析（资料来源：作者自绘）

3.2 夏季室外温度模拟及分析

根据夏季室外行人1.5米处温度云图可知，高温度区域多位于建筑底部，行列式住宅中，宅间绿地温度多为23-33℃；点群式住宅中宅间绿地温度均值28℃，其中组团绿地温度25℃，宅间部分绿地温度达到30℃；围合式住宅中行列板式建筑宅间绿地温度部分超36℃，组团绿地温度维持在23-27℃，半围合式住宅组团绿地温度为25-36℃；混合式布局行列间绿地温度多为20-29℃，中心绿地温度多为19-25℃。

图6 住区1.5米行人高度处温度云图（资料来源：作者自绘）

3.3 住区各风速区域识别梳理

结合图4、图6行人高度(1.5m)的风速及温度数据，可知区域 A1—A4、B1—B4、C1—C4、D1—D4处风速及温度分别如表5所示，取区域中的最高值及最小值进行对比，风速最低值往往对应温度最大值，风速最高值对应温度最低值。依据《中国生态住宅技术评估手册》中的风速划分住区内各区域，0.0~0.1m/s为无风区，0.1~1.0m/s为静风区，1.0~2.1m/s为轻风区，2.1~3.4m/s为微风区，3.4~5.0m/s为和风区。

表4 风环境特征区域划分标准（资料来源：作者自绘）

行列式住宅A中的四个区域为无风、静风区，需要进行部分建筑错列，提高通风效率，其中A1及A2温度较低，A3及A4温度较高，日晒较为严重，应种植乔木、灌木等改善室外温度；点群式住宅B中的B1、B2、B3为静风、轻风区，轻风区居多，B4多为静风区，其中四个区域温差较小，B1及B2温度较低，B3及B4温度较高，住区整体风速较低，静风区需提高整体风速，轻风区风速及温度适宜，应增设绿植增强植物导风，布置活动空间等；围合式住宅C中C2属于静风及轻风区，C1、C2、C3区域为软风区，住区室外环境具有低风弱风的特点，整体风速应综合提升，C3区域温度较低，舒适度较高，可集中布置绿地活动场地等；混合式住区D中绿地空间组织较为复杂，图中显示D1、D2、D3为静风区及轻风区，D4为静风区，风速适宜，住区内部温度多为22℃左右，体感舒适，可增加绿地开敞空间，增加部分构筑物遮阳等。

表5 住区各区域室外风环境特征提取梳理（资料来源：作者自绘）

04

风热环境优化及韧性提升策略

4.1 应对夏季高温热潮的住区建筑布局降温策略

通过现状模拟总结出以下特征：结果显示各类住区中不同建筑围合形式的室外空间温度不同，围合度较高的空间风速较低，通风疏热效能较差，温度较高；围合度较低的空间太阳辐射较大，温度较高；围合度适中且绿地植物种植较为密集的空间，风速较高，气温偏低。从建筑高度看，建筑遮阴较多，围合绿地空间平均空气温度较低，建筑高度较低较为密集的区域接受太阳辐射时间较短，围合绿地空间温度也较低[6]。

4.1.1建筑布局：类型多元化，布局多样化

住区平均风速从大到小形成点群式≥混合式≥组团式≥行列式的顺序；住区风压从大到小形成点群式≥混合式≥行列式≥组团式的顺序。由于建筑围合度较低，天空视域因子较高，挡风建筑面积较小，日照间距较大，住区内部绿地较多，保证良好通风的前提下提升绿化覆盖率可以有效改善住区室外空间温度。混合式住区不同建筑围合形式形成多类型空间，具备通风疏热的一定能力，住区内部通风较好，形成风速较大片区，重点改善组团绿地植物配置情况；组团式住宅内部绿地空间风速较小，应提高通风效率，改善住区内部慢行系统绿化环境并增加中心绿地竖向绿化；行列式住宅多为板式，沿道路通风现象居多，住区内部风口和涡流较少，通风质量较好，建筑遮阴明显，改善绿地植物种植现状有效降低住区内部温度[7]。

4.1.2 建筑高度：高度均衡化，密度疏密均

建筑高度对于绿地空间温度影响较小，重点影响局部太阳辐射较高的区域。建筑高度较高虽易形成阴影，但过高建筑容易在背风面形成风影区，容易积污，不利于绿地空间改善。应综合考虑绿地空间与建筑密度协调分配，统筹绿地植物配置及绿地舒适度需求[8]。

4.1.3 建筑面宽：面宽合理化，绿地多选择

建筑进深越大，建筑横向间距越小，住区内部建筑背面空间静风面积大，容易形成涡流。不利于内部空间通风及污染物扩散。既有老旧住区部分居住建筑进深较大，且绿地空间大多为宅间绿地，应在南北向建筑中部形成绿地空间，增加植物种植率，降低室外空间温度。

4.1.4 绿地指标：覆盖面积大，植物丰富化

住区规划设计绿地率下限为30%，但绿地平面占地面积较高对于住区内部室外温度影响较低，重点应改善绿化覆盖率，增加绿影面积。增加乔木及灌木种植率，以“等距+集聚”的植物种植布局增加乔木覆盖率，降低室外绿地空间温度[9]。

通过住区内部环境要素调研总结及风热环境模拟，挖潜多情景住区风环境特征及绿地面临的问题，总结出“现有住区存在通风效能有待提高+角隅积污效应较为明显+绿地空间舒适性差”三方面特征，并依据居民需求提出“通风疏热+植物导热+降温减热”模块化改造策略。以期为新建住区规划及老旧住区绿地更新提供新的理论依据。

4.2 应对夏季高温热潮的住区绿地公共空间绿地降温策略

4.2.1 增设水体景观：合理增加水景布局降低场地温度

水体和水景可以起到很好的降温效果。吸收和储存大量的热量，有效降低周边的气温。在住区绿地中，可以设置喷泉、人工湖泊等水景，增加空气湿度及冷却效应降低周边气温[10]。但北方水体景观建设成本较高，后期维护管理困难，成本较高，需根据实际情况进行选择。

4.2.2 添置服务设施：提供遮阴设施改善太阳辐射现状

在住区绿地中设置遮荫设施，如树木、凉亭、棚架等，有效地降低阳光直射地面的面积，减少太阳辐射的影响。增设乔木，合理运用树冠增加阴凉空间，减少地表和周围空气的温度。此外，在体育活动场地设置遮荫设施还可以为居民提供休憩场所，增加公共空间舒适度。

4.2.3 引入新型材料：应用热适应性材料营建绿地空间

利用具有高反射率的材料来减少太阳辐射的吸收和储存，降低表面温度和周围空气温度。采用具有高反射率的屋顶材料、路面材料，减少热吸收。应用具有热容性的材料，维持绿地空间热平衡。利用具有高热容性的混凝土等材料建造公共广场或街区，实现温度调节等。

4.2.4 点状绿化设置：合理的布局绿地空间增加覆盖率

因住区绿地空间较少，以点状宅前+组团绿化为主，增加住区绿地覆盖率。在建筑北侧静风区及道路两边均增加点状绿地，在夏季日晒较严重的区域增加乔木等大型植物种植。在住区绿地的规划和设计中，尽可能增加绿地面积，包括公园、花坛、草地等多样化的绿地形态，提供更多的蒸腾面积和阴凉空间。

4.3 应对夏季高温热潮的住区室外空间综合优化策略

在建筑布局及绿地空间综合优化的基础上，提出“等距式+集聚式+分散式”三种类型的植物布局方式，根据季节、气候变化以及不同需求，通过增加乔木覆盖率，增设乔-灌-草植物综合配置，实现更佳的降温效果，并组合形成各类模块。

各布局形式中草地与平均温度呈负相关，草地面积越大并不能很好改善场地温度，作用效果不显著。灌木对于室外温度影响较小，与草地和灌木相比，乔灌草的植物配置对住区绿地温度改善能力影响较大，随着绿化覆盖率增加温度改善效能逐渐减少，发挥绿地降温作用的最佳乔木覆盖率大约在25%~30%。对于居住区绿地规划设计，应增加乔木覆盖率的界定，增加绿地空间的生态效益。

表6 各类型住区模块化实践探索（资料来源：作者自绘）

以“集聚式+等距式”结合的方式布置乔木，在组团绿地及中心绿地种植；灌木采用“集聚式+有序分散式”布局结合，沿住区慢行系统形成生态纽带，结合等距式乔木有效降低场地温度；大量设置草坪对平均温度影响不大，到达一定限度增加草坪的种植面积并不会产生降温作用。经过实测成年单体乔木可增加大约3m2的阴影面积，平均降低温度0.3℃，集聚式种植的乔木降温效果显著。植物配置不仅要考虑各类植物的生态效益，更应考虑合理布置各类型植物，增加绿地空间竖向植物要素，改善绿地现状生态环境，达到一定降温效果，耦合“等距式+分散式+集聚式”的植物种植形式与“宅间绿地+组团绿地+中心绿地”的绿地空间分布形式，统筹住区规划设计与管理及园林景观建设与后期维护，提升住区绿地降温效应。

05

结 论

随着夏季来临，为缓解夏季住区室外高温现象，营造更为舒适的居住空间，社区室外风热环境现状评估具有重要意义。本研究基于四种典型住区布局现状，借助物理模拟不同建筑布局的室外风热环境，结合夏季主导风向，探讨不同类型绿地行人高度处的空气温度及风速，提出建筑、绿地、植物综合优化的布局策略，达到通风疏热+植物导热+降温减热的效果。通过对比分析出，建筑形态系数对场地通风效果影响居多，点群式错列式、混合式空间布局夏季通风效率较好，建议新建住区采取错列式；同时由于绿地空间对于室外气温影响较大，在老旧住区更新时，多采取改善绿地空间布局方式及植物种植形式的方法优化室外气候环境。

本文通过数字模拟，以典型住区建筑与绿地布局形式为例，运用更直观的方式探讨各类型住区室外风热环境特征，为新建住区规划及老旧住区更新优化提供新的视角，以期为住区气候环境韧性设计指引方向，改善夏季住区高温现象，实现住区室外环境综合品质提升。

参考文献（上滑查看全部）

参考文献

[1] 曾穗平, 田健, 曾坚. 基于CFD模拟的典型住区模块通风效率与优化布局研究[J]. 建筑学报, 2019(02):24-30.

[2] 王柳璎, 李阳力, 陈天. “双碳”目标下寒冷地区城市滨水住区夏季的热环境特征——以天津市为例[J]. 科技导报, 2022,40(06):46-55.

[3] 姜允芳, 李悦, 石铁矛, 等. 城市住区热环境效果模拟与生态节能性研究[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2018,34(06):1145-1152.

[4] 黄海静, 介鹏宇. 高温热浪期间城市空间热环境特征及人群热舒适度评价研究——以重庆渝中区典型空间为例[J]. 现代城市研究, 2024(01):98-106.

[5] 宋德萱, 卜梅梅, 周伊利. 上海老旧住区室外物理环境综合评价体系研究——以三个老公房小区为例[J]. 西部人居环境学刊, 2022,37(04):84-92.

[6] 周志宇, 康健, 舒平, 等. 建筑布局对住区风热环境的影响分析与优化策略[J]. 济南大学学报(自然科学版), 2023,37(03):349-361.

[7] 金雨蒙, 金虹, 康健, 等. 严寒地区城市住区公共空间热环境及热舒适实测研究[J]. 建筑科学, 2021,37(12):29-37.

[8] 薛思寒, 马悦, 王琨. 寒冷地区绿化指标对住区室外舒适度的多途径调控分析——以郑州市为例[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2022,46(01):210-218.

[9] 章莉, 詹庆明, 蓝玉良. 武汉市居住用地绿地降温效应研究[J]. 中国园林, 2018,34(04):47-53.

*本文为2024中国城市规划年会论文

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