城市中心热环境设计结果

城市总体布局指标包括密度、强度、高度三个指标。这三个指标被普遍用于城市规划领域，作为控制城市规模的指标，城市设计、规划法规引导、规划研究过程中都广泛研究这三个指标。城市中高密度区域和低密度区域以及道路公园等开敞空间呈现一种随机的混合状态。各种指标综合作用，使得城市热岛效应及气流流动也呈现出一种无规律的复杂状态。本小节旨在探究密度、高度、强度三指标对热环境的影响机制。

城市建成区强度、密度、高度等指标会影响每一个不连续的城市区域气候，所有累积起来的效果决定了对区域气候的改变，这种改变主要集中在风力、空气温度、太阳辐射、自然采光等方面^[1]。本章中模拟采用ENVI-met软件^[2]，建立200m×200m街区样本区域，通过高度分别为3m、10m、20m、30m，平面为20 m×20m建筑体块的规则排布组合，形成单指标变化的比较。初始条件为2014年6月29日中午11：00—14：00，风向东南风^[3]，10m高处风速1m／s，10点初始温度19.5℃，模拟地点设置为南京（北纬32°18′，东经118°18′）。

1）密度指标

密度表示个体集中程度，是一种客观、定量、中性的空间指标。常见的表达有人口密度、道路密度、建筑密度、居住单元密度等。此处密度指标指建筑密度，建筑密度又称为建筑覆盖率，等于建筑基底面积与街区用地面积之比（图2-2），等于（b1+b2+b3+b4+…+bn）／p，bi为建筑占地面积，p为街区总面积。城市规划中通过控制街区建筑密度指标来保证绿化与景观面积，以提供舒适的开放空间。可见开放空间率是建筑密度的反向指标，等于街区开放空间面积与街区总用地面积之比。由于近地面摩擦增加，城市建筑密度的增大会减少城市区域中的气流，这同城市街道走向及建筑朝向与风向有密切关系。

图2-2　密度示意图

＊资料来源：作者自绘

我们可以知道在同样规模条件下，密度增大意味着建筑之间空间变小。白天，由于建筑间互相遮阳作用，地面及立面多处于阴影之中，导致白天温度并不高，而夜晚散发的长波辐射多，同时由于天空可视度低，向天空散发的热量远远少于低密度地区。城市中心区与城市郊区就是高密度与低密度的典型，同样验证密度对热岛强度的影响。在现实城市中，城市密度对热环境的影响是复杂且矛盾的，一方面高密度意味着人口众多，空调产热、交通、停车问题都会造成大量人为热的释放；另一方面，高密度会阻碍城市通风，增加建筑间互相遮挡太阳辐射。总的来说，现实中高密度城市区域产热远远大于其他地区。

ENVI-met理想模拟结果见表2-1、图2-3和图2-4，在低风速条件不考虑人为热释放前提下，通过比较夏季中午三个小时平均空气温度发现，结果随密度增加而减小。比较夏季全天平均辐射温度变化，发现低密度地区白天中午平均辐射温度最高，夜晚平均辐射温度最低；高密度地区白天中午平均辐射温度最低，夜晚平均辐射温度最高；同样的现象在地表温度和空气温度统计中也有显现，但空气温度的变化差异最小，而地表温度的变化差异最大。由于高密度会阻碍城市通风，在低风速模拟下更多反映太阳辐射对热环境的影响。

综上所述，通过实验模拟我们可以得出以下结论：在10m高处风速为1m／s的理想模拟条件下，不考虑人为热因素的影响，密度变化范围在16%～49%内的规则排布街区，白天地表温度、平均辐射温度及空气温度同密度呈现一定负线性相关性，而在夜间则呈现一定正线性相关性。

表2-1　不同密度条件下热环境变化

续表2-1

＊资料来源：作者整理绘制

图2-3　不同密度条件下全天平均辐射温度变化

＊资料来源：作者自绘

图2-4　不同密度条件下夏季中午和凌晨平均辐射温度变化

＊资料来源：作者自绘

2）高度指标

高度指标是衡量城市三维形态的重要指标，根据不同的计算方法与评价内容，可以分为平均高度、基准高度、最高高度、最低高度等，本书选用平均高度作为高度指标。平均高度指街区建筑的平均建筑高度，等于各个建筑高度之和除以建筑个数（图2-5），平均高度=（h1+h2+h3+h4+h5+h6）／6。平均高度增加会影响街区内部阴影及通风。由于夏季正午时建筑阴影较小，且当建筑高度达到一定高度时，阴影变化不显著，因此高度影响风环境进而对空气温度影响较大。在现实城市中，随着高度的增加，空调、电梯、交通等人为热释放理论上都是增加的。

图2-5　平均高度示意图

＊资料来源：作者自绘(www.xing528.com)

ENVI-met理想模拟结果如表2-2、图2-6和图2-7所示，夏季正午平均空气温度随高度增加而降低。随着高度的增加，夏季中午平均空气温度降低，平均地表温度也呈现下降趋势，而夜间呈现相反结果，温度出现上升趋势，凌晨平均空气温度最高值出现在60m样本中。

综上所述，通过实验模拟我们可以得出以下结论：在10m高处风速为1m／s的理想模拟条件下，不考虑人为热因素的影响，高度变化范围在20～60m的规则排布街区，白天地表温度、平均辐射温度及空气温度同平均高度呈现一定负线性相关性，而在夜间则呈现一定正线性相关性。

表2-2　不同高度条件下热环境变化

续表2-2

＊资料来源：作者整理绘制

图2-6　不同高度条件下全天平均空气温度变化

＊资料来源：作者自绘

图2-7　不同高度条件下夏季中午和凌晨平均空气温度变化

＊资料来源：作者自绘

3）强度指标

此次所指强度是用地开发强度，也就是容积率指标。容积率等于总建筑面积与街区总用地面积之比。容积率是衡量建筑容量强度的指标，不受建筑形态与组合方式的影响，容积率在城市规划中广泛用作规划控制标准指标，以控制过度开发。在相同建筑密度条件下，更高的容积率表示建筑高度的增加和容量占据更多三维空间；而在相同高度条件下，密度增大，容积率也随之增大，可见容积率是一个同建筑密度和建筑平均高度都息息相关的指标（图2-8）。

图2-8　容积率示意图及容积率与高度、密度的关系

＊资料来源：作者自绘

前面密度和平均高度的增加都引起了容积率的增加，前文中两组模拟实验结果表明：夏季中午平均空气温度随容积率增大而降低，凌晨平均空气温度随容积率增大而降低（图2-2～图2-7）。为了进一步比较容积率、高度、密度对热环境的影响的强弱，又进行了一组模拟实验：比较相同容积率下，低密度高高度、中密度中高度、高密度低高度这三种形态下热环境差异。结果显示容积率相同条件下，热环境却发生了明显变化：低密度高高度条件下中午平均空气温度最高，高密度低高度条件下平均空气温度最低（见图2-9）。这说明容积率对热环境的影响是通过密度、高度及形态因素而产生的，结果同时表明密度对热环境的作用效果大于平均高度的作用效果，比较第一组密度模拟中密度和容积率这两个变量的相关性大小，同样可以验证密度对热环境影响强于容积率（图2-10）。

图2-9　容积率相同的三种形态夏季中午平均空气温度变化

＊资料来源：作者自绘

图2-10　密度及容积率同平均空气温度的关系

＊资料来源：作者自绘