广州典型住宅小区微气候实测与分析

2008.11ARCHITECTURALJOURNAL建筑学报24设计研究RESEARCHESINDESIGN微气候(Microclimate)，有别于大气候(Macroclimate)，指的是靠近地表、动植物赖以生存的气候环境。在这个环境中，温度、湿度和风速都会随着高度的变化而发生巨大的改变。同时，伴随着植物的蒸腾作用、水体等地表覆盖物的蒸发及凝结等，大量的能量会在较短的时间内发生转移或传递。正是由于地表环境状况的多样性以及上述环境变量随时间及高度的变化，使得微气候有异于大气混流过程更活跃但总体变化更缓和的大气候。[1]近几十年来，由于城市化的飞速发展、下垫面结构的改变以及交通排热和建筑排热等因素的影响，城市热环境逐渐恶化，“热岛现象”及其负面作用日渐凸显。[2]“热岛现象”在夏季的出现，不仅会使人们高温中暑的几率变大，还形成光化学烟雾污染，并增加建筑的空调能耗，给人们的工作生活带来严重影响。[3]据统计，近40年来，广州同期气温一直在上升，年平均气温从建国初期的22.0℃升至去年的23.1℃，城区平均气温比市郊平均高出3℃。[4]目前，室外热环境质量日益受到人们的重视，许多国家都出台了针对小区室外热环境质量的指导性标准。例如，美国颁布的《绿色建筑评估体系(第二版)》中就明确指出“利用园林绿化和建筑外部设计以减少热岛效应”。[5]我国于2006年颁布的《绿色建筑评价标准(GB/T50378-2006)》[3]也规定，住区室外日平均热岛强度2)不得高于1.5℃。广州典型住宅小区微气候实测与分析陈卓伦赵立华孟庆林王长山翟永超王飞作者单位：华南理工大学建筑节能研究中心(广州，510640)亚热带建筑科学国家重点实验室(广州，510640)收稿日期：2007-12-20摘要/以广州某住宅小区为例，定点实测其中的微气候参数，如空气温度、相对湿度、黑球温度及风速等，考察人工湖、树阴以及下垫面性质等对室外热环境的影响，定量的分析景观设计因子在设计行为中的权重关系，探讨通过改变相应的因子来改良住区热环境的方法。关键词/微气候室外热环境空气温度黑球温度风速ABSTRACT/TakingacertainhousinginGuangzhouasexample,theresearchersmakethefieldmeasurementofmicroclimateatfixedpointsforairtemperature,relativehumidity,blackglobetemperatureandwindspeed,etc.Theyinvestigatetheinfluenceofmanmadelake,shadeoftreesandgroundsurfacecharacteronoutdoorthermalenvironment,andmakequantitativeanalysisontheweight-ingpositionofthelandscapedesignfactorsindesignbehavior.Itintendstoexplorethemethodtoimprovethethermalenvironmentofresidentialquarterbychangingcor-respondingfactors.KEYWORDS/microclimate,outdoorthermalenvironment,airtemperature,blackglobetemperature,windspeed1住区微气候研究进展为了进一步掌握微气候变化的规律，并通过有效的规划、建筑和景观等设计手段来提高室外热环境质量，世界各地的科研人员在不同的领域开展了研究。美国学者B.Bonan[6]利用卫星观测图片，测试了Colorado的一个居民小区，以研究建筑设计对室外温度、风速及相对湿度等环境变量的影响。结果发现，在夏季炎热时草地温度比非草地温度低，小区内干燥草坪的气温比灌溉草坪带和住户自己种植草坪附近的气温高。其研究还指出，建筑密度的高低是使微气候产生差异的直接因素之一。在半干旱的Colorado居民区，植物选择、浇灌草坪和住房密度对室外热环境的影响重大。董靓[7]在上世纪90年代初期研究了重庆的街谷热环境，尝试建立了WBGT指标与环境参数的关联式，讨论了环境空间尺度、树阴形态等对街谷热环境的影响。而在1999年，国家自然科学基金在工程热物理学科资助的重点项目“住区微气候环境中热物理问题(59836250)”研究取得了对夏季空调环境热物理因素对人群健康影响及其动态热舒适、室内自然通风动态特征及改善室内夏季热环境的途径等若干基础问题的主要成果。近几年，李晓锋[8]比较系统地研究了住宅小区微气候的模拟方法。他在保证计算精度、缩短计算时间方面做了许多改进，并建立了一套层次化的模拟体系。林波荣[9]通过大量现场实测工作，研究国家自然科学基金重点资助项目(50538040)，国家自然科学基金重大国际（地区）合作项目（50720165805）1测试住宅小区规划总平面2测试住宅小区现场实景北主入口工业大道25ARCHITECTURALJOURNAL2008.11建筑学报2.1测试小区简介该住宅小区位于广州市海珠区，占地面积约22万m2，总建筑面积50余万m2。该小区分两期进行建设，一期主要为8-10层的低层建筑，于2004年初交付使用；二期主要为15层以上的高层建筑，于2005年底全部交付使用。目前该小区共有住户约5000户，分成40栋独立住宅(图1、2)。2.2测试内容本次测试主要以定点观测为主，在林荫道、主干道以及湖边设置温度、湿度自记仪逐时记录行人高度(距地1.5-2.0m)的空气温度、湿度以及黑球温度。1)同时，采用流动观测的方法，每隔1h观测不同点的风速。测试时间从上午10点到下午17点。2.3测点布置情况小区内共布置测点9个(图3)，主要考察大面积的水体(人工湖)、树阴以及道路下垫面性质对热环境参数的影响。各测点的位置、树阴遮蔽、下垫面情况及测试参数见表1。2.4测试仪器本次实验采用自记仪记录空气温度、表1测点设置情况注：T为空气温度，RH为相对湿度，W为风速，BGT为黑球温度。测点编号位置仪器高度树阴遮掩情况下垫面测试参数备注1人工湖北面1.5m树阴下灌木T,W2人工湖北面，凉亭旁边1.5m无草地及灌木T,RH,BGT,W3人工湖西北面，3条人行道的交界2.0m树阴下普通广场砖T,W4人工湖西北面，3条人行道的交界2.0m无普通广场砖T,W5人工湖西南面，3条人行道的交界2.0m树阴下普通广场砖T,W19日1.5m无水泥地面T,BGT,W20-24日6人工湖南面，3条人行道的交界，2.0m无草地T,W靠近游泳池7人工湖南面，人工湖与游泳池之间1.5m树阴下草地及灌木T,W8人工湖北面，住宅楼之间1.5m无透水砖T,RH,BGT,W9人工湖北面，住宅楼之间1.5m树阴下草地及灌木T,W表2测试仪器主要参数仪器名称型号测试参数精度测试范围热球风速仪QDF-2A风速≤±5%0.1-30m/s热球风速仪KIMOVTS风速≤±4%0.1-40m/sHOBO自记仪H08-001-02空气温度±0.7℃(21℃)-20℃-70℃HOBO相对湿度自记仪--相对湿度±5%5％-95％RH(非结露情况下)清华紫光温湿度自记仪RHLOG黑球温度±0.3℃-20℃-75℃湿度和黑球温度，采用热球风速仪流动观测不同测点的风速。所有自记仪的读数间隔均为1分钟。空气温度自记仪及湿度自记仪均被放置在用铝箔包裹好的铝合金套筒中，并用三角支架将这些套筒固定在离地1.5-2.0m的高度(图4、5)。黑球温度自记仪放置在三角支架的顶端(图6、7)。2.5城市气象参数为了更好的比较居住小区各景观设计因子对微气候的影响，根据广州市中心气象台的预报[11]，记录了从7月19日-7月24日广州市的天气情况(表3)。从表中可以看出，7月21日-7月24日这几天的天气非常类似。本文中的其余城市气象参数，均来自华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室的气象站观测所得。3测试结果与分析3.1空气温度对每天实测的空气温度进行分析，得到各个测点日平均值与最大值(图8、9)以及各测点空气温度与气象站观测温度的差3测点布置4测试仪器放置高度示意5温湿度自记仪6黑球温度自记仪(测点8)7黑球温度自记仪(测点2)了树木、灌木和草地三种绿化形式对室外热环境的影响效果及特征，提出了以WBGT和有效标准温度SET相结合来评价室外热环境的安全性和热舒适状况。LiangmeiHuang[10]通过现场测试的方法，比较了南京市城镇商业区、湖区、林地以及郊区等4种不同性质用地的热岛强度及微气候状况，发现水泥地面对温度的影响非常明显，而树阴及水体能很好的缓解城市热岛。根据测试的结果，热岛强度较大的时刻分别是午夜、13:00-15:00以及18:00-21:00。总的来说，目前对微气候的研究还比较有限，利用现有的手段，如人造卫星、现场实测、计算机仿真模拟等，找到能指导规划、建筑及景观设计的辅助模型，同时定量的分析各影响因子在设计行为中的权重关系，是大家所关心的热点问题。2现场实测华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室于2007年7月19日-24日对广州某住宅小区的微气候进行了现场实测。通过测试空气温度、湿度等热环境变量，分析其变化的总体规律，探讨景观设计因子对住区微气候的影响。1234567892008.11ARCHITECTURALJOURNAL建筑学报26设计研究RESEARCHESINDESIGN值(表4、5)。通过比较可以发现：自7月20日起，测点5的平均温度始终最高，测点1的平均温度始终最低；有树阴遮蔽的测点(1、3、7、9)的空气温度低于其它测点；测点1、2、3和7的温度始终低于气象站的观测温度。3.2相对湿度对每天实测的相对湿度进行分析，得到测点2、8的日平均值与最大值(图10、11)以及这两个测点相对湿度与气象站观测值的差值(表6)。通过比较可以发现：靠近水体(人工湖)测点2的相对湿度大于处于两栋住宅楼之间且远离水体的测点8。3.3风速对每天实测的风速进行分析，得到各个测点日平均值与最大值(图12、13)。通过比较可以发现：位于开阔空间的测点(1、2、3、4)的风速值最大，位于街谷的测点(8、9)次之，受建筑遮挡的测点(6、7)又次之，受地形影响而位于角落的测点5风速值最小。3.4黑球温度分析7月21日测试得到的黑球温度，得到黑球温度的逐时平均值及最大值。通过比较可以发现：3个测点的黑球温度变化规律相近，都是在中午12：00达到最大值，几条温度曲线也接近平行；测点5与测点8的黑球温度值相差不大，但都远大于测点2，差值在4℃左右。4结论通过综合分析比较所测得的数据，可以得到以下结论：表3城市气象参数日期天气状况温度相对湿度主风向7.19多云28-35℃50%-80%南7.20多云转晴28-36℃50%-80%南7.21晴转多云29-36℃45%-80%东南7.22晴转多云29-36℃45%-85%东南7.23晴转多云29-36℃45%-85%东南7.24晴转多云29-36℃45%-85%东南表5各测点空气温度日最大值与气象站观测日最大值的差值Date1234567897.19-1.0-0.1-0.6-0.6-0.62.0-0.61.6-0.17.20-1.0-0.1-1.0-1.02.9-0.6-0.62.51.17.21-1.2-0.4-0.43.12.71.0-0.41.81.37.22-1.2-0.8-1.2-1.22.70.5-1.70.5-1.27.23-0.90.0-0.91.32.60.8-0.91.70.87.24-1.4-0.9-1.40.02.10.0-1.41.70.3表4各测点空气温度日平均值与气象站观测日平均值的差值Date1234567897.19-0.8-0.3-1.7-0.8-0.80.4-0.70.5-0.27.20-0.10.60.20.12.70.50.