2017, Vol. 49
2. 赫尔大学，HU6 7RX 英国
2. University of Hull, HU6 7RX, UK
随着人们生活水平不断提高，城市居民的亲水性表现得更加显著，一些高档居住小区和商务区通常会选择在水体附近建设，滨水区成为了城市中最具开发潜力的区域[1].大型城市河流作为城市水资源中最重要的组成部分[2]，除了其特有的人文景观为人们提供优质的视觉感觉外，大面积水体产生的气候效应会对滨水区域的微气候环境产生较大的影响[3-5].居住小区作为与人们生活联系最为密切的城市基础单元，其内部热环境会直接影响人们室外活动时体感舒适度[6-7].近年来，由于人们对于居住环境和生态系统可持续发展的认知逐步提升，关于城市滨水区域微气候的研究已有部分成果.
Murakawa等[8]通过对日本广岛的大田江进行现场实测发现，江水的蒸发冷却效应对周边区域热环境的影响范围与建筑密度、水体宽度和街道形态有直接关系.Ishii等[9]在对日本福冈市中心公园里一处水池进行研究，对水池蓄满水与没有水两种情况下周围环境温度进行对比发现，水池内蓄满水时公园内温度比水池没有水时低0.4 ℃.成田健一[10]运用风洞试验论证了城市河流周围建筑密度和建筑布局对水体温度效应作用范围影响很大.宋晓程等[11-12]运用室外热环境数值模拟方法讨论建筑布局、容积率、岸堤高度、滨水间距和绿化对水体周边温度的影响，结果表明，滨水间距对温度影响较大，其次为容积率、岸堤高度、建筑布局和绿化.Xu等[13]以上海市黄兴公园内浣纱湖为研究对象，通过现场实测与计算酷热指数，分析炎热夏季水体对人们热舒适的影响.结果表明，水体能够明显降低沿岸地区的温度，并有效提高人们热舒适性，且在距湖岸10~20 m范围内影响最为显著.冯胜辉等[14]对1956—2005年中国冬季风冷温度的时空变化特征进行了分析，研究结果为人们冬季日常生活和出行提供了科学依据和参考.
总体来说，上述研究主要针对夏季城市水体对滨水区域热环境的改善作用，缺乏对季节气候变化较大的严寒地区冬季城市滨水住区热环境的研究.且中国在该领域的研究主要集中在小尺度的城市公园及广场内的人工水景，和中尺度的城市湖泊或溪流，对周边区域的降温作用，缺乏对大型城市河流对住区热环境影响的研究[15].
本文旨在研究严寒地区冬季滨江居住小区与内陆居住小区热环境差异，以及滨江居住小区建筑布局对热环境的影响，通过对实测数据的分析，提出滨江居住小区优化建议.
1 研究内容 1.1 测试地点及测点布置测试地点选择在严寒地区典型城市哈尔滨市的滨江居住小区和内陆居住小区，选取两处小区水平距离为3 000 m，且均位于哈尔滨城市中心区域，建筑密度相近且下垫面相同，以避免城市热岛效应本身导致的差异对测试结果造成影响.滨江居住小区——河松小区、观江首府和河源小区位于哈尔滨市道里区，距离松花江南界395 m，北临顾乡公园.河松小区内主要为围合式布局, 观江首府内为行列式布局, 河源小区内为行列式布局.住区内建筑朝向均为南偏东10°，建筑密度为26.76%.内陆居住小区——宏业小区位于哈尔滨市南岗区，距离松花江南界3 200 m，小区内均为围合式、行列式布局，建筑朝向为南偏东29°，建筑密度为26.59%.本次测试期间松花江江面结冰，且覆盖大量积雪，公园及住区内乔、灌木均已落叶.
测试共设置10个测点，滨江小区内共布置8个测点，内陆小区内布置2个测点，测点编号及位置如图 1所示.
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图 1 测点布置示意 Figure 1 Measurement points |
测试时间为2016年1月14日9:00-17:00.采用定点测试的方法，测试内容为居住小区内距地面1.5 m高度处的空气温度、黑球温度以及风速风向.测试仪器包括温湿度采集记录器、黑球温度采集记录器和手持式风速仪，详细参数见表 1.测试前已对仪器进行校准与比对，确认误差在可接受范围内.仪器自动记录数据间隔均为1 min，但为了更加清晰地表示测点数据的变化情况，下文数据变化曲线标记为每30 min的平均值.测试中温湿度采集记录器被放置在自制铝箔套筒内，以防止太阳辐射和地面、墙面等环境的长波辐射影响.并与黑球温度采集记录器、手持式风速仪一起用支架固定在距离地面1.5 m高度处.测试仪器及周边环境如图 2所示.
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表 1 测试仪器 Table 1 Information on measurement instruments |
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图 2 测试仪器及周边环境 Figure 2 Views of the field measurements site |
中央气象台发布的气象数据显示，2016年1月14日，哈尔滨市天气晴，空气温度为-17.2~-27.9 ℃；相对湿度为17.7%~40.9%.风速为0.23~2.09 m/s，平均风速为0.91 m/s，主风向为东北.太阳总辐射强度为0~628 W/m2，太阳散射辐射为0~163 W/m2，太阳辐射变化情况如图 3所示.测试当日具备哈尔滨市冬季典型气候条件.
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图 3 太阳辐射强度变化 Figure 3 Solar radiation variations |
风冷温度(wind chill temperature, WCT)是综合考虑空气温度和风速对环境寒冷程度影响的评价指标.计算公式为[16]
| ${\rm{WCT}} = 13.12 + 0.621\;5 \cdot t - 11.37 \cdot v_{^{10}}^{0.16} + 0.396\;5 \cdot t \cdot v_{^{10}}^{0.16}.$ |
式中：WCT为风冷温度，℃；v10为标准气象观测站10 m高度处风速，km·h-1；t为空气温度，℃.如果测试为1.5 m高度处风速，则应乘以1.5后带入公式.当v10≤4.8 km·h-1时，可以视为静风状态[17]，此时风冷温度与实际气温相等[18].风冷温度对应热感觉分级标准见表 2.
2 结果与分析 2.1 滨江与内陆居住小区热环境差异分析为对比滨江与内陆居住小区冬季热环境，选取滨江小区内测点a1、a2和内陆小区内测点b1、b2进行分析, 测点详细位置说明见表 3.
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表 3 测点设置说明 Table 3 Information on measurement points |
滨江与内陆居住小区内空气温度与黑球温度逐时变化情况如图 4、5所示.滨江小区温度明显低于内陆小区，且午间时段(12:00-14:00)温度相差最大.其中，围合式布局空气温度最大差值为3.8 ℃，行列式布局最大差值为4 ℃；围合式布局黑球温度最大差值为4.1 ℃，行列式布局最大差值为7 ℃.对比各测点最高温度出现时间发现，滨江小区内最高温度出现在13:30，比内陆小区早30 min.
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图 4 滨江与内陆居住小区的空气温度变化 Figure 4 Air temperature difference between riverside residential area and inland residential area |
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图 5 滨江与内陆居住小区的黑球温度变化 Figure 5 Black-bulb temperature difference between riverside residential area and inland residential area |
文献[8]研究结论指出, 日本大田江沿岸空气温度比远离江水区域大约低3~5 ℃.本文分析结果为滨江与内陆小区内部空气温度相差约1~4 ℃.虽然本文研究地点与气候条件有较大不同，但分析结果与文献[8]基本一致.
滨江与内陆居住小区风速逐时变化情况如图 6所示.各测点风速变化曲线波动较大，无明显变化规律.但滨江小区内风速大于内陆小区，其中，围合式布局风速相差较小，而行列式布局风速相差较大，最大可达到2 m/s.
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图 6 滨江与内陆居住小区的风速变化 Figure 6 Wind speed difference between riverside residential area and inland residential area |
滨江与内陆居住小区风冷温度逐时变化情况如图 7所示.各测点在9:00-9:30风冷温度达到最低，随后逐渐升高，且各测点间风冷温度差值也随之减小.滨江小区行列式布局风冷温度波动最大，且在9:30达到最低值，为-29.84 ℃，热感觉为非常寒冷.内陆小区风冷温度波动相对平缓，热感觉一直为寒冷.
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图 7 滨江与内陆居住小区的风冷温度变化 Figure 7 Wind chill temperature difference between riverside residential area and inland residential area |
滨江与内陆居住小区温度、风速及风冷温度平均值详见表 4.滨江小区平均空气温度和黑球温度明显低于内陆小区，围合式布局和行列式布局内平均空气温度分别相差2.06 ℃和2.84 ℃，平均黑球温度分别相差2.38 ℃和4.93 ℃.形成此温度差值的原因为滨江小区北临松花江，相对开敞，而内陆小区周边建筑密集，相对封闭，居民生活、交通运输、建筑物等向外排放更多热量，且热量难以散失，从而导致上述差异的产生.
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表 4 滨江与内陆居住小区测点平均值 Table 4 Average data of measurement points in riverside and inland residential areas |
滨江小区行列式布局平均风速最大，为1.6 m/s，比内陆小区大0.73 m/s.围合式布局平均风速相差较小，滨江小区比内陆小区大0.23 m/s.此种现象是由于滨江小区北临松花江，该江段宽为1.3 km，测试期间主导风向为东北向，导致江面形成巨大“风道”，影响覆盖于整个滨江区域.而内陆小区周围建筑密集、道路纵横，粗糙的城市下垫层增加了对风的阻力，使风速降低，从而也导致内陆小区内部热量不易散失，这也是滨江与内陆小区温差形成的另一个原因.
滨江小区的寒冷程度与内陆小区相比较高，热舒适度较低.滨江小区行列式布局和围合式布局平均风冷温度分别为-21.18 ℃和-13.12 ℃，比内陆小区分别低9.12 ℃和2.06 ℃.
2.2 滨江居住小区建筑布局对热环境影响分析 2.2.1 测点数据逐时变化分析为分析滨江居住小区建筑布局对热环境的影响，选取c1、c2、c3、c4和a2测试数据进行分析，测点位置如图 1(a)，测点设置说明见表 5.
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表 5 滨江居住小区测点设置说明 Table 5 Information on measurement points of riverside residential area |
滨江居住小区各测点空气温度及黑球温度逐时变化情况如图 8、9所示.从9:00-11:00各点空气温度逐渐升高，至午间时段(11:00-14:00)气温趋于稳定，且达到最高，随后气温逐渐下降.黑球温度也存在相同的变化规律.温度整体变化趋势与测试期间太阳辐射强度变化趋势基本一致，测点间的温度差值随着太阳辐射强度的提高会有所增大.
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图 8 滨江居住小区测点空气温度变化 Figure 8 Air temperature of measurement points in riverside residential area |
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图 9 滨江居住小区测点黑球温度变化 Figure 9 Black-bulb temperature of measurement points in riverside residential area |
此外，小区广场处空气温度曲线变化幅度较大，且在14:00之前气温明显高于其他测点，最大差值可以达到4.1 ℃，随后下午时段气温下降，且下降速度明显大于其他测点，黑球温度也存在同样的变化规律，并且更加明显.这是因为小区广场四周开敞空旷，无建筑遮挡，所受太阳辐射影响最大，但热量容易散失，所以当太阳辐射强度较大时，温度明显高于其他测点，而随着太阳高度角变小，太阳辐射强度逐渐减弱，温度也随之快速下降.
围合式布局、半围合式布局和行列式布局内空气温度曲线波动相对平缓，且接近平行.这是由于冬季哈尔滨太阳高度角低，测点c2、c4和a2始终处于建筑阴影当中，基本没有接受到太阳直射，主要影响其温度的是散射辐射和地面及建筑墙体的长波辐射，所以温度曲线波动相对平缓.
小区临江入口处在12:00时空气温度出现峰值，且在峰值前后曲线斜率较大，温度发生明显变化，黑球温度也同样存在以上现象，且更加明显.这是因为小区临江入口处在11:00-12:00之间在太阳直射下，温度骤然上升，而随后被建筑阴影遮挡，黑球温度快速下降约4 ℃.可见，建筑阴影会削弱太阳辐射对温度的提升作用.
滨江居住小区各测点风速逐时变化情况如图 10所示.行列式布局内风速变化曲线波动最大，且明显大于其他测点，最大差值可达2.6 m/s.广场处次之，而小区临江入口处、围合式布局及半围合式布局内风速相对平稳，且较为接近.小区临江入口处在13:00-14:00时风速较大出现峰值，并且此时温度也略微下降如图 8、9所示.这说明当太阳辐射强度较弱时，风速对温度的影响较大.
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图 10 滨江居住小区测点风速变化 Figure 10 Wind speed of measurement points in riverside residential area |
滨江居住小区各测点风冷温度逐时变化情况如图 11所示.行列式布局内风冷温度日间波动最大，且寒冷程度明显高于其他测点，9:00-10:00热感觉一直为非常寒冷.广场和临江入口处寒冷程度次之，而围合式布局和半围合式布局内风冷温度最高，且波动相对平稳，热感觉始终为寒冷.
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图 11 滨江居住小区测点风冷温度变化 Figure 11 Wind chill temperature of measurement points in riverside residential area |
滨江居住小区各测点温度、风速及风冷温度平均值见表 6.平均空气温度和平均黑球温度最高的是广场处，分别为-12.22 ℃和-8.24 ℃.这是由于c3点在太阳光直射下，而且太阳辐射是冬季室外环境得热最主要的来源，所以广场处平均温度最高.围合式布局内平均空气温度，为-13.32 ℃，比半围合式布局和小区临江入口处分别高0.70 ℃和0.74 ℃.行列式布局内平均空气温度最低，为-15.44 ℃.平均黑球温度差异趋势与空气温度基本相同，且测点间差值更大.
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表 6 滨江居住小区测点平均值 Table 6 Average data of measurement points in riverside residential area |
由此可见，冬季太阳辐射对居住小区内温度提升作用效果最大；其次，建筑布局围合程度越高，墙体面积越大，释放的长波辐射热量相对较多，且热量不易散失，可提高环境温度.
平均风速最大的是行列式布局内a2点，为1.60 m/s，明显大于其他测点，这是因为测试期间主导风向为东北向，该测点处出现了狭管效应.其次为广场中央，为1.08 m/s，由于广场四周相对空旷，无建筑遮挡，所以此处风速较大.围合式建筑布局与半围合式建筑布局内部由于受到建筑遮挡，所以平均风速较小，分别为0.34 m/s和0.41 m/s.李维臻[19]、麻连东[20]均运用数值模拟的方法对寒地住区冬季风环境进行分析，研究指出冬季行列式布局风环境最差，围合式布局风环境相对舒适，两者日平均风速相差约1.5 m/s.与本文研究结果基本一致，存在差值是由数值模拟边界条件设置造成.
行列式布局内平均风冷温度最低，为-21.18 ℃，寒冷程度最高.广场和临江入口处平均风冷温度次之，分别为-15.98 ℃和-14.06 ℃.围合式布局和半围合式布局内平均风冷温度最高，分别为-13.32 ℃和-14.02 ℃，热舒适度相对较高.
从上述研究可知，冬季滨江小区行列式布局内部寒冷程度较高，热舒适性较差.但是近年来新建滨江居住小区为获取更好的景观视野及室内采光、通风，多采用行列式布局.所以为进一步分析冬季滨江小区行列式布局内部热环境，选取测点c6、c7和a2进行对比分析，测点位置如图 1(a)所示，测点设置说明见表 7.
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表 7 行列式布局测点设置说明 Table 7 Information on measurement points of row layout pattern |
滨江居住小区行列式布局内各测点温度、风速及风冷温度平均值见表 8.c6点平均空气温度和黑球温度略高于c7，均明显高于a2，分别相差1.73 ℃和2.24 ℃.c7点平均风速明显偏大，分别大于c6，1.03 m/s和a2，0.61 m/s.c6点平均风冷温度最高，分别高于c7，2.39 ℃和a2，3.18 ℃.这说明增大行列式布局建筑间距能够有效削弱布局内部狭管效应，提升布局内部温度，从而降低布局内部寒冷程度，提高热舒适度.但临江侧开口设计对布局内部风环境及寒冷程度影响很大.
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表 8 行列式布局测点平均值 Table 8 Average data of measurement points of row layout pattern |
1) 通过分析滨江与内陆居住小区热环境差异，可得到：滨江居住小区温度明显低于内陆居住小区，围合式布局和行列式布局内平均空气温度分别相差2.06 ℃和2.84 ℃，平均黑球温度分别相差2.38 ℃和4.93 ℃.且滨江小区最高温度出现时间比内陆小区早30 min.滨江小区围合式布局和行列式布局内平均风速比内陆小区分别大0.23 m/s和0.73 m/s；滨江居住小区冬季寒冷程度与内陆小区相比较高，热舒适性较差.滨江小区围合式布局和行列式布局内平均风冷温度比内陆小区分别低2.06 ℃和9.12 ℃.
2) 通过分析滨江居住小区不同建筑布局内热环境，可得到：滨江居住小区日间温度波动主要受太阳辐射的影响，接受太阳直接辐射区域温度波动较大，阴影区域温度波动较小，黑球温度相差2~3 ℃，空气温度相差0.5 ℃.并且建筑阴影会削弱太阳辐射对温度的提升作用，使黑球温度下降约4 ℃.因此，在建筑空间布局中，建议减少居民活动区域的阴影面积；广场处平均空气温度分别比围合式布局、半围合式布局、临江入口、行列式布局高1.10、1.80、1.84、3.22 ℃.广场处平均黑球温度分别比围合式布局、临江入口、半围合式布局、行列式布局高2.35、3.04、4.52、5.93 ℃.因此，冬季太阳辐射对小区内温度提升作用最为显著，其次建筑布局围合程度越高，布局内部温度越高；滨江小区行列式布局日间风速波动最大，广场处次之，而临江入口处、围合式布局及半围合式布局内风速相对平稳.行列式布局内部平均风速分别比广场、临江入口处、半围合式布局、围合式布局大0.52、0.97、1.19、1.26 m/s；滨江小区行列式布局风冷温度日间波动最大，且寒冷程度明显高于其他建筑布局.广场和临江入口处寒冷程度次之，而围合式布局和半围合式布局内风冷温度最高，热舒适度相对较高.并且对于滨江小区行列式布局，增大建筑间距能够有效降低布局内部寒冷程度，提高热舒适度.但临江侧开口设计对布局内部风环境及寒冷程度影响很大.
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