回应气候的寒地城市街道绿色设计

景观设计的文章,选自建筑

设计研究 RESEARCHES IN DESIGN

回应气候的寒地城市街道绿色设计

梅洪元1, 2 代阳1

摘要/通过对寒地城市气候的分析，针对寒风、日照、降雪3个典型冬季气候问题提出了寒地城市街道绿色设计策略。

关键词/气候 寒地 城市街道 绿色设计ABSTRACT/ By analysis of the city climate in cold regions, and around three typical issues of winter climate: cold wind, sunshine and snowfall, this paper proposes green design tactics for urban streets in cold regions.

KEY WORDS/ climate, cold regions, urban streets, green design

国家自然科学基金资助项目(E080101)

作者单位：1 哈尔滨工业大学建筑学院(哈尔滨，150006)

2 哈尔滨工业大学建筑设计研究院 (哈尔滨，150090)收稿日期：2012-10-25

建筑学报2012.12 ARCHITECTURAL JOURNAL

1 寒地城市街道的气候问题

寒地城市是根据城市所在地域的冬季气候特征所定义的一个比较笼统的概念，泛指冬季漫长、年平均气温偏低、地理纬度较高、气候相对严酷的城市

[1]

。以哈尔滨为例，每年月平均气温低

于-14℃的月份有3个月以上，达不到人体舒适温度，并时常伴有大风天气(图1)。严酷的冬季气候特征给城市的户外活动带来了诸多不便，近些年来随着城市设计和建筑技术的不断发展，人们开始关注寒地街道设计在冬季的气候应对问题。

在倡导城市建设可持续发展的今天，面对寒地城市严酷的气候问题，我们引入绿色设计的理念，试图找到符合寒地城市气候的街道发展策略。寒地城市的气候问题主要包括冬季寒风、日照和降雪，其街道的绿色设计就是结合冬季特殊气候条件，运用自然的方法改善城市冬季街道环境，使城市街道能够在自然环境下协调发展，而不需要附加的机械设备和能源消耗，通过城市设计的方法对气候问题进行合理解答，强调街道、气候和人之间的和谐共生。2 针对寒风的绿色设计策略

冬季寒风使人感觉不适，我国寒地城市冬季风的主导风向为北向或西北向，设置与风向垂直的界面作为挡风屏障，将对寒风进行有效遮挡而达到降低风速的目的。在寒地城市街道设计中，应尽量使城市的主要街道沿东西向

布局，并在街道两边设置连续的建筑界面以达到阻挡寒风的目的，如果街道呈弯曲或者成角度布置，将对减缓风速具

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有更加明显的效果。加拿大、瑞典和芬兰等国家根据冬季主导风向，利用封闭连续的建筑界面对街道进行围合，以达到遮挡冬季寒风的效果(表1)。加拿大圣约翰堡(Fort ST. John)的冬季城市设计导则中指出，用于阻挡寒风的建筑物可以将其本身高度4~10倍距离范围内的风速降低50%。此外，在街道的迎风面种植绿化带也可以对冬季寒风进行有效的遮挡。挪威学者斯坦斯维克(R. M. Steinsvik)对冬季寒风遮挡的实验表明，3m高的街道绿化带可以使其周围60m范围内的风速明显降低，并可以使环境温度升高1~5℃，让人体有更加舒适的室外活动感受。

街道中由建筑围合而成的空间是风的主要流动通道，因此寒地城市街道中的冬季风速和街道中的建筑体量也有着密切的关系，合理的建筑组合和建筑形式有利于减弱寒风对街道环境的负面影响。高大独栋的建筑周边风速会明显大于低矮建筑四周的风速，高层建筑在30~40m的高度吸引疾风，因此高气压与低气压之间的复杂作用能给风加速，高层建筑脚下的风速可以达到周边开放地带风速的4倍[2]。在进行寒地城市街道设计中，应该尽量避免出现局部的高大体量建筑，取而代之的是低矮围合式建筑界面。不同高度的街区衔接时，允许的高度改变应少于较高的高度区建筑高度的1/2 [3]。街道两旁建筑体量的划分变化也对风速具有削弱作用，将临街建筑的界面做阶梯式退让可以对冬季寒风形成分流，在建筑的上部区域形成涡流空间，并将寒风引入到城市上空，使街道地面上的风速大大减弱，从而营造

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较为舒适的步行空间(图2)。

温度(℃)风速(m/s)

因此，寒地城市街道针对寒风的绿60.05.0色设计策略主要体现在：

50.04.51) 连续界面阻挡寒风——城市主要40.04.0街道走向与冬季主导风向垂直，采用连30.03.5续封闭的街道界面对冬季寒风进行有效20.03.0的阻挡，并配合绿化植物共同形成挡风10.02.5屏障。

0.02.02) 平缓组合导引寒风——街区中的-10.01.5-20.01.0建筑应避免高度上的突然变化，尽量以-30.00.5多层建筑为主，高度变化要循序渐进，-40.0

0.0

以利于将冬季寒风导入城市上空。

一月

二月

三月

四月

五月

六月

七月

八月

九月

十月

十一月

十二月

3) 阶梯层次减弱寒风——街道界面平均温度(℃)极端最高温度(℃)极端最低温度(℃)平均最高温度(℃)进行阶梯式退进，利用其形成的涡流空平均最低温度(℃)

平均风速(m/s)

舒适温度(高限)

舒适温度(低限

)

间将冬季寒风削弱，以降低街道地面上1 1971-2000年哈尔滨全年温度和风速变化

的冬季风速。

3 针对日照的绿色设计策略

寒地城市的冬季太阳高度角偏低，街道上接受日照的范围和时间大大减少，让冬季街道拥有更多的日照尤为重要，可以有效延长人们的户外活动时间。冬至日是北半球寒地城市街道中太阳高度角最低的一天，接受日照时间也最短，以哈尔滨为例，其冬至日正午的

2 不同形式街道界面对寒风的导引作用示意

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太阳高度角为20°15′，在东西走向的街道上如果将街道南侧建筑高度降低3m，则街道上被阳光照射的范围将增加8m，街道上的日照时间也相应增加(图3)。因此，应尽量将高一些的建筑布置的街道北侧，而在街道南侧布置相对较低的建筑，南侧街道界面应避免封闭式布局，多留出空隙让阳光能够照射到街道上，采用浅色系的街道界面可以将更

人行空间

车行空间

多的冬季阳光反射到街道中(图4)。此外，将位于街道南侧的建筑体量进行退台式处理，可以减少其对日照的遮挡(图5)。对寒地城市临街建筑的屋顶做坡度处理，也可以将更多的阳光引入街道。

除了努力获得更多的冬季街道日照外，对有限的日照资源进行合理利用也相当关键。用透明玻璃顶覆盖寒地城市街道步行空间以形成温室效应，可以强

人行空间

化冬季的日照效果，同时兼顾防风防雪，是一种简单高效的冬季街道庇护方式，对寒地城市街道中的诸多不利气候因素进行了趋利避害的设计回应(图6、7)。加拿大渥太华的里多街(Rideau)设置了可随季节开启或关闭的透明玻璃顶，并在玻璃顶上设置加热器。巴黎、伦敦、米兰等城市给临街的19世纪建筑拱廊加上玻璃顶，并且配合了绿化和艺术装饰，通过温室效应让城市街道更加充分地利用日照资源。此外，夏季的日照资源还可进行存储以用于冬季街道环境中，其基本原理是利用夏季太阳光将街

120°5’

3

道土壤加热，并将热量存储在地下，到了冬季，利用垂直管道将地下土壤的热量传导至地面。该系统主要由垂直的土壤热交换器、地面散热管道和循环泵组成，除循环泵运转所需的电能外，无需消耗其它能源。日本的北海道和广岛等地，通过在步行道路面下铺设热交换管道，将夏季存储的日照能量用于冬季路面融雪系统。

因此，寒地城市街道针对日照的绿色设计策略主要体现在：

1) 街区布局扩大日照范围——街道南侧尽量布置相对低矮的建筑，适当减小街道高宽比，建筑面向街道的界面进行退台处理，临街建筑采用坡屋顶，尽量集中修建建筑物，采用浅色的街道界面。

120°

8

10322050

2310

3 街道南侧界面高度对冬季日照范围的影响示意

15

50

15

H=15m64

12

64

H=15m

50

H=15m40

10

H=15m40

10

H=15m40

4 街道南侧界面封闭程度对冬季日照范围的影响示意

2) 温室效应强化日照效果——街道步行空间附加可随季节开启或关闭的透明玻璃顶，实现街道空间的有效庇护，通过温室效应创造更舒适的步行环境。

3) 反季存储优化日照利用——利用土壤对夏季日照能量进行存储，通过循

15’20°

5’

3232

5 退台处理前后日照范围对比示意(哈尔滨冬至日正午)

阳光

降雪

冷风

降雪

冷风

阳光

环系统用于对冬季街道的加热能源。4 针对降雪的绿色设计策略

冬季积雪是寒地城市街道面对的严峻问题，科学合理的寒地城市街道设计

玻璃覆盖

可以通过自然风使降雪堆积在特定区域，街道绿化对冬季风有遮挡作用，可以在其背风面形成涡流区，积雪随风移动，会在街道绿化周围自然形成堆积，

雪堆雪堆

6 街道的冬季气候影响示意7 温室效应强化日照效果示意

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车行空间缓冲空间人行空间

积雪临时存雪

8 街道绿化自然形成积雪空间示意

雪堆

隔温层

粗过滤器

沉淀析出装置

水泵

细过滤器

热交换装置

9 街道缓冲空间用于临时存雪

建筑物

形体处理顺应风势，让积雪自然飘走。

2) 灵活使用的积雪存储——适当加宽街道步行空间，设置用于临时存放积雪的街道过渡空间，夏季兼做自行车道，

冷水冷水

并灵活设置区域性的街道存雪空间。

3) 生态循环的积雪利用——将冬季街道积雪进行隔温储藏，用于对夏季的环境制冷，有效节约能源，并减少环境

热水

返回管

热水

10 冬季街道降雪用于夏季制冷原理示意

节省了人工除雪或机械除雪的能源耗费(图8)。当街道两边有公共空间入口时，可根据空气动力学原理对入口周围的形态进行合理设计，使积雪随风飘走，不堵塞入口空间或直接飘入其中。目前，国外对冬季积雪的研究实验常采用细沙来模拟冬季降雪，虽然细沙比较重，但其空气动力学原理和积雪相同，通过实体模型模拟对细沙在风扇作用下的流动轨迹进行观测，以此分析如何在寒地城市街道中实现自然积雪，我国对寒地城市街道冬季降雪的研究也可以借鉴此方法，在今后的实验研究中对自然除雪进行更加深入的探索。

寒地城市冬季拥有大量积雪，以瑞典斯德哥尔摩为例，其冬季街道清除积雪达到100万m3，而在俄罗斯的圣彼得堡，冬季街道清雪量更是多达2500万m3，因此，在寒地城市街道绿色设计中，积雪的存放和利用也尤为重要。堆积在街道两旁的积雪会侵占原本属于步行者的街道空间，在进行寒地城市街道设计时应实行人车分离模式，适当加大步行道的宽度，给冬季积雪预留空间，如果条件允许，可以在街道的车行道和步行道之间加入一个缓冲空间，专门用于冬季积雪的临时堆放，在夏季，这个缓冲空间还可以被利用为自行车道(图

9)。将积雪存放在街道绿化区域也是很好的选择，其融化后可以直接渗透到土壤中，不会使路面结冰带来安全隐患。对于降雪量较大的城市，应设置区域性的存雪空间，并对其积极地加以利用。加拿大、俄罗斯和日本等国家都在研究将冬季街道积雪用于夏季制冷技术，其基本原理是将天然降雪集中堆积，并用隔温层覆盖，储存至夏季，而后在雪堆底部收集温度比冰点稍高的雪水，过滤后通过地下管道和换热器输送到建筑中，以达到制冷效果(图10)。日本札幌的新千岁机场利用这种方式，可以用积雪为航站楼提供30%的制冷能源。日本“美呗市雪堆计划2009”，运用大型雪堆进行空调制冷，其5万t积雪可以替代3000kw的冷源[4]。利用城市街道积雪制冷系统与传统的空调系统相比，具有洁净、耗能少、对气候影响小等优点，是一种可持续并保护环境的积雪利用策略，随着科技的不断进步，寒地城市的街道积雪一定会在更广阔的领域里得到利用。

因此，寒地城市街道针对降雪的绿色设计策略主要体现在：

1) 自然移动的积雪清除——借助街道绿化设施和冬季风作用，在背风涡流区域自然形成积雪，沿街建筑入口空间

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污染。5 结语

寒地城市街道面对冬季的严酷气候问题，一直在探索适当的建设和发展模式，绿色设计策略并非解决寒地城市街道气候问题的全部，此策略的提出是在经济技术快速发展、倡导可持续发展方针的今天，引发设计师对自然资源利用问题的关注，避免能源浪费，强调寒冷气候条件下城市街道、自然和人的协调发展，实现寒地城市街道建设与地域特质的契合。■

参考文献

[1] 梅洪元. 寒地建筑[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2012:18.

[2] Peter Bosselmann et al. Sun, Wind, and Comfort[R]// A Study of Open Spaces and Sidewalks in Four Downtown Areas. Environmental Simulation Laboratory, Institute of Urban and Regional Development, College of Environmental Design, University of California. Berkeley.1984: 19-23.

[3] Peter Bosselmann, Edward Arens, etc. Urban Form and Climate[J], APA Journal, 1995 (2): 227.

[4] Kaneko Yukie, Kobiyama Masayoshi. Introduction of Practical Use of Snow Mound[C]. Proceedings of 11th International Conference on Thermal Energy Storage, Effstock 2009, Stockholm, Sweden (8.3):73.

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