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論文期刊

上海世博會高密度人流場地 降溫與遮陽設計研究


摘要:通過場地遮陽與降溫設計可以改善現代城市高密度人流開放空間的環境舒適度。本文以世博會場地這一典型的高密度人流開放空間為例,基于人體舒適度模型,通過對影響人體舒適度的四大因子的分析比較,系統研究了世博場地降溫系統與遮陽系統設計,達到高密度人流開放空間的人性化使用。

關鍵詞:上海世博會,場地設計,高密度,開放空間,降溫,遮陽 

 

Abstract: The comfort of highly dense people open space can be reduced by sunshade and cooling design. Based on the model of human comfort and the example of EXPO site which is the typical highly dense people open space, we research systematically sunshade and cooling system design by analysis and compare of four factors which can affact human comfort, and achieve the humanized use of highly dense open space.

Key words: Shanghai World Expo  Site design highly dense open space  cooling sunshade

 

引言:

城市高密度使用開放空間的的環境舒適度隨著我國城市化進程的加速越來越引起人們的重視。這種高密度使用的開放空間大多以大面積硬質廣場空間為主,像包括商業步行街,交通集散廣場,集會慶典廣場以及舉辦奧運會,世博會等重大的城市事件。本文對世博場地的遮陽與降溫設計進行研究,對類似的高密度人流開放空間有借鑒意義。

 

1.上海世博會場地典型高密度人流開放空間

上海世博會場地主要包括園區內240多個外國國家館、國際組織館展區外的所有公共空間,涉及廣場、綠地、高架、配套設施等要素,而其中的廣場系統是核心與重點。

 

根據預測,整個世博會日均客流量為40萬人次,高峰日客流量為60萬人次,極端高峰日客流量為80萬人次。據測算展館等建筑能容納10萬人左右,大部分人流將由場地公共空間來消化。取同時在場系數0.7,高峰日將有32萬人分布在外部公共空間,人均室外場地為6m2,極端高峰時公共空間面臨的人流壓力將更巨大[1],上海世博會場地將成為典型的高密度使用開放空間。

 

上海世博會展會時間為2010年5月1號到10月31號,將會遭遇梅雨、臺風、高溫等惡劣天氣的影響。梅雨季節在6月中旬7月上中旬,通常持續連綿的陰雨、溫高濕大,7、8、9月為高溫月份。夏季持續時間一般140天以上。

因而在世博場地設計中,提供合適的遮陽與降溫設施將成為世博期間漫長夏季里的最大的挑戰之一。

 

2.人體舒適度

面對高密度人流開放空間高溫,高人流密度的雙重挑戰,在場地降溫設計中,單純把目標放在如何降低溫度上,不是解決問題的關鍵所在。場地降溫的根本目的在于提高人體舒適度,人體舒適度的影響因子包括氣溫、相對濕度、風和熱輻射。在高密度人流開放空間設計中,應該從提高人體舒適度的角度出發,進行場地降溫設計。

試驗數據表明,上海夏季廣場空間的溫度和輻射強度指數最高,依據人體舒適度模型[2]:SSDI=1.8T+0.145RH(1.8T-26)+a(T-33) +0.134S+27 ,推算人體舒適度指數在80~85之間,炎熱不舒。由于世博園內多為中小型廣場,熱輻射較其它類型空間大、空氣溫度偏高,提高廣場人群的體感舒適度作為世博場地降溫的重點考慮。

 

3.基于人體舒適度改善的遮陽降溫途徑

基于人體舒適度模型,從溫度,熱輻射,濕度,風速四個因子著手,研究遮陽降溫,提高世博場地人群的體感舒適度的主要包括四大途徑:

 

3.1降低環境溫度

   降低空氣溫度是最直接有效的改善人們體感舒適度的方式,在夏季的世博場地,若能使局部空間的環境溫度降低3-5度,可以極大改善參觀游客的體感舒 適度。

 

3.2減弱地表熱輻射

太陽輻射強度與舒適度之間的具有直接關系。隨著太陽輻射強度的增加,使人感覺舒適的溫度可以相應降低。例如:當相對濕度為70%,太陽輻射強度為0w/m2時,舒適溫度的最低值為20℃;若濕度不變,太陽輻射強度加大到300w/m2,舒適溫度的最低值為17℃;若太陽輻射強度為800w/m2,則舒適溫度的最低值可降低到11℃,比沒有太陽輻射時下降9℃左右[3]。

 

3.3減少空氣濕度

在高溫天氣下,空氣濕度的增加會加強人體的不適感,所以在進行場地降溫設計時,應控制局部環境的空氣濕度,盡可能不增加濕度。

 

3.4適當增加風速

當氣溫低于皮膚溫度時,風能使機體散熱加快。風速每增加1m/s,會使人感到氣溫下降了2—3℃,風越大散熱越快。溫度越高、濕度越大,通風就越重要。即使風的溫度有點偏高,但由于它增加了皮膚的蒸發,所以也會使人感覺舒適。

 

4.世博場地改善人體舒適度措施

通過以上對基于人體舒適度因子的降溫四大途徑的分析,在高密度人流開放空間中,通過以上對改善人體舒適度因子的途徑的分析,在高密度人流開放空間中,改善人體舒適度要必須具備影響人體舒適度的四大因子。通過系統比較論證,在上海世博會場地公共空間中設計了低壓霧噴降溫系統和遮陽系統,以改善人體舒適度,從其中一個視角實現世博場地設計的人性化表達

 

5.世博場地降溫系統設計

霧噴降溫設備根據水霧蒸發吸熱的原理,以水為原料,利用設備壓力,使水通過微孔撞擊霧化,形成自然水霧,以達到降低局部空間的環境溫度的效果。

 

5.1方法選擇

現在世界上成熟的降溫技術主要有兩種:高壓霧噴技術和低壓兩相流霧噴技術。通過分析比較,兩者的相關技術指標對比如表1所示:

 

表1 低壓兩相流噴霧降溫與高壓噴霧降溫技術比較

 

序號

指標

項目

高壓噴霧降溫

低壓噴霧降溫

備注

1

初始目標

技術最初開發用途

造霧生景、加濕及其它工業用途

降溫降塵

 

2

溫度

降溫能力

平均2-3℃

平均5-6℃

 

降溫著眼點

水蒸發吸熱理論計算

有效降溫和改善人體舒適度

 

 

3

熱輻射

霧滴大小

≤16μm

20-40,40-60

μm

霧滴大有助于吸收熱輻射

4

濕度

是否增加濕度

增加

基本不增加

 

視覺影響

霧氣大,影響

視覺

霧氣小,基本不影響視覺

 

5

風速

是否增加風速

不增加

增加

 

6

其他指標

10000m2降溫區域每小時電耗

20kw·h

12kw·h

 

10000m2降溫區域每小時水耗

3-4.8m3

2.4m3

 

可移動一體化設備

已成功應用于大型活動的

相似典型案例

日本愛知世博會

北京奧運會沙排場和國家體育館

 

 

 

根據以上對影響人體舒適度的四大因子的比較,綜合考慮,在世博場地設計中,選擇采用低壓兩相流噴霧降溫技術對廣場局部環境空間進行降溫較為適合,通過試驗表明,霧噴點周邊降溫效果能達到5-6℃,其水、電能耗都在可控范圍之內。水霧粒徑控制在40~80微米,可部分沉降到地表和人皮膚上,減少熱輻射,同時可在降溫覆蓋區域內人工送風(風速范圍1-8m/s),使游人的體感舒適度增加,減少或避免中暑的發生(圖1)。

圖1 低壓噴霧降溫終端——中心點立面人體舒適度趨勢圖

 

5.2 降溫使用人群的行為狀態

在高密度使用開放空間中,人的行為狀態主要兩種:運動中和靜止休息。對于靜止休息的人群,降溫設備可結合場地的休息區統一布置,水電配套完善,形成固定的降溫休息區域。而對于運動中的人群,通常無固定行進路線,因而無法使用固定的降溫設備,需要采用可移動降溫設備,在人流量較為集中的場地通過性空間中布置,提高行走人群的體感舒適度。

 

5.3固定式與移動式噴霧降溫

在高密度人流開放空間中,場地降溫方式應分為固定降溫和行走降溫兩種(圖2):



圖2 固定式噴霧降溫與移動式噴霧降溫

(a) 固定懸掛式噴霧降溫    (b) 固定立桿式噴霧降溫  (c) 移動式噴霧降溫

 

5.3.1固定式霧噴降溫

根據世博場地功能要求布設在廣場核心區旁,集中成片的“固定遮陽傘”和“移動樹陣”構成廣場“遮蔭休憩空間”,在該休閑空間布置固定式噴霧降溫終端,方便集中供水、供電,水泵和管路可以隱藏,只留噴霧終端在地表。

 

固定式霧噴終端設備針對廣場不同類型空間采用懸掛型和立柱型終端兩種,分別運用于遮陽棚休憩空間和樹陣休憩空間

 

5.3.2移動式霧噴降溫

應對特殊情況下的人流高峰,在世博場地后期運營管理中可根據人流集中情況、場地狀況、氣象條件變化等靈活布設和增減移動式霧噴終端,作為補充和應急,最大限度實現人性化管理。

 

移動式霧噴降溫為低壓兩相流噴霧技術所獨有,采用蓄電池供電,供電、供水系統與噴霧終端一體化集成在同一設備中,可靈活布置。

 

實驗研究表明,采用低壓可移動式霧噴降溫設備,當行走人群以0.9-1.4m/s 的步速行進,可以感受到步行引導區內1~8m/s的風速,裸露皮膚的平均液體沉降<5ml/min,100米引導區行走獲得的液體量<6ml,并迅速蒸發,不會產生不適感。

5.4.降溫系統布局

 



                   圖3 世博廣場遮陽設施與霧噴降溫結合形成休憩區

 

在高密度人流開放空間中,降溫設備的布局直接關系到場地的降溫效果,依據人體舒適度模型,為了減弱熱輻射對舒適度的影響,以達到良好的降溫效果,霧噴降溫設備宜結合遮陽設施布置,形成蔭涼的休息區。實驗數據表明,遮陽設施下的場地降溫效果明顯好于太陽直射下的場地降溫效果。在世博場地設計中,降溫布局方式主要有以下幾種:

 

5.4.1結合綠地休息空間設計

霧與綠的融合性不但能營造出不同層次的景觀效果,同時霧的控濕和降溫可使特定綠化區域內的植物帶來最佳的生長環境。因而在世博場地的綠地休息空間中,可適當布置霧噴終端設備,可隱藏于植物群落之中,制造霧化景觀效果,并能服務綠地中的休息人群。

 

5.4.2結合廣場休息區設計

 

 

圖3 世博廣場遮陽設施與霧噴降溫結合形成休憩區

霧噴終端可獨立設置“立柱型霧噴終端”或結合休息區的遮陽設施安裝“懸掛型霧噴終端” (圖3)。同時,霧噴終端設備還可以與燈具,景觀主題旗幟等等構件集約化結合。

 

 

5.4.3結合廣場通過性空間設計

結合場地通過性空間中可拆卸遮陽篷,布置可移動霧噴降溫設備,使其成為噴霧降溫覆蓋區域,作為廣場的景觀和降溫通道,可為廣場上的行走人群帶來降溫的感受。

 

5.4.4結合高架步道設計

高架步道是世博場地人行交通干道,高架下的空間遮陽效果好,除了交通功能外,也適于作為休息空間。霧噴設備可結合高架,在步行通道頂棚,增加噴霧點,并適當利用加風裝置,在高架底層形成蔭涼的遮陽降溫通道。

 

6. 世博場地遮陽系統設計

世博會遮陽設計能降低環境溫度和減弱地表輻射,其系統的空間布局、數量規模等屬性受到場地功能、建造條件與人流密度等諸多因素的影響。

 

6.1遮陽設計定位

上海世博會場地公共空間將容納巨大人流,遮陽避雨設施需求量大;場地空間的復雜性、配套設施多且邊界條件不斷變化,需要統籌布局遮陽設施,并實現系統化;在滿足遮陽基本功能的前提下實現技術與藝術的融合。

 

6.2遮陽總體布局

遮陽設施需依據不同場地特征、氣候條件、游客流量等因素進行設計。世博園中,其遮陽設施布局綜合考慮游客總體分布情況及交通流線特征,并結合各類型建筑設施日照陰影與場地輻射情況,形成結構分明、重點突出的遮陽分級系統。

 

6.2.1與人流分布及交通流線的關系

園區內游客行進、參觀、排隊等候等一系列活動是動態而連續的。從空間上看,東西向為主南北向為輔的高架步道聯系各主要片區及展館,是園區最主要的步行參觀流線。整體上形成以高架步道為主、南北向各級通道為輔的魚骨狀步行交通結構。

 

遮陽設施布局形式需考慮游客分布及行進方式總體上形成線性網狀的遮蔭體系。30多米寬的高架平底層遮蔭蔽雨效果較好,形成東西向主廊道,沿南北向增設遮陽設施形成次廊道,以引導人流快速到達參觀目的地,并結合途中各類廣場需求,在廣場核心區周邊設置集中成片狀的遮陽休憩區,這樣從縱、橫方向形成多層次的網絡狀的園區遮陽系統,呼應人流分布的與交通流線。

 

出入口、樓梯口等場地交通節點避免布置遮陽設施造成人流擁堵,交通主流線區域外遮陽設施可結合座椅為游客提供休憩空間。

 

6.2.2與日照陰影及地面輻射的關系

針對世博場館建筑布局與高度等基礎資料,借助ECOTECT、TSUN軟件對場地日照及太陽輻射綜合分析,得出2010年夏至日(日照最長日)日照多點分布及夏季(6~8月)日平均累計輻射分布情況。

 

 

圖4 遮陽布局與日照、場地熱輻射關系(世博場地C05地塊)

 

空間分布上,部門南北向廣場可以利用展館間的陰影區來遮蔭,其余太陽輻射較大的區域需設置相應遮陽設施,無建筑陰影的人流主通道及休憩等候區為遮陽設計重點,需考慮遮陽設施與降溫設施結合(圖4);時間角度上,針對極端高溫與高峰人流時段制定相關運營管理措施,以可移動遮陽傘或臨時搭設遮陽棚等措施來體現設計的機動性。

 

 

   6.2.3遮陽設施數量—遮蔭率

遮陽設施的數量體現為場地的遮蔭率指標,即室外場地中遮陽設施投影面積與廣場面積的比值。國內相關研究表明場地中綠化、遮陽設施累計的夏至日正午投影面積不宜低于廣場總面積的25%[4][5]。

世博園區內遮蔭率指標結合上海氣候條件下的廣場熱環境,在綜合分析場地展館設施布局、綠地規模、高架步道及消防通道走向等諸多因素的前提下,依據集散廣場、綜合性廣場、展會廣場不同等級進行遮陽設計,其遮蔭率分別以25%、20%、15%為宜[6]。

 

   6.2.4功能要求與對應措施

 

6.2.4.1導向性

世博場地廣場空間布局采用“方正、秩序” 的格局,除了網絡化的鋪裝使其具有方向感與秩序性外,結合人流設計的遮陽體系對人流的引導也有著積極作用:將遮陽傘線性連續排列,指明主要展館展區方向并與廣場的“交通性空間”積極呼應,實現空間引導的輔助作用。

 

6.2.4.2使用率

為提高遮陽設施利用率并實現較好遮蔭效果,基于游客庇護心理分析,主要采用雙排遮陽傘并行布置的模式.

 

6.2.4.3通過性

為保證雙排線性遮陽設施下人群的快速通過,除了空間沒有任何障礙物外,遮陽設施采用“單側居中立桿”而非“雙側立桿”形式,以達到線性遮陽空間使用的最大化。


6.2.4.4固定、臨時遮陽傘結合

遮陽設施類型需考慮氣候差異性與場地設施的集約設計等因素,應注重臨時性遮陽,包括可拆卸與可移動遮陽傘的靈活運用(圖 5)。為做到固定、臨時遮陽相結合,避免均衡、突出重點,設計結合各地塊實際情況將固定式遮陽設施(包括主題遮陽傘)與臨時性遮陽的比例控制在3:7。

 

 

                       圖5 固定遮陽傘形式

   (a)固定遮陽傘形式一(b)固定遮陽傘形式二(c)固定遮陽傘形式三

 

針對運營期間的極端氣候,做好在合適區域臨時搭設遮陽棚的預案。


(5)單體形式與特征—

在在滿足遮陽基本功能及安全要求的基礎上,對遮陽設施單體的類別、形態進行研究。遍布240多個外國國家及國際組織館區的遮陽設施可以作為一種空間載體對世界五大洲文化有所詮釋, 這樣可增加世博場地公共空間的特色和可識別性。五大洲主題廣場中的主題遮陽傘設計,用“竹傘”呼應亞洲“內斂含蓄”的大洲性格以及“河流竹林”的自然環境特征,用“雨葉”呼應美洲“雨林湖泊”的自然環境特征,用“茅屋”呼應非洲文化。(圖6)

 

 

圖6 世博五大洲主題廣場主題遮陽

 

5.結論

 

在諸如世博園場地這類高密度人流開放空間中,降溫設計是改善使用人群體感舒適度重要手段。在場地設計中,依據對人體舒適度模型的分析,采用低壓霧噴降溫設備,并結合場地遮陽設施進行合理的布局和設計,可以帶來良好的降溫效果,有效提高場地使用人群體感舒適度,同時也是一種非視覺的景觀體驗。

 

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感謝上海世博會事務協調局工程部蘇梅在設計中的指導與幫助;鎮江同盛環保設備工程有限公司王堅偉在低壓霧噴方面合作與幫助;江蘇大學能源與動力學院王軍鋒博士提供的有關低壓霧噴技術的實驗數據;上海世博會浦東臨時展館及配套設施項目景觀設計團隊核心成員劉月琴、陳昌禧等在遮陽降溫設計專項中所做的貢獻。

 

  

參考文獻:

[1]劉月琴,林選泉.上海世博會場地公共空間設計研究[C].上海世博會.綠色建筑論文集,2010:131-136.

[2]劉梅,于波.人體舒適度研究現狀及其開發應用前景[J].氣象科技,2002(2):11-14 .

[3]Paul Gut.Climate Responsive Building,St[M].Gallen,Switzerland,SKAT,1993,42.

[4]孟慶林,亞熱帶城市廣場熱環境分析.西安建筑科技大學學報(自然科學版),2001(3):225-228.

[5]霍小平,趙華 等.城市廣場熱環境的現場實測與分析.建筑科學,2005(4):19-23

[6]上海世博會事務協調局,中國2010年上海世博會公共空間設計指南及建筑風格導引[Z].2007.

 

 

作者介紹:

林選泉  

1978年出生  福建人  碩士  高級工程師

上海建設工程評標專家   兼職教授

2010年度“上海榜樣人物”(十大海派人物)

上海世博會公共空間總設計師、世博建設功臣

設計與研究方向為風景園林與城市家具

主持100余項規劃與設計,發表過50多篇論文與作品并得到媒體40多次報道,作品獲獎10余次。

 

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        公共空間總設計團隊

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