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上海世博会高密度人流场地 降温与遮阳设计研究


摘要:通过场地遮阳与降温设计可以改善现代城市高密度人流开放空间的环境舒适度。本文以世博会场地这一典型的高密度人流开放空间为例,基于人体舒适度模型,通过对影响人体舒适度的四大因子的分析比较,系统研究了世博场地降温系统与遮阳系统设计,达到高密度人流开放空间的人性化使用。

关键词:上海世博会,场地设计,高密度,开放空间,降温,遮阳 

 

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:

城市高密度使用开放空间的的环境舒适度随着我国城市化进程的加速越来越引起人们的重视。这种高密度使用的开放空间大多以大面积硬质广场空间为主,像包括商业步行街,交通集散广场,集会庆典广场以及举办奥运会,世博会等重大的城市事件。本文对世博场地的遮阳与降温设计进行研究,对类似的高密度人流开放空间有借鉴意义。

 

1.上海世博会场地典型高密度人流开放空间

上海世博会场地主要包括园区内240多个外国国家馆、国际组织馆展区外的所有公共空间,涉及广场、绿地、高架、配套设施等要素,而其中的广场系统是核心与重点。

 

根据预测,整个世博会日均客流量为40万人次,高峰日客流量为60万人次,极端高峰日客流量为80万人次。据测算展馆等建筑能容纳10万人左右,大部分人流将由场地公共空间来消化。取同时在场系数0.7,高峰日将有32万人分布在外部公共空间,人均室外场地为6m2,极端高峰时公共空间面临的人流压力将更巨大[1],上海世博会场地将成为典型的高密度使用开放空间。

 

上海世博会展会时间为2010年5月1号到10月31号,将会遭遇梅雨、台风、高温等恶劣天气的影响。梅雨季节在6月中旬7月上中旬,通常持续连绵的阴雨、温高湿大,7、8、9月为高温月份。夏季持续时间一般140天以上。

因而在世博场地设计中,提供合适的遮阳与降温设施将成为世博期间漫长夏季里的最大的挑战之一。

 

2.人体舒适度

面对高密度人流开放空间高温,高人流密度的双重挑战,在场地降温设计中,单纯把目标放在如何降低温度上,不是解决问题的关键所在。场地降温的根本目的在于提高人体舒适度,人体舒适度的影响因子包括气温、相对湿度、风和热辐射。在高密度人流开放空间设计中,应该从提高人体舒适度的角度出发,进行场地降温设计。

试验数据表明,上海夏季广场空间的温度和辐射强度指数最高,依据人体舒适度模型[2]:SSDI=1.8T+0.145RH(1.8T-26)+a(T-33) +0.134S+27 ,推算人体舒适度指数在80~85之间,炎热不舒。由于世博园内多为中小型广场,热辐射较其它类型空间大、空气温度偏高,提高广场人群的体感舒适度作为世博场地降温的重点考虑。

 

3.基于人体舒适度改善的遮阳降温途径

基于人体舒适度模型,从温度,热辐射,湿度,风速四个因子着手,研究遮阳降温,提高世博场地人群的体感舒适度的主要包括四大途径:

 

3.1降低环境温度

   降低空气温度是最直接有效的改善人们体感舒适度的方式,在夏季的世博场地,若能使局部空间的环境温度降低3-5度,可以极大改善参观游客的体感舒 适度。

 

3.2减弱地表热辐射

太阳辐射强度与舒适度之间的具有直接关系。随着太阳辐射强度的增加,使人感觉舒适的温度可以相应降低。例如:当相对湿度为70%,太阳辐射强度为0w/m2时,舒适温度的最低值为20℃;若湿度不变,太阳辐射强度加大到300w/m2,舒适温度的最低值为17℃;若太阳辐射强度为800w/m2,则舒适温度的最低值可降低到11℃,比没有太阳辐射时下降9℃左右[3]。

 

3.3减少空气湿度

在高温天气下,空气湿度的增加会加强人体的不适感,所以在进行场地降温设计时,应控制局部环境的空气湿度,尽可能不增加湿度。

 

3.4适当增加风速

当气温低于皮肤温度时,风能使机体散热加快。风速每增加1m/s,会使人感到气温下降了2—3℃,风越大散热越快。温度越高、湿度越大,通风就越重要。即使风的温度有点偏高,但由于它增加了皮肤的蒸发,所以也会使人感觉舒适。

 

4.世博场地改善人体舒适度措施

通过以上对基于人体舒适度因子的降温四大途径的分析,在高密度人流开放空间中,通过以上对改善人体舒适度因子的途径的分析,在高密度人流开放空间中,改善人体舒适度要必须具备影响人体舒适度的四大因子。通过系统比较论证,在上海世博会场地公共空间中设计了低压雾喷降温系统和遮阳系统,以改善人体舒适度,从其中一个视角实现世博场地设计的人性化表达

 

5.世博场地降温系统设计

雾喷降温设备根据水雾蒸发吸热的原理,以水为原料,利用设备压力,使水通过微孔撞击雾化,形成自然水雾,以达到降低局部空间的环境温度的效果。

 

5.1方法选择

现在世界上成熟的降温技术主要有两种:高压雾喷技术和低压两相流雾喷技术。通过分析比较,两者的相关技术指标对比如表1所示:

 

表1 低压两相流喷雾降温与高压喷雾降温技术比较

 

序号

指标

项目

高压喷雾降温

低压喷雾降温

备注

1

初始目标

技术最初开发用途

造雾生景、加湿及其它工业用途

降温降尘

 

2

温度

降温能力

平均2-3℃

平均5-6℃

 

降温着眼点

水蒸发吸热理论计算

有效降温和改善人体舒适度

 

 

3

热辐射

雾滴大小

≤16μm

20-40,40-60

μm

雾滴大有助于吸收热辐射

4

湿度

是否增加湿度

增加

基本不增加

 

视觉影响

雾气大,影响

视觉

雾气小,基本不影响视觉

 

5

风速

是否增加风速

不增加

增加

 

6

其他指标

10000m2降温区域每小时电耗

20kw·h

12kw·h

 

10000m2降温区域每小时水耗

3-4.8m3

2.4m3

 

可移动一体化设备

已成功应用于大型活动的

相似典型案例

日本爱知世博会

北京奥运会沙排场和国家体育馆

 

 

 

根据以上对影响人体舒适度的四大因子的比较,综合考虑,在世博场地设计中,选择采用低压两相流喷雾降温技术对广场局部环境空间进行降温较为适合,通过试验表明,雾喷点周边降温效果能达到5-6℃,其水、电能耗都在可控范围之内。水雾粒径控制在40~80微米,可部分沉降到地表和人皮肤上,减少热辐射,同时可在降温覆盖区域内人工送风(风速范围1-8m/s),使游人的体感舒适度增加,减少或避免中暑的发生(图1)。

图1 低压喷雾降温终端——中心点立面人体舒适度趋势图

 

5.2 降温使用人群的行为状态

在高密度使用开放空间中,人的行为状态主要两种:运动中和静止休息。对于静止休息的人群,降温设备可结合场地的休息区统一布置,水电配套完善,形成固定的降温休息区域。而对于运动中的人群,通常无固定行进路线,因而无法使用固定的降温设备,需要采用可移动降温设备,在人流量较为集中的场地通过性空间中布置,提高行走人群的体感舒适度。

 

5.3固定式与移动式喷雾降温

在高密度人流开放空间中,场地降温方式应分为固定降温和行走降温两种(图2):



图2 固定式喷雾降温与移动式喷雾降温

(a) 固定悬挂式喷雾降温    (b) 固定立杆式喷雾降温  (c) 移动式喷雾降温

 

5.3.1固定式雾喷降温

根据世博场地功能要求布设在广场核心区旁,集中成片的“固定遮阳伞”和“移动树阵”构成广场“遮荫休憩空间”,在该休闲空间布置固定式喷雾降温终端,方便集中供水、供电,水泵和管路可以隐藏,只留喷雾终端在地表。

 

固定式雾喷终端设备针对广场不同类型空间采用悬挂型和立柱型终端两种,分别运用于遮阳棚休憩空间和树阵休憩空间

 

5.3.2移动式雾喷降温

应对特殊情况下的人流高峰,在世博场地后期运营管理中可根据人流集中情况、场地状况、气象条件变化等灵活布设和增减移动式雾喷终端,作为补充和应急,最大限度实现人性化管理。

 

移动式雾喷降温为低压两相流喷雾技术所独有,采用蓄电池供电,供电、供水系统与喷雾终端一体化集成在同一设备中,可灵活布置。

 

实验研究表明,采用低压可移动式雾喷降温设备,当行走人群以0.9-1.4m/s 的步速行进,可以感受到步行引导区内1~8m/s的风速,裸露皮肤的平均液体沉降<5ml/min,100米引导区行走获得的液体量<6ml,并迅速蒸发,不会产生不适感。

5.4.降温系统布局

 



                   图3 世博广场遮阳设施与雾喷降温结合形成休憩区

 

在高密度人流开放空间中,降温设备的布局直接关系到场地的降温效果,依据人体舒适度模型,为了减弱热辐射对舒适度的影响,以达到良好的降温效果,雾喷降温设备宜结合遮阳设施布置,形成荫凉的休息区。实验数据表明,遮阳设施下的场地降温效果明显好于太阳直射下的场地降温效果。在世博场地设计中,降温布局方式主要有以下几种:

 

5.4.1结合绿地休息空间设计

雾与绿的融合性不但能营造出不同层次的景观效果,同时雾的控湿和降温可使特定绿化区域内的植物带来最佳的生长环境。因而在世博场地的绿地休息空间中,可适当布置雾喷终端设备,可隐藏于植物群落之中,制造雾化景观效果,并能服务绿地中的休息人群。

 

5.4.2结合广场休息区设计

 

 

图3 世博广场遮阳设施与雾喷降温结合形成休憩区

雾喷终端可独立设置“立柱型雾喷终端”或结合休息区的遮阳设施安装“悬挂型雾喷终端” (图3)。同时,雾喷终端设备还可以与灯具,景观主题旗帜等等构件集约化结合。

 

 

5.4.3结合广场通过性空间设计

结合场地通过性空间中可拆卸遮阳篷,布置可移动雾喷降温设备,使其成为喷雾降温覆盖区域,作为广场的景观和降温通道,可为广场上的行走人群带来降温的感受。

 

5.4.4结合高架步道设计

高架步道是世博场地人行交通干道,高架下的空间遮阳效果好,除了交通功能外,也适于作为休息空间。雾喷设备可结合高架,在步行通道顶棚,增加喷雾点,并适当利用加风装置,在高架底层形成荫凉的遮阳降温通道。

 

6. 世博场地遮阳系统设计

世博会遮阳设计能降低环境温度和减弱地表辐射,其系统的空间布局、数量规模等属性受到场地功能、建造条件与人流密度等诸多因素的影响。

 

6.1遮阳设计定位

上海世博会场地公共空间将容纳巨大人流,遮阳避雨设施需求量大;场地空间的复杂性、配套设施多且边界条件不断变化,需要统筹布局遮阳设施,并实现系统化;在满足遮阳基本功能的前提下实现技术与艺术的融合。

 

6.2遮阳总体布局

遮阳设施需依据不同场地特征、气候条件、游客流量等因素进行设计。世博园中,其遮阳设施布局综合考虑游客总体分布情况及交通流线特征,并结合各类型建筑设施日照阴影与场地辐射情况,形成结构分明、重点突出的遮阳分级系统。

 

6.2.1与人流分布及交通流线的关系

园区内游客行进、参观、排队等候等一系列活动是动态而连续的。从空间上看,东西向为主南北向为辅的高架步道联系各主要片区及展馆,是园区最主要的步行参观流线。整体上形成以高架步道为主、南北向各级通道为辅的鱼骨状步行交通结构。

 

遮阳设施布局形式需考虑游客分布及行进方式总体上形成线性网状的遮荫体系。30多米宽的高架平底层遮荫蔽雨效果较好,形成东西向主廊道,沿南北向增设遮阳设施形成次廊道,以引导人流快速到达参观目的地,并结合途中各类广场需求,在广场核心区周边设置集中成片状的遮阳休憩区,这样从纵、横方向形成多层次的网络状的园区遮阳系统,呼应人流分布的与交通流线。

 

出入口、楼梯口等场地交通节点避免布置遮阳设施造成人流拥堵,交通主流线区域外遮阳设施可结合座椅为游客提供休憩空间。

 

6.2.2与日照阴影及地面辐射的关系

针对世博场馆建筑布局与高度等基础资料,借助ECOTECT、TSUN软件对场地日照及太阳辐射综合分析,得出2010年夏至日(日照最长日)日照多点分布及夏季(6~8月)日平均累计辐射分布情况。

 

 

图4 遮阳布局与日照、场地热辐射关系(世博场地C05地块)

 

空间分布上,部门南北向广场可以利用展馆间的阴影区来遮荫,其余太阳辐射较大的区域需设置相应遮阳设施,无建筑阴影的人流主通道及休憩等候区为遮阳设计重点,需考虑遮阳设施与降温设施结合(图4);时间角度上,针对极端高温与高峰人流时段制定相关运营管理措施,以可移动遮阳伞或临时搭设遮阳棚等措施来体现设计的机动性。

 

 

   6.2.3遮阳设施数量—遮荫率

遮阳设施的数量体现为场地的遮荫率指标,即室外场地中遮阳设施投影面积与广场面积的比值。国内相关研究表明场地中绿化、遮阳设施累计的夏至日正午投影面积不宜低于广场总面积的25%[4][5]。

世博园区内遮荫率指标结合上海气候条件下的广场热环境,在综合分析场地展馆设施布局、绿地规模、高架步道及消防通道走向等诸多因素的前提下,依据集散广场、综合性广场、展会广场不同等级进行遮阳设计,其遮荫率分别以25%、20%、15%为宜[6]。

 

   6.2.4功能要求与对应措施

 

6.2.4.1导向性

世博场地广场空间布局采用“方正、秩序” 的格局,除了网络化的铺装使其具有方向感与秩序性外,结合人流设计的遮阳体系对人流的引导也有着积极作用:将遮阳伞线性连续排列,指明主要展馆展区方向并与广场的“交通性空间”积极呼应,实现空间引导的辅助作用。

 

6.2.4.2使用率

为提高遮阳设施利用率并实现较好遮荫效果,基于游客庇护心理分析,主要采用双排遮阳伞并行布置的模式.

 

6.2.4.3通过性

为保证双排线性遮阳设施下人群的快速通过,除了空间没有任何障碍物外,遮阳设施采用“单侧居中立杆”而非“双侧立杆”形式,以达到线性遮阳空间使用的最大化。


6.2.4.4固定、临时遮阳伞结合

遮阳设施类型需考虑气候差异性与场地设施的集约设计等因素,应注重临时性遮阳,包括可拆卸与可移动遮阳伞的灵活运用(图 5)。为做到固定、临时遮阳相结合,避免均衡、突出重点,设计结合各地块实际情况将固定式遮阳设施(包括主题遮阳伞)与临时性遮阳的比例控制在3:7。

 

 

                       图5 固定遮阳伞形式

   (a)固定遮阳伞形式一(b)固定遮阳伞形式二(c)固定遮阳伞形式三

 

针对运营期间的极端气候,做好在合适区域临时搭设遮阳棚的预案。


(5)单体形式与特征—

在在满足遮阳基本功能及安全要求的基础上,对遮阳设施单体的类别、形态进行研究。遍布240多个外国国家及国际组织馆区的遮阳设施可以作为一种空间载体对世界五大洲文化有所诠释, 这样可增加世博场地公共空间的特色和可识别性。五大洲主题广场中的主题遮阳伞设计,用“竹伞”呼应亚洲“内敛含蓄”的大洲性格以及“河流竹林”的自然环境特征,用“雨叶”呼应美洲“雨林湖泊”的自然环境特征,用“茅屋”呼应非洲文化。(图6)

 

 

图6 世博五大洲主题广场主题遮阳

 

5.结论

 

在诸如世博园场地这类高密度人流开放空间中,降温设计是改善使用人群体感舒适度重要手段。在场地设计中,依据对人体舒适度模型的分析,采用低压雾喷降温设备,并结合场地遮阳设施进行合理的布局和设计,可以带来良好的降温效果,有效提高场地使用人群体感舒适度,同时也是一种非视觉的景观体验。

 

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感谢上海世博会事务协调局工程部苏梅在设计中的指导与帮助;镇江同盛环保设备工程有限公司王坚伟在低压雾喷方面合作与帮助;江苏大学能源与动力学院王军锋博士提供的有关低压雾喷技术的实验数据;上海世博会浦东临时展馆及配套设施项目景观设计团队核心成员刘月琴、陈昌禧等在遮阳降温设计专项中所做的贡献。

 

  

参考文献:

[1]刘月琴,林选泉.上海世博会场地公共空间设计研究[C].上海世博会.绿色建筑论文集,2010:131-136.

[2]刘梅,于波.人体舒适度研究现状及其开发应用前景[J].气象科技,2002(2):11-14 .

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

[4]孟庆林,亚热带城市广场热环境分析.西安建筑科技大学学报(自然科学版),2001(3):225-228.

[5]霍小平,赵华 等.城市广场热环境的现场实测与分析.建筑科学,2005(4):19-23

[6]上海世博会事务协调局,中国2010年上海世博会公共空间设计指南及建筑风格导引[Z].2007.

 

 

作者介绍:

林选泉  

1978年出生  福建人  硕士  高级工程师

上海建设工程评标专家   兼职教授

2010年度“上海榜样人物”(十大海派人物)

上海世博会公共空间总设计师、世博建设功臣

设计与研究方向为风景园林与城市家具

主持100余项规划与设计,发表过50多篇论文与作品并得到媒体40多次报道,作品获奖10余次。

 

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