评估遮阳帆的覆盖效果、高度以及在城市街道环境中的空间布局对降温效果的影响

《Ecological Frontiers》：Evaluating the cooling effectiveness of sun sail coverage, height, and spatial arrangement within urban street environments

　　吴玉林 | 李胜 | 赵玉虎 | 唐磊 | 杨凯伦 | 赵子豪 | 李子健
华南师范大学索鲁克斯建筑与设计学院，衡阳421001，中国

摘要
亚热带地区高密度城市街区中的极端高温导致的热应力显著影响居民的身心健康。尽管通过遮阳帆进行被动冷却已经引起了相当多的关注，但其优化行人热环境的全部潜力尚未得到充分探索。本研究聚焦于中国南部一条典型的商业步行街，利用经过验证的ENVI-met模型来评估遮阳帆的设计变量（覆盖率、悬挂高度和布局方式）对行人级热环境的影响。结果显示，覆盖率是决定冷却效果的主要因素。80%的覆盖率可使空气温度最高降低1.61°C，平均辐射温度降低10.03°C。此外，错列式的遮阳帆布局在热改善方面的效果优于条带状布局。悬挂高度的冷却效果随时间和温度指标的变化而变化。在强辐射时段（11:00–15:00），悬挂在10米处的遮阳帆对平均辐射温度的冷却效果更为明显（平均ΔTmrt = -5.25°C），而悬挂在5米处的遮阳帆冷却效果为（平均ΔTmrt = -4.45°C）。重要的是，覆盖率、布局方式和悬挂高度彼此之间存在协同作用，而非独立影响热环境。这些发现为建筑师和城市规划者提供了有价值的指导：通过优化遮阳帆的设计元素，可以显著提高被动冷却的效果。在早期设计或翻新阶段，最佳设计的遮阳帆可以有效减轻热应力，从而提高城市街区的整体宜居性。

引言
随着城市化进程的加快，城市热岛效应（UHI）显著加剧[1][2]，加剧了极端高温带来的压力，并对城市宜居性产生负面影响[3][4]，尤其是在户外公共空间[5]。城市街道占发达城市公共空间的80%以上，是最普遍且最显眼的公共环境[6][7]。其中，商业街道尤为重要，它们是购物、休闲和区域旅游收入的重要枢纽。然而，亚热带城市频繁出现的极端高温会导致热量在街道峡谷中积聚，从而引发与热相关的健康风险[8][9]，并限制这些公共空间的使用[10]。对于商业步行街而言，优化热环境对于保护游客的健康以及维持其社交功能（包括购物、旅游和文化活动）至关重要[11][12]。因此，在商业街道峡谷中有效缓解热应力、提升行人热舒适度是气候适应性城市设计的关键目标。

为了减轻城市热岛效应，人们提出了多种被动冷却策略并进行广泛研究，包括树木遮阳[13][14][15]、草皮覆盖[16][17][18]、水景[19][20][21]、人工遮阳结构（如遮阳帆[22][23][24][25][26]）以及城市形态的改造[10][27][28][29]等。树木在夏季特别有效，它们提供丰富的遮荫，减少直接的太阳辐射，降低平均辐射温度（Tmrt），从而降低冷却能耗。例如，廖等人[13]的研究表明，树木比灌木和草地更能改善热环境，使空气温度降低0.49°C，平均辐射温度降低多达17.7°C。蓝色基础设施（如喷雾系统、水体和池塘）主要通过蒸发冷却来降温。冷却后的空气随盛行风扩散，从而降低相邻区域的表面温度，对当地微气候产生积极影响。研究表明，水体附近和下风向区域的温度比周围城市区域低约1–2°C，尤其在白天效果更为明显[30]。例如，在中国南部的一条典型历史街道上，喷泉和植被的结合使空气温度降低了3.66°C，平均辐射温度降低了3.27°C[31]。Broadbent[32]报告称，在阿德莱德的Mason Lake草地上进行灌溉在13:00时产生了高达1.75°C的冷却效果。遮阳被广泛认为是减少与热相关的健康风险的最有效和经济可行的策略之一[33]。因此，一些地区制定了严格的遮阳规定。例如，阿布扎比的《公共领域设计手册》要求主要步行道的连续遮阳覆盖率达到80%，次要步行道为60%，公共公园内的正式游乐场需要100%的遮阳。在亚利桑那州的马里科帕县，“热舒适步行道”被规定必须具有至少20%的遮阳覆盖率，以保护行人在夏季90%的午后时段免受热暴露[33]。

然而，设计用于容纳大量购物、休闲和社会活动的商业步行街往往缺乏有效的热缓解措施来减轻行人的热应力。这些繁忙商业区域的空间限制限制了实施传统冷却策略（如树木、绿色走廊、池塘和喷泉）的可行性[34]。在这种情况下，人工遮阳作为一种实用且高效的替代方案应运而生。例如屋顶悬挑[22]、遮阳帆[35]、张力膜遮阳[23]和光伏结构[25]。与自然遮阳不同，人工遮阳不占用宝贵的街道空间，并且在夏季能够以经济高效的方式提升热舒适度[8]。此外，作为一种临时设施，人工遮阳可以在冬季或不需要遮阳的时期轻松拆除，从而避免减少阳光照射带来的不便。

遮阳帆因其高灵活性、易于拆卸和成本效益而受到广泛关注，被视为有效的人工遮阳装置[26][36][37]。除了减少行人暴露在太阳辐射下的程度[38]外，它们还改变了周围表面的温度，从而影响室内和室外环境的热平衡[26][37]（如图1所示）。遮阳帆的冷却效果受多种设计因素的影响，包括透明度[37]、尺寸[38]、布局、安装高度[39]和覆盖率[26][35]。其中，覆盖率被认为是冷却效果的关键参数[40]。虽然高覆盖率的遮阳帆通常能提供更好的冷却效果[26]，但超过90%的覆盖率并不被推荐，因为它可能会造成封闭感并影响室内自然光线的穿透[41]。例如，一项针对埃及学校庭院的研究发现，当覆盖率达到60%时，冷却效果达到最佳，超过这个比例后进一步增加覆盖率并不会带来更多温度下降[35]。遮阳帆的安装高度也对遮阳效果起着关键作用，Kántor等人[39]观察到，在地中海气候下，高安装高度的遮阳帆可使平均辐射温度降低9.4°C，而低安装高度的遮阳帆仅降低5.8°C。然而，这些差异在不同城市环境中有所不同（街道峡谷与开阔广场），表明周围环境条件可能影响安装高度的影响。同样，在湿润炎热的气候下，研究表明，在学校庭院中较高位置和倾斜安装的遮阳帆具有更强的冷却效果[42]。此外，高安装高度的遮阳帆还能有效降低地面和建筑物表面的温度，从而降低建筑能耗[26][37]。布局是影响遮阳效果的另一个关键因素。Mohamoud等人[43]发现，交错排列的遮阳装置比平行排列的遮阳装置具有更好的冷却效果。尽管对遮阳帆在开放户外空间和建筑庭院中的应用进行了大量研究，但其在商业步行街中的应用仍不充分，限制了对其在城市街道峡谷中冷却潜力的全面理解。此外，大多数现有研究仅孤立考虑单个设计参数[35][39]，很少有研究探讨多种因素对遮阳帆冷却效果的交互作用。这种差距阻碍了对设计参数变化如何影响冷却结果的全面理解。

为填补现有知识空白，本研究在中国南部的一条典型亚热带商业步行街进行了ENVI-met模拟，评估了30种不同的设计组合，包括三种覆盖率（40%、60%和80%）、两种安装高度（5米和10米）以及五种布局方式（中心式、平行式、三角形、垂直式和侧向式）。这项全面评估旨在了解这些变量对高密度城市商业街道峡谷热环境的影响。

本研究实现了以下目标：(1)研究单个遮阳帆设计元素对商业街道峡谷内冷却效果的贡献；(2)探索多个设计参数对整体冷却效果的交互影响；(3)确定哪些设计特征在复杂城市环境中最能提升遮阳帆的冷却效果。

框架
本研究分三个步骤进行，如图2所示。首先，在夏季对长沙进行了现场测量，以验证ENVI-met软件（版本5.1.1）模拟遮阳帆冷却效果的准确性。其次，进行了30种不同遮阳帆设计组合的ENVI-met模拟，这些组合在覆盖率（40%、60%和80%）、安装高度（5米和10米）和布局方式上有所不同。

遮阳帆覆盖率对冷却效果的影响
覆盖率是决定亚热带商业步行街上遮阳帆冷却效果的关键因素。它通过空气温度（ΔTa）和平均辐射温度（ΔTmrt）的差异来评估其对热环境的影响。通常，较高的覆盖率意味着更显著的冷却效果，特别是在中午高温时段。图8展示了30种设计方案中的五种遮阳帆布局方式。

局限性与展望
首先，模拟模型存在固有的方法学限制。定义的空间范围有限，可能导致预测的边界微气候出现轻微偏差。此外，本研究主要关注物理参数（Ta, Tmrt），未纳入通用热气候指数（UTCI）等全面的人类热舒适度指标，也未考虑遮阳帆材料和颜色的影响。未来的研究应扩大空间范围。

结论
本研究以长沙黄兴路步行街为案例，评估不同覆盖率、悬挂高度和布局配置的遮阳帆对亚热带商业街热环境的影响。研究结合了ENVI-met模拟和现场测量，以确定不同遮阳帆参数如何影响室外热条件。主要发现如下：
(1) 覆盖率是关键因素…

作者贡献声明
吴玉林：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、调查、数据分析、概念化。
李胜：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论、调查、概念化。
赵玉虎：撰写——初稿、验证、方法论、调查。
唐磊：可视化、项目管理、调查。
杨凯伦：撰写——审阅与编辑、验证、监督。
赵子豪：…

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文工作的知名财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了湖南省研究生科学研究创新项目（项目编号CX20251509）、湖南省自然科学基金（编号2023JJ50126）以及湖南省教育厅资助的关键科研项目（项目编号22A0309）的财政支持。我们感谢MogoEdit（https://www.mogoedit.com）在本文编写过程中提供的英文编辑服务。我们衷心感谢审稿人的宝贵意见。