高潮 梁浩 于航

1同濟大學機械與能源工程學院

2住房和城鄉(xiāng)建設部科技與產業(yè)化發(fā)展中心

0 引言

隨著城市化腳步的加快，城市下墊面材料更新速度與日俱增，大量的自然地表被瀝青、水泥、混凝土地磚等材料所替代，這也在一定程度上改變了城市微氣候格局 [1]。本文的研究場地為上海某高校停車場，整個場地均采用水泥作為鋪裝材料且?guī)缀鯖]有設置任何綠化。傳統(tǒng)的停車場地面多采用上述材料作為地面鋪裝，而這些材料又具有低反射率的特點（特別是瀝青），這在夏季強烈的日光直射下必將達到很高的地表溫度，進而對室外熱感覺產生不利影響[2]，甚至有可能破壞景觀植物的根系[3]。

與傳統(tǒng)建造模式不同，如今最為突出的停車場設計理念是生態(tài)和經濟[4]，重點強調了下墊面綠化的作用。縱觀大量的前人研究，下墊面綠化很有可能是提升室外熱舒適品質的最有效的方式。例如，高大的植物的遮蔭效應可以顯著降低空氣溫度[5]，也有研究指出集中的種植樹冠寬大濃密，樹干較短的樹木在降低環(huán)境平均輻射溫度方面最為有效[6]。除了種植樹木，選擇合理的下墊面鋪裝材料也可對室外熱舒適起到顯著提升作用。有學者發(fā)現(xiàn)草坪也有著降低下墊面溫度和環(huán)境平均輻射溫度的能力[7-8]，所以許多設計師傾向于選擇植草磚作為停車場鋪裝材料[9]。從這樣的背景出發(fā)，本文旨在使用三維微氣候模擬軟件 ENVI-met 4.1 定量模擬計算采用種植樹木和植草磚作為地面鋪裝材料的綠化方案對室外熱環(huán)境的改善作用。

1 資料來源與方法

1.1 場地熱環(huán)境實測

本次測試的場地是上海同濟大學的西南停車場（121.30E，31.12N）。考慮到周邊建筑對場地的熱環(huán)境影響，根據(jù)前人經驗[10]劃定了模型邊界范圍，并用ArcMap 10.2軟件生成了場地底圖（圖1）。根據(jù)底圖中場地及周邊建筑物、綠化、下墊面等的主要特征，等比例地建立了場地ENVI-met下墊面模型（圖2）。

圖1 ArcMap 10.2生成的場地建模底圖

圖2 場地ENVI-met模型平面圖

整個場地為一邊長56 m的正方形區(qū)域，為了更具代表性的測量場地熱環(huán)境數(shù)據(jù)將場地分為4個小正方形，并依次在這四個小正方形的幾何中心設置了4個觀測點（圖3）。第五個觀測點則設置在整個場地的幾何中心，這樣每個時刻共可以收集5組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均包括地表溫度，1.5m高空氣溫度，濕度與黑球溫度等參數(shù)的測量值。測量日期為2017年7月23日，從早7：00到晚19：00每隔一個整點測量一次數(shù)據(jù)以獲得上述參數(shù)的晝間變化規(guī)律?？諝鉁貪穸炔捎昧吮本┨旖ㄈA儀科技發(fā)展有限公司生產的溫濕度自記儀測量（型號WSZY-1，測量空氣溫度精度為0.4℃，測量相對濕度精度為2%），地表溫度則使用了該公司生產的溫度自記儀測量（型號 WZY-1，精度0.3℃），黑球溫度溫度采用法國KIMO TM200黑球溫度計（精度0.4℃）。

圖3 觀測點布置

1.2 場地微氣候模型

選用基于流體力學和熱力學[11]的三維、非靜力、城市微氣候數(shù)值模擬模型ENVI-met（版本4.1，Windows系統(tǒng)免費版http://www.envi-met.com）來模擬不同案例的熱環(huán)境數(shù)據(jù)。該模型的空間尺度精度最小可達0.5 m，時間步長為1～5s，主要應用于城市尺度的下墊面，植被以及空氣三者間相互作用的模擬。

根據(jù)研究區(qū)域內樹木的實際規(guī)格，選用了ENVI-met 植物數(shù)據(jù)庫中的 alba（高7 m，寬5 m），privet（高5 m，寬5 m），oleaeuropaea（高4 m，寬5 m），pine（高15 m，寬7 m）和dense grass等作為模型中的綠化模塊。同時，在相應的位置設置 loam soil，concrete pavement和asphalt road等模塊來代表場地實際下墊面特征。值得注意的是，ENVI-met要求整個模型的上部邊界高度必須超過模型內最高建筑高度的2倍，而本文研究場地的最高建筑約80 m，又注意到整個研究區(qū)域的平面尺度為240 m×240 m，于是在x，y和z方向上分別設置了80，80和35個網(wǎng)格，網(wǎng)格分辨率為dx=3 m，dy=3 m和dz=5 m。這種設置方法剛好滿足模型高度的條件，也最近似地表達了場地不同區(qū)域的尺寸特征。氣象輸入?yún)?shù)均為實驗當天現(xiàn)場實測，具體見表1。

表1 初始輸入?yún)?shù)

總共為研究場地建立兩個ENVI-met模型，一個在場地內未設置任何綠化，另一個在考慮車位設計的情況下采用數(shù)據(jù)庫中的 Koelreuteria paniculate（高10 m，寬13 m）作為綠化樹木，并且在地面交錯地設置了brick與 grass 模塊代表植草磚。除此之外，兩個模型的其他輸入?yún)?shù)均與上述一致。模擬時長為2017年早7:00到晚19:00共13 h，每一個整點輸出一次熱環(huán)境參數(shù)模擬結果。

2 現(xiàn)狀案例模擬結果精度評價

選用了目前國際上最常見的兩種模型精度評價指標—均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）和平均絕對誤差百分比（Mean Absolute Percentage Error，MAPE）來核實本次模擬的可信度，這兩個指標定義如下：

式中：yi為某種參數(shù)的實際測量值，而y'i則為這一參數(shù)的模擬結果，n為測量次數(shù)。

表2記錄了五個觀測點1.5 m高空氣溫度與相對濕度的兩個精度評價指標的計算結果。根據(jù)前人對ENVI-met模擬精度的研究，空氣溫度的RMSE范圍為1.31～1.63[12]，近地面相對濕度的 MAPE 不超過5.00%[13]。從表4中不難看出沒有一項計算結果超出前人的誤差范圍，說明本文建立的模型據(jù)具有足夠的精度來模擬實際的場地熱環(huán)境。

表2 各觀測點RMSE與MAPE計算結果

3 綠化對場地熱環(huán)境地改善作用

3.1 對環(huán)境溫濕度及下墊面溫度的影響

基于ENVI-met對兩個案例的模擬結果，輸出了（2017年7月23日）兩種情形下1.5 m高處溫度與相對濕度絕對差值云圖（圖4），可以清晰地看出在場地范圍內出現(xiàn)了較大溫度與濕度差值，且越靠近中心相差越明顯。

圖4 兩種方案13∶00時刻的絕對差值云圖

圖5為兩種方案全天時間溫濕度線圖，可以看出，清晨與傍晚時分兩種方案的溫濕度差異不是特別顯著，但是正午時分可以明顯的看出植物的降溫增濕作用達到峰值，13:00時刻分別降溫1.04℃、增濕3.27%，全天平均降溫0.71℃、增濕2.35%。

圖5 兩種方案全天時間溫濕度線圖

圖6 兩種方案下墊面溫度差值

圖7 三種下墊面材料全天溫度變化

場地的地面鋪裝換為植草磚材料后，相比于普通水泥材料其表面溫度出現(xiàn)了明顯的降低（圖6），而且又設置了高大樹木遮擋了大量太陽直射輻射，這使得降溫作用更加明顯。值得注意的是，植草磚材料表面可視為由地磚和植草的土壤表面這兩種材料復合而成，所以分別計算了這兩種材料全天表面的溫度變化情況（圖7）。同樣地，植草磚材料的降溫作用也在正午時分最為明顯，其地磚表面相較于水泥可降溫13.57℃，而植草的土壤表面的降溫可達20.11℃，全天平均降溫了12.67℃，印證了植草磚材料的良好降溫效應。

3.2 對濕黑球溫度（WBGT）的影響

濕黑球溫度（以下簡稱 WBGT）作為室外熱安全的評價指標，已被已被ISO7243標準體系認證[14]，在我國也有相關的應用[15]。WBGT是一個環(huán)境熱應力指數(shù)，是由干球溫度Ta、濕球溫度Tw、黑球溫度Tg按照如下關系復合而成：

綜合考慮了黑球、濕球及空氣溫度，使得WBGT與空氣溫濕度、空氣運動及太陽輻射等因素均相關，從而WBGT是一個與影響人體環(huán)境熱應力的所有因素都相關的函數(shù)。對于不同活動量（以新陳代謝率為指標）下的人，ISO7243給出推薦WBGT閾值（表3）。

表3 ISO7243推薦的WBGT閾值

由于ENVI-met不能輸出黑球溫度數(shù)值，所以本次使用前人的經驗公式來計算WBGT數(shù)值：

式中：ta為空氣溫度，℃；tmr為平均輻射溫度，℃；qs為太陽短波輻射，W/m2；φ為相對濕度，%；V為風速，m/s。

式（4）中包含的所有自變量均可以 ENVI-met 模擬輸出，不難算得兩個案例在全天各時刻下的WBGT數(shù)值（圖8）。

這里以新陳代謝率M＜117W/m2（相當于步行時的代謝率）并且熱適應性好的人為例，以WBGT為指標，說明綠化對室外熱安全性的影響。對于此類人群，WBGT閾值為33℃，從圖8中不難看出無綠化情況下約9:30-13:40時間段內WBGT數(shù)值超過了閾值，而有綠化的情況下這一時間段縮短為10:20-13:00，可知綠化延長了全天處于熱安全條件下的時間約1.5h，減少了室外過于炎熱的環(huán)境帶來的危害。

圖8 兩種方案WBGT全天變化

3.3 對標準有效溫度（SET）的影響

標準有效溫度（以下簡稱 SET）作為國內外廣泛使用的熱舒適評價指標，多用于評價室內的情況，但事實上SET并沒有限制室內外的條件，所以同樣也適用于室外環(huán)境。對于不同SET對應的溫熱感覺，生理現(xiàn)象及健康狀態(tài)，ASHRAE給出了詳細的定義（表4）：

表4 不同SET下的熱感覺、生理現(xiàn)象及健康狀態(tài)

本次采用清華大學林波榮[16]回歸得到的經驗公式計算SET：

式中：Ta為空氣溫度，℃；MRT為平均輻射溫度，℃；qs為太陽短波輻射，W/m2；φ為相對濕度，%；V為風速，m/s；

圖9 兩種方案SET全天變化

根據(jù)兩個案例模擬結果中上述變量輸出值可分別計算出兩種情況下的SET值全天變化情況（圖9）。

可以明顯地看出，無綠化情況下SET顯著超過了有綠化的方案。從月7:30開始至15:30結束，共計約8h無綠化的案例下SET值超過了40℃的限值，甚至在8:30至13:30共計5h的時間段內，無綠化的環(huán)境下SET超過了45℃的最高限值，表明此時該環(huán)境存在著非常嚴重的熱安全隱患，人體會出現(xiàn)體溫上升、體溫調節(jié)不暢、血液循環(huán)不暢等現(xiàn)象。相反，有綠化的案例下全天SET均未超過40℃的限值，與無綠化情況相比全天SET值平均降低6.12℃，在這樣的環(huán)境下人體熱感覺雖為不舒適，相應的熱安全隱患大大減少。綠化之所以能顯著的降低SET，一個很大的原因是綠化遮擋了絕大多數(shù)的太陽直射輻射，從式（5）中不難看出，太陽直射輻射qs對SET值起著很大的影響作用。另外，無論是現(xiàn)場觀測還是ENVI-met模擬都可以觀察得出，無綠化的場地從7:00至13:00時一直接受太陽直射輻射，因此這一時間段內SET值非常高，而13:00之后周邊高層建筑的陰影遮擋了場地的大部分面積，接受到的輻射明顯減弱，SET顯著下降。然而對于有綠化的情況，植物始終遮擋了絕大部分的太陽輻射，這使得這種情況下SET值一直保持較低水平，說明綠化具有較強的降低熱安全隱患的作用。

4 結論

針對場地在夏季條件下過于炎熱的現(xiàn)狀，本文設計了綠化改良方案，采取現(xiàn)場實測與ENVI-met模擬相結合的手段，發(fā)現(xiàn)綠化對該場地熱環(huán)境的影響主要有以下方面：

1）綠化的降溫增濕作用在全天溫度峰值時刻最為明顯，全天平均降溫0.71℃，增濕2.35%。地面鋪裝改為植草磚后，與水泥相比全天平均降溫12.67℃，效果顯著。

2）綠化減少了環(huán)境WBGT超過閾值的時間（對于室外行人，可減少1.5h/天），降低了環(huán)境過熱對人體的安全隱患。

3）未設置綠化的案例全天有約8 h的SET超過限值，增加綠化后植物遮擋大量太陽直射輻射，使得SET 顯著降低，全天均處于限值以下，一定程度上提升了舒適度。