胡鑫康，顧康康，2，耿世堯，解衛(wèi)東

1.安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽 合肥 230022

2.安徽省國(guó)土空間規(guī)劃與生態(tài)研究院，安徽 合肥 230022

快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程導(dǎo)致城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增大，城市綠地空間減少，城市下墊面熱力性質(zhì)發(fā)生明顯改變，特別是在夏季，城市遭到熱浪襲擊的強(qiáng)度和頻率增加，致使城市熱環(huán)境效應(yīng)和人體熱舒適性水平逐漸降低，而多種環(huán)境暴露因素與健康效應(yīng)存在線性關(guān)系［1］。為了緩解這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中已提倡增加綠地空間和使用綠色基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)提供重要的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但因城市地區(qū)面臨用地資源緊張、地價(jià)昂貴等問(wèn)題，人們紛紛將目光投向城市“第五立面”的綠色屋頂。綠色屋頂為城市綠地提供了一種新型的綠化方式，已有大量的研究證實(shí)了綠色屋頂在徑流調(diào)控和生態(tài)修復(fù)［2-3］，改善徑流水質(zhì)［4］，緩解城市熱島效應(yīng)［5］，降低建筑能耗［6］，減少溫室氣體排放，降低噪聲以及維護(hù)生物多樣性方面［7］的巨大效益。更重要的是與傳統(tǒng)裸露屋頂相比，綠色屋頂具有明顯的降溫增濕效果，尤其在夏熱冬冷地區(qū)的夏季。熱環(huán)境和人體熱舒適性對(duì)人居環(huán)境質(zhì)量提升影響較大，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)人體熱舒適性的研究主要集中于建筑室內(nèi)空間［8］、地下空間［9-10］以及室外開(kāi)放空間［11-12］的定量評(píng)價(jià)，也有研究探索了綠色屋頂在不同氣候條件下［13］以及不同建筑高度下［14］對(duì)屋頂表面和行人尺度下的降溫效應(yīng)，但較少研究關(guān)注綠色屋頂?shù)染G色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)人體熱舒適性的影響，缺少人自身對(duì)熱環(huán)境滿意度的定量評(píng)價(jià)。

本研究擬以安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院（簡(jiǎn)稱(chēng)：建科院）綠色屋頂為例，在實(shí)地監(jiān)測(cè)和ENVI-met 4.4.5軟件模擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，選取綠色屋頂類(lèi)型、植被布局形式兩個(gè)方面，分析綠色屋頂?shù)慕禍卦鰸裥芤约皩?duì)人體熱舒適性等方面的影響，特別是綠色屋頂對(duì)微觀尺度上的熱環(huán)境影響，從而為通過(guò)增加城市綠色空間，優(yōu)化城市熱環(huán)境，緩解城市熱島效應(yīng)，提高人體熱舒適性和人居環(huán)境質(zhì)量水平提供實(shí)證依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

合肥市是安徽省的省會(huì)城市，地處安徽中部，江淮之間，環(huán)抱巢湖，冬冷夏熱，四季分明，氣候溫和，雨量適中，年均氣溫約15.7℃，年均降水量約1 000 mm，年日照時(shí)間約2 000 h，年均無(wú)霜期228 d，平均相對(duì)濕度為77%。安徽省建科院為三星級(jí)綠色建筑，建筑高度88.35 m，總建筑面積為28 000 m2，在屋頂設(shè)置太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，全面積利用屋面建立屋頂花園，主要由植被層、基質(zhì)層、過(guò)濾層、排水層和防水層組成，面積900 m2，花園內(nèi)組織配備綠植和小品。

1.2 研究點(diǎn)設(shè)計(jì)

以安徽省建科院屋頂花園作為實(shí)測(cè)場(chǎng)地，根據(jù)場(chǎng)地現(xiàn)狀，綠色屋頂由“草+灌木+喬木”三種不同植物類(lèi)型組成，其中草地的面積約為328 m2，灌木60棵且面積約為73 m2，喬木42棵且樹(shù)冠面積約為72 m2，具體植物配置見(jiàn)補(bǔ)充材料 http://www.jeom.org/article/cn/10.13213/j.cnki.jeom.2021.21011。實(shí)地測(cè)量選了三個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)，在行人高度150 cm 處設(shè)置風(fēng)速儀測(cè)量溫度、濕度與風(fēng)速，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A 位于草、喬木與灌木處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B 位于太陽(yáng)直射的鋪裝上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C 位于灌木之間，具體布點(diǎn)與傳感器安裝位置見(jiàn)補(bǔ)充材料http://www.jeom.org/article/cn/10.13213/j.cnki.jeom.2021.21011。

在ENVI-met軟件模擬中，選取草坪式和花園式兩種不同類(lèi)型的綠色屋頂以及與實(shí)測(cè)場(chǎng)地等數(shù)量的喬木、灌木，設(shè)置隨機(jī)式、組團(tuán)式、圍合式三種不同布局，具體類(lèi)型參考城市常見(jiàn)的布局形式［15］。隨機(jī)式布局以大面積草地鋪裝為基底，喬木與灌木隨機(jī)種植；組團(tuán)式布局以同種植被類(lèi)型集聚種植，從而形成多個(gè)組團(tuán)；圍合式布局則是一種以大面積草地鋪裝為基底，喬木集中種植，灌木圍合喬木的布局形式。

1.3 數(shù)據(jù)收集

在晴朗無(wú)風(fēng)典型天氣條件下進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，時(shí)間選取2020年9月12日和9月30日的9:00—18:00，收集共計(jì)2 d（18 h）的數(shù)據(jù)。本研究采用手持式風(fēng)速氣象儀（NK-5500，上海首榮工業(yè)設(shè)備有限公司，中國(guó)）在行人高度150 cm 處獲取溫度、濕度與風(fēng)速，觀測(cè)前統(tǒng)一調(diào)試設(shè)備，確保數(shù)據(jù)的精確度，數(shù)據(jù)每30 min 記錄一次。

1.4 研究區(qū)模型ENVI-met軟件模擬參數(shù)的設(shè)置

ENVI-met 軟件是一種三維非流體靜力模型，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)原理模擬城市建筑-植被-大氣之間的相互關(guān)系［16］。軟件模擬計(jì)算需要三個(gè)文件：模型、數(shù)據(jù)庫(kù)以及模擬配置文件，用于定義邊界條件。研究區(qū)域建筑物主體屋頂為50 m×20 m，將屋頂花園平面圖轉(zhuǎn)化成可被ENVI-met軟件識(shí)別的底圖，并基于此進(jìn)行研究區(qū)模型的構(gòu)建。在水平方向上，x軸代表研究對(duì)象綠色屋頂?shù)拈L(zhǎng)度，y軸代表綠色屋頂?shù)膶挾?；在垂直方向上，z軸代表模型中的垂直高度，三者均為選擇1 m的最高分辨率。所以在模擬實(shí)驗(yàn)中共設(shè)置70×40×30個(gè)網(wǎng)格單元，網(wǎng)格大小為1 m×1 m×6 m。為了減小模型邊界的影響，建筑四周邊界均設(shè)置20 m的空地，以保證模擬的精確度，表1列出了模型模擬的主要輸入?yún)?shù)及獲取途徑。

表1 ENVI-met軟件模擬初始條件設(shè)置Table 1 ENVI-met simulation parameters

本研究采用ENVI-met 軟件自帶的ALBERO 組件，根據(jù)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，不考慮植物栽植年限，通過(guò)定義冠層形狀、樹(shù)木高度、枝下高、葉面積密度等主要因素構(gòu)建植物模型，與實(shí)地調(diào)研的植被具有一定的可比性。草地采用ENVI-met 軟件自帶的植株高度為25 cm的簡(jiǎn)單模型；灌木球的植株高度為2 m，冠幅為1 m，葉面積指數(shù)為2.2；灌木叢的植株高度為1 m，冠幅為1 m，葉面積指數(shù)為2.5；喬木的植株高度為4 m，冠幅為3 m，葉面積指數(shù)為1.2。

1.5 熱環(huán)境特征模擬及ENVI-met 模型精度驗(yàn)證

選取2020年9月12日和9月30日監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C距離地面1.5 m 高度處空氣溫度的觀測(cè)值，與距離屋面1.0 m 高度處ENVI-met 軟件的溫度模擬值進(jìn)行對(duì)比與分析，并采用趨勢(shì)分析法對(duì)軟件模擬的數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)證。采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）和平均絕對(duì)誤差（mean absolute error，MAE）評(píng)價(jià)模型的精度［17］。目前公認(rèn)的RMSE 介于0.52～4.30℃、MAE 介于0.27～3.67℃是可以接受的［18］。

1.6 測(cè)度降溫增濕效應(yīng)的方法

基于ENVI-met 軟件模擬結(jié)果，從“面”的角度進(jìn)行測(cè)度，分別在屋頂表面1.0 m 高度處獲得相同時(shí)刻的綠色屋頂與裸屋頂?shù)拇髿鉁囟萒G、TB，以及相對(duì)濕度數(shù)據(jù)RG、RB，通過(guò)計(jì)算獲得模擬時(shí)間段內(nèi)逐小時(shí)降溫、增濕均值（即、），獲取不同屋頂類(lèi)型以及不同植被配置形式的綠色屋頂降溫、增濕效應(yīng)以表征一天內(nèi)降溫、增濕效應(yīng)的時(shí)間變化特征［19］。

1.7 人體熱舒適性評(píng)價(jià)體系

人體熱舒適性被定義為“對(duì)熱環(huán)境表示滿意的精神狀態(tài)”，是對(duì)周邊地區(qū)熱環(huán)境情況進(jìn)行的主觀滿意度評(píng)價(jià)［20］。人體熱舒適性評(píng)價(jià)體系中，熱感覺(jué)分區(qū)較為完整，適用的溫度范圍較廣的指標(biāo)有預(yù)測(cè)平均熱感覺(jué)（prediction of average thermal sensation index，PMV）、生理等效溫度（physiological equivalent temperature，PET）以及通用熱氣侯指數(shù)（universal thermal climate index，UTCI）等［21］。PMV、PET 和UTCI都充分考慮了熱生理因素在熱量交換中的作用，但UTCI 未充分考慮衣物熱阻的影響，存在20%的誤差；而PMV 適用于著裝輕便、活動(dòng)量較少的人群［22］。PET是基于慕尼黑人體熱量平衡模型基礎(chǔ)上計(jì)算出來(lái)的，能建立人體與環(huán)境間的對(duì)流輻射換熱關(guān)系［23］。PET不僅考慮了溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等物理因素的外界客觀條件，同時(shí)也考慮了皮膚溫度、發(fā)汗率、著裝、活動(dòng)強(qiáng)度等生理因素的內(nèi)在調(diào)節(jié)條件，以及人體在特定環(huán)境中的主觀感覺(jué)。所以本研究采用更為科學(xué)、合理的PET來(lái)進(jìn)行衡量，該指標(biāo)采用了9 級(jí)分度［24］，具體見(jiàn)表2。其中人體因素設(shè)置為男性、身高、體重與年齡分別為175 cm、70 kg、35歲，服裝熱阻系數(shù)為0.077 5 W·m-2·K-1，活動(dòng)方面新陳代謝率為80 W·m-2［25］，根據(jù)ENVI-met軟件中的BIO-met模塊計(jì)算得到PET值。

表2 生理等效溫度等級(jí)標(biāo)度Table 2 Physiological equivalent temperature grade

2 結(jié)果

2.1 熱環(huán)境特征模擬及模型精度

從圖1可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律均為空氣溫度先升后降，相對(duì)濕度先降后升，均在15:00 時(shí)空氣溫度達(dá)到當(dāng)日的最高值，相對(duì)濕度達(dá)到當(dāng)日的最低值。三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)大氣溫度實(shí)測(cè)值和模擬值的RMSE 介于0.756～1.233℃之間，MAE 值介于0.607～1.093℃之間，模型的準(zhǔn)確性較好。

圖1 溫度、濕度實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Figure 1 Comparison of observed and simulated data

2.2 不同綠色屋頂類(lèi)型屋頂表面降溫增濕效能

草坪式和花園式兩種不同類(lèi)型綠色屋頂?shù)慕禍匦?yīng)呈現(xiàn)白天弱夜間強(qiáng)，增濕效應(yīng)呈現(xiàn)出白天強(qiáng)夜間弱的總體分布特征，總體來(lái)看兩種綠色屋頂類(lèi)型呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)較為一致（圖2），只是在量值上有所差異。草坪式與花園式綠色屋頂當(dāng)日降溫幅度分別在0.002～0.068℃與0.001～0.141℃之間，增濕幅度分別在0.367%～1.952%與0.555%～2.305%之間；花園式綠色屋頂?shù)慕禍卦鰸裥?yīng)略強(qiáng)于草坪式綠色屋頂。由圖2可以看出，不同類(lèi)型綠色屋頂白天7:00—10:00 降溫效應(yīng)逐漸減弱，特別是10:00—14:00 時(shí)降溫效果可忽略不計(jì)，但在15:00 至次日7:00 降溫效應(yīng)逐漸增強(qiáng)且趨于穩(wěn)定，在任何情況下觀察到的表面溫差不超過(guò)0.150℃。不同類(lèi)型綠色屋頂在白天（6:00—18:00），特別是在6:00—9:00 時(shí)間段具有較強(qiáng)的增濕效應(yīng)，而在夜間（19:00—次日5:00）增濕效應(yīng)減弱。

圖2 不同形式綠色屋頂降溫（A）增濕（B）效應(yīng)逐時(shí)變化曲線Figure 2 Hourly variation curves of cooling (A) and humidifying (B)effects of different types of green roofs

2.3 不同綠色屋頂類(lèi)型的人體熱舒適性

利用ENVI-met軟件模擬得出一天24 h的人體熱舒適性指標(biāo)PET，如圖3所示。結(jié)果顯示，PET與空氣溫度呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。在19:00至次日6:00時(shí)，PET值處于18～23℃這一等級(jí)，即人體熱舒適性水平處于最佳狀態(tài)，此時(shí)空氣溫度處于26.462～28.436℃之間，相對(duì)濕度處于54.192%～66.608%之間；在11:00—16:00時(shí)，PET值大于41℃，生理應(yīng)激水平為極端熱應(yīng)激水平，此時(shí)空氣溫度處于28.557～30.349℃之間，相對(duì)濕度處于49.646%～57.636%之間，人體熱舒適性水平處于一天中最差的時(shí)段。而在6:00—11:00和16:00—19:00 時(shí)，PET 值處于23～41℃，人體熱舒適性處于一般水平。

圖3 不同形式綠色屋頂溫、濕度（A）和PET（B）逐時(shí)變化曲線Figure 3 Hourly variation curves of temperature,relative humidity (A) and PET (B) of different types of green roofs

2.4 屋頂花園不同植被布局形式降溫增濕效應(yīng)和人體熱舒適性評(píng)價(jià)

利用ENVI-met軟件模擬出一天中隨機(jī)式、圍合式和組團(tuán)式三種不同植被布局形式在8:00 和15:00 時(shí)的熱環(huán)境氣象參數(shù)，如表3所示?？傻玫綔囟扰c風(fēng)速呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。與圍合式布局相比，隨機(jī)式和組團(tuán)式布局在8:00時(shí)降溫幅度分別是0.031、0.013℃，在15:00 時(shí)降溫幅度分別是0.008、0.003℃。在植被配置比例相同，植被布局不同情境中，隨機(jī)式布局的降溫效果最佳，其次為組團(tuán)式布局，降溫效果最差的為圍合式布局。根據(jù)PET 等級(jí)劃分表來(lái)看，夏季在8:00 時(shí)人體的感知狀態(tài)為暖，呈現(xiàn)中等熱應(yīng)激反應(yīng)；而在15:00 時(shí)人體的感知狀態(tài)為很熱，呈現(xiàn)極端熱應(yīng)激反應(yīng)。但是相同時(shí)間點(diǎn)三種不同植被布局形式呈現(xiàn)出相同的熱應(yīng)激水平。

表3 不同植被布局形式的熱環(huán)境氣象參數(shù)Table 3 Meteorological parameters of thermal environment for different vegetation layout forms

3 討論

基于ENVI-met 軟件模擬的草坪式和花園式兩種不同類(lèi)型綠色屋頂在夏季具有良好的降溫增濕效應(yīng)，對(duì)人體熱舒適性水平有較好的提升作用，綠色空間的增加對(duì)改善城市熱環(huán)境和降低城市熱島效應(yīng)具有重大的作用。

在ENVI-met 軟件模型模擬驗(yàn)證時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度之間有0～2℃的誤差。是因?yàn)閷?shí)測(cè)數(shù)據(jù)受周?chē)h(huán)境影響較大，特別是實(shí)時(shí)風(fēng)速變化大以及云量遮擋太陽(yáng)輻射，且風(fēng)速儀測(cè)量的空氣溫度和相對(duì)濕度均為瞬時(shí)值，ENVI-met 模擬的數(shù)值是一定時(shí)間與空間內(nèi)的平均值［26］；ENVI-met 在模擬時(shí)對(duì)建筑材料熱值的穩(wěn)定性、環(huán)境熱輻射、周邊人為放熱等其他不可控因素的影響，都是造成誤差的原因［27］。

在探討綠色屋頂?shù)慕禍卦鰸裥?yīng)時(shí)，降溫效應(yīng)呈現(xiàn)白天弱夜間強(qiáng)的主要原因在于植被生理特征和環(huán)境要素［19］，植物氣孔在10:00—14:00 溫度較高時(shí)關(guān)閉以減少水分流失，蒸騰作用減弱伴隨降溫增濕效應(yīng)減弱，但仍進(jìn)行呼吸作用，葉表面變暖，產(chǎn)生一定的熱量。其次因?yàn)榫G色屋頂導(dǎo)熱率較小，白天凈輻射還難向下傳遞，轉(zhuǎn)化為感熱加熱大氣，使周?chē)鷾囟壬撸雇砦蓓敱韺友杆佥椛淅鋮s，深層溫度較高很難向表層傳輸，導(dǎo)致屋頂表面氣溫下降［27］。最后由于屋頂反照率的變化對(duì)降溫效果產(chǎn)生的影響，根據(jù)之前學(xué)者的研究，種植綠色植被后的屋頂反射率為0.15 左右，而水泥的反射率為0.2，白天可以造成0.21℃的升溫，而在夜間對(duì)氣溫的影響可忽略不計(jì)［27］。

而植物的遮陽(yáng)作用是引起屋頂表面溫度變化的另一個(gè)重要原因，隨機(jī)式布局中的喬木與灌木隨機(jī)分布，致使植物產(chǎn)生遮蔽陰影的面積占比較大且植物之間的通風(fēng)效果良好，使得屋頂表面溫度較低；相同植物類(lèi)型集中種植的組團(tuán)式布局會(huì)造成局部地區(qū)風(fēng)速較大的情況，但相較于圍合式布局來(lái)說(shuō)風(fēng)速較小，隨機(jī)式布局來(lái)說(shuō)遮陽(yáng)面積較小，使得屋頂表面降溫效果次之；圍合式的喬木與灌木高低錯(cuò)落分布，一定條件下引導(dǎo)風(fēng)向的流動(dòng)，使得風(fēng)速較大，造成局部低溫的現(xiàn)象，但灌木圍合喬木的種植形式一定范圍內(nèi)導(dǎo)致了通風(fēng)效果減弱，植物的陰影互相遮擋重疊使得降溫效果減弱，從而影響屋頂表面空氣溫度的分布。

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本研究只測(cè)得溫度、相對(duì)濕度與風(fēng)速等影響因素，通過(guò)ENVI-met 的Bio-met 模塊計(jì)算得到PET 指標(biāo)，忽略了相同條件下人體主觀熱感受。未來(lái)可采用調(diào)查問(wèn)卷的方式來(lái)探討人體熱舒適性水平，將對(duì)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)由客觀評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)橹骺陀^觀測(cè)結(jié)合評(píng)價(jià)。

盡管本研究對(duì)屋頂花園進(jìn)行了還原度較高的模擬，但仍存在需要解決的問(wèn)題。限于合肥市綠色屋頂使用的現(xiàn)狀，只對(duì)一座建筑物進(jìn)行研究，導(dǎo)致研究的代表性受限。在實(shí)測(cè)過(guò)程中受天氣和實(shí)驗(yàn)設(shè)備安全影響，未能進(jìn)行24 h 多天連續(xù)監(jiān)測(cè)作為模型的邊界條件。由于選取實(shí)地監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建筑物高度較高，很難找到類(lèi)似高度的裸屋頂作為對(duì)照組進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)。對(duì)綠色屋頂?shù)哪M研究尚停留在喬木、灌木、草地等不同植被類(lèi)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，未對(duì)植物的生理特征以及不同反射率下墊面的屬性進(jìn)行探討。在進(jìn)行人體熱舒適度評(píng)價(jià)時(shí)，沒(méi)有通過(guò)采用問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)不同群體的實(shí)際熱感覺(jué)與ENVI-met 軟件模擬的人體熱舒適性結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，忽略了不同群體實(shí)際熱感覺(jué)的差異性。因而在未來(lái)屋頂綠化微氣候模擬過(guò)程中，考慮選擇夏季晴朗無(wú)風(fēng)的條件下，對(duì)多個(gè)建筑物以及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組進(jìn)行24 h的多天連續(xù)監(jiān)測(cè)作為模型的邊界條件，進(jìn)一步修正模型的精確度，并通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷的方式增加不同群體的實(shí)際熱感覺(jué)，更好地對(duì)人體熱舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在后續(xù)研究中應(yīng)探討不同植物種類(lèi)的葉面積指數(shù)、冠幅、枝下高、植被生理特征以及不同下墊面的屬性對(duì)綠色屋頂降溫增濕效果的影響。通過(guò)不同植被配置方式，優(yōu)化綠色屋頂降溫增濕策略，為城市合理規(guī)劃綠地空間，形成更為緊密的綠色空間網(wǎng)絡(luò)，提高開(kāi)放空間的人體熱舒適性提高理論支撐。