湿热地区景观要素配置对园林热环境的影响研究

薛思寒 肖毅强 王 琨

城市园林作为城市基础设施的重要组成部分，既能展示城市风貌，提升城市品质，又有助于改善城市环境，减缓城市热岛效应。21世纪初，韩国首尔清溪川改造后，气象观测数据表明河道恢复对减轻城市热岛作用显著[1]；2010年Bowler等人研究指出城市公园的气温可以比未绿化地区低10℃左右[2]。此外，众多研究表明，植被、水体等景观要素能够调节城市微气候[3-9]，景观要素的不同组合方式和配置比例影响园林热环境的均匀状况[10-11]。可见，合理的景观要素配置能够有效地发挥城市园林的微气候效应。

岭南园林作为中国园林的三大流派之一，巧妙地将居住功能与自然空间融为一体，在地势、气候、文化等多种因素的共同作用下，形成了独有的地域特色，精明地应对了岭南的湿热气候，创造了良好的居住环境。本文重点对具有气候适应性的传统岭南园林进行定量研究，借助城市热环境模拟软件，对比不同景观要素配置下园林室外热环境时空分布特征，分析景观要素与园林热环境的关联作用，从岭南传统园林中提炼景观要素配置方法，更好地指导当代园林设计，改善园林微气候环境，提高园林空间使用率，同时缓解城市热岛。

1 研究方法

1.1 研究对象

选取岭南传统园林代表——东莞可园作为研究对象。该园建于清代，位于广东省东莞市，占地约3.3亩(约2200m2)，布局高低错落，曲折回环，虚实有度[12]。在有限的空间内再现了大自然的景色，达到小中见大的效果。该园是典型的以居住功能为主的园林，由建筑围合出的2个“庭”(图1)，2个庭面积相似，错列排布。选取其中同时包含乔木和水体的西庭展开主要研究。

1.2 模拟软件

Envi-met是德国开发的一款适用于城市中小尺度的微环境模拟软件。该软件基于热力学和流体力学原理，能动态模拟建筑外表面、植被和空气之间的互相作用，使室外热环境分析可视化[13]。该软件已在国内外城市设计、村落、住区、校园等相关领域中广泛应用。在岭南园林方面，笔者已对该软件精确性进行详细校验[10-11]，证实其对园林热环境空间分布特征分析具有现实意义。

1.3 模拟工况

岭南地区属于湿热气候，选择最能反映气候特点的夏季典型日(7月11日)进行模拟。对现存传统岭南园林进行数据统计，确定景观要素的水平，并对模拟工况进行编号。用乔木树冠在阳光直射下在地面的总投影面积与庭单元面积的比来反应乔木遮蔽地面的程度，确定3种乔木覆盖率水平分别为0.15、0.43、0.78，作为工况A1、A2、A3；选取2种常见的绿化栽植方式：丛栽、行栽，作为工况B1、B2；用水面积占园林面积的百分比表示水面积的大小，确定3种水体面积水平：10%、30%、60%，作为工况C1、C2、C3。在东庭保持现状的情况下，按照上述8种工况改变西庭景观要素配置进行热环境模拟。

1.4 评价指标

生理等效温度(physiological Equivalent Temperature，PET)是考虑了空气温度(Ta)、相对湿度(RH)、风速(Va)、平均辐射温度(MRT)等气象参数，同时关注人的活动产热、新陈代谢率、服装热阻等个体参数形成的综合指标。它是现今不同气候下较为常用的评价指标之一，已成为被德国工程协会(Verein Deutscher Ingenieure，VDI)认可的对不同气候的热舒适评价指标。

图1 可园平面示意图

图2 不同乔木覆盖率下园林室外MRT比较

2 模拟结果与讨论

研究表明，夏季户外活动的人数与热环境舒适度相关，其中与MRT和Ta的相关性最高[14]。故下文重点分析MRT和Ta与景观要素之间的关系，并进一步讨论景观要素配置对PET的影响。

图3 不同绿化栽植方式下园林室外MRT比较

图4 不同水体面积园林室外MRT比较

2.1 MRT与景观要素的关系

对比乔木覆盖率不同的3种工况下MRT的分布情况(图2)，由于乔木对太阳辐射遮挡作用明显，西庭空间范围内MRT的平均值总体呈现MRT(A1)〉 MRT(A2)〉MRT(A3)。8：00时三者MRT差异不大，局部差异基本保持在3℃以内；随太阳高度角增大，太阳辐射增强，乔木的遮阳作用明显增强，3种工况下西庭MRT差距亦随之增大，14：00时，工况A1与A3室外各点间MRT最大差值超过18℃。

在乔木覆盖率相同的情况下，改变乔木栽植方式，对比B1和B2这2种工况下室外MRT的时空分布(图3)。8：00时，东西庭交界处MRT差异最大，B2工况的MRT较低；14：00时，东西庭交界处MRT差异依旧明显，但此时B1工况的MRT较低。二者在两庭交界处的乔木栽植上区别在于，B1工况为大小乔木配合丛栽，而B2工况为小乔木行栽。由于早上太阳高度角低，高度相对较低，小乔木对近地面太阳直射遮挡作用反而明显；中午时段太阳高度角在70～90°，近似垂直照射，冠幅较大的大乔木能形成更大的树荫面积，对太阳直射辐射形成有效遮挡。可见，大小乔木能在不同时段发挥自身遮阳作用，二者配合栽植，更有利于全天候有效遮阳。

对比不同水面积比例的3种工况下MRT的分布情况。由图4可知，8：00时3种工况下MRT基本无差别；随太阳高度角增大，太阳辐射增强，14：00时工况C1、C2西庭MRT平均值基本一致，工况C3稍低，差值约3℃，个别点差值超过18℃。这是由于水体比热容大，吸热时升温较慢，相比硬质铺地，白天水体表面温度低，释放辐射量少，故水体上方近地平均辐射温度较硬质铺地低，水体面积增加导致周边平均辐射温度有一定量的降低，随着太阳辐射量的增加，这种差异更为明显。此外，对比发现同样增加水体面积时，树下空间比非树下空间局部平均辐射温度降幅更为显著。可见，水体与植被配合使用可以更有效地改善室外热环境。

2.2 Ta与景观要素的关系

由模拟结果可知，不同工况下园林室外各点空气温度在早晚差异较小，而在中午时段差异明显，故着重分析14：00时园林室外空气温度分布状况。

对比乔木覆盖率不同的3种工况(图5)，由于乔木有效地阻挡了太阳辐射，西庭乔木覆盖率越大，该区域内14：00时近地面空气温度越低。同时，西庭的乔木覆盖率变化导致东庭近地面空气温度产生差异。由图5可知，A2工况东庭14：00时空气温度低于A1、A3两种工况。这是由于西庭乔木覆盖率增大，该区域气温降低，导致东西两庭温差增大，加速园中空气流动，促进散热，故A2工况东庭气温低于A1工况；同时，园中风速增加，也会使来流风向东南向流入的热空气量增加，而乔木覆盖率过大会对局部散热有一定的阻碍作用，当热空气流入量大于散热量时，出现东庭局部气温偏高现象，故A3工况下东庭气温也高于A2工况。可见，乔木覆盖率并不是越大越好，适当的乔木覆盖率更有利于热环境的改善。

在乔木覆盖率相同的情况下，乔木的栽植方式亦对室外空气温度有一定影响，且随着太阳辐射变强，影响逐渐显著。由图6可知，14：00时乔木行栽的B2工况中东庭温度高于乔木丛栽的B1工况，这是由于大小乔木相结合的丛栽方式，往往使大乔木在园中接近均布状态，相比大乔木集中布置的情况能更好地发挥大乔木的遮蔽作用，有利于室外热环境均匀分布。

图5 不同绿化覆盖率下园林室外Ta比较

图6 不同绿化栽植方式下园林室外Ta比较

图7 不同水体面积园林室外Ta比较

对比14：00时C1、C2、C3三种工况下近地面空气温度的分布情况(图7)。其中，西庭水面越大，气温越低。这是由于水体的比热容大, 能减缓其周边的增温速度，加之水体蒸发带走部分热量，白天对近地面空气起到降温作用，故3种工况下西庭空气温度排序为Ta(C3)〈Ta(C2)〈Ta(C1)。而东庭近地面空气温度C2工况低于其他2种工况，这是由于西庭水面积增大导致东西两庭温差增大，空气流动加快，使来流风向流入东庭的热空气量增多，同时由于水面积增大，水面上方的湿度增加，使水面蒸发速度变慢，对园中空气散热有一定程度的影响，当东庭散热没有吸热快时，出现局部温度升高现象。可见，园林中的水体面积并非越大越好，适当的水面大小才能更好地改善周边热环境。

2.3 景观要素配置对热环境的影响

在前文对气象参数单独分析的基础上，进一步讨论不同景观要素配置与热环境综合指标PET的影响。通过对比不同工况可园西庭PET逐时平均值描述园内整体热环境状况。由图8可知，不同的乔木覆盖率对PET平均值影响最显著，8：00起差异逐渐明显，正午时段差异最大，17：00后差异逐渐缩小；不同水面积比例对PET平均值影响次之，与乔木覆盖率影响趋势基本相似；乔木栽植方式对平均PET影响微弱，如前文所述，由于大小乔木在不同时段发挥作用，故上午时段行栽工况下PET平均值稍低，正午时段丛栽工况下PET平均值稍低。综合来看，乔木覆盖率对热环境影响最大，水体面积比例次之，乔木栽植方式影响最小。

已有研究证实夏季岭南园林室外PET超过42.6℃时，人体热感觉为热[15]。在对比了PET逐时平均值的基础上，统计不同工况下热感觉等级低于“热”，即PET低于42.6℃的比例，进一步分析景观要素对室外活动范围内热环境的改善作用。由图9可知，总体上景观要素的水平变化对夏季白天室外热环境确实能起到调节作用，但在炎热的中午时段单独调节3种景观要素很难使热环境有明显改善，需要进一步研究设计要素的配合作用。其他室外活动频繁发生的时段，景观要素的调节作用相对明显。不同乔木覆盖率的3种工况下，8：00—10：00西庭活动范围A3工况热环境最优、A2次之、A1最差，随时间推移，A2和A3工况热环境差异减小，11：00起两者基本无差别；12：00—15：00植被覆盖率变化对热环境改善作用微弱；16：00以后A2工况热环境略优于A1、A3。不同乔木栽植方式工况下，9：00前，B2工况热环境优于B1；随着太阳高度角增大，大乔木遮阳作用逐渐突显，10：00起，B1工况热环境开始优于B2；随着太阳高度角减小，小乔木作用开始明显，17：00后B1工况热环境优势逐渐消失。不同水面积比例的3种工况下，10：00前，西庭活动范围内C2工况热环境最佳；随着气温升高，水体蒸发散热作用加剧，10：00后，水面积最大的C3工况热环境最优、C2次之、C1最差；同时，气温越高三者差别越小。

图8 不同工况下西庭PET逐时平均值比较

图9 不同工况下西庭活动范围内PET〈42.6℃所占比例逐时比较

3 结论

通过对不同景观要素配置下园林夏季热环境的模拟分析，证实景观要素对园林热环境有不同程度的调节作用。由于植被覆盖状况直接影响近地面获得太阳辐射量的多少，故增大乔木覆盖率对园林热环境的改善作用最为显著，而改变乔木栽植方式主要使局部小气候发生改变，对整体热环境作用微弱。水体面积增加能明显改善水体上方热环境状况，但对其四周热环境的改善效果有限，增大水面积必然导致园林活动区域面积减小，因此水面积的增加一定要适量。另外，水体与植被配合能够更有效地改善园林热环境。总体来说，景观要素合理配置能明显降低室外平均PET值，使室外热环境更接近舒适。但单一景观要素的改变无法使室外活动区域正午时段热感觉等级降低至不热状态，需要进一步研究景观要素之间的配合，以期使园林热环境得到更好的改善。

注：文中图片均由作者绘制。