冬季校园室外热环境的实测与模拟分析*

黄 宾 王燕飞 吕 良

(河南科技大学建筑学院,河南 洛阳 471032)

0 引言

近些年来，建设可持续发展的新型校园环境成为当今大学校园环境规划的共识。随着近年来我国大学校园建设高潮逐渐褪去、大量新建校园投入使用，一个以校园更新为主的新的发展阶段已经悄然而至；如何让有限的校园空间适应大学不断变化的发展需求、建立可持续发展的校园环境，已然成为当前我国校园规划建设者面临的重要挑战[1]。以往校区建设只注重建筑体块的优美整合，却忽略了建筑外轮廓的布局对校园热环境的影响；校区绿色植物种植的缺失和植物种植的不合理也在一定程度上降低了师生热舒适度，也就是所谓的人体舒适度。针对校区规划中出现不适宜师生户外活动的现象，以河南科技大学工科组团为研究区域进行气候环境影响因子的现场实测，使用计算机模拟软件 ENVI-met对区域微气候进行模拟分析并探究建筑布局形式对室外热环境的影响。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

河南科技大学开元校区位于河南省洛阳市洛南新区，总用地面积3 664亩，规划建筑面积114万 m2。工科教学组团位于整个开元校区东侧，是包括建筑、土木、材料及公共教学楼在内的校园组团(见图1)。建筑均为5层～6层内廊式布局，南北两侧均有较大面积开窗，顺应校园主道路成行列式规整排布，且有部分底部架空、顶部构筑物、室外廊架及直达2层的室外台阶。由于建成时间较短，室外绿化条件有限，致使夏季室外热环境舒适性不佳；但组团内部空气流通顺利因而受局部热岛影响不大，所以选取室外热舒适度较差的冬季作为研究时段。

1.2 研究方法与步骤

1)文献查阅：为了保证所研究和模拟的内容具有准确性和前沿性，查阅国内外关于城市微气候、室外热环境以及计算机模拟等领域的相关文献，以期达到丰富和充实实验过程的目的。

2)现场实测：测试校园环境中以行人高度为微气候环境的参数，达到对夏季校园室外热环境的特征有所把握，并对校园环境设计中两个主要设计因素——水体和绿化进行分析。此外，实测所得参数以用于计算机模拟和模型校验。

3)计算机模拟：使用室外热环境模拟软件ENVI-met对提取的现状区域建筑和景观设计进行模拟计算。

4)构建模型的校验：对模拟结果进行对比分析并提取主要气候参数值，与实测数据进行误差比对。模拟结果与实测数据在误差允许的范围内进行建筑和景观规划层面的评析与改良。

2 气候数据实测

2.1 实测内容

此次气候实测以定点测量为主，在教学楼周围附属绿地以行人的高度为标准进行空气温度、湿度、风速等气候参数的测量并设置仪器以便逐时记录测量。本次选择实测的时间为2016年12月31日，测试仪器放置在教学楼周围附属绿地进行实测。实测期间进行空气温度、相对湿度和近地面1.5 m处风速三项气候参数测量，并将所得数据进行整理和归纳，用于软件模拟的气候环境数据结果对比分析。

2.2 实测结果

将测量仪器读取的各项气候数据导出(见表1)，可以看到全天内最高温度出现在14：00，最低温度则在8：00；最高湿度出现在19：00，最低湿度出现在14：00；最大风速分布于9：00～14：00，最小风速出现在17：00～19：00。对比之下街区尺度城区热岛强度最高值一般出现在每天的14:00左右，模拟比较这一时间段内的气候数据对热舒适性分析更具有可比性[2]。因此采用模拟技术对组团10：00～16:00这一段时间内进行模拟计算，提取14:00时刻的气候数据结果进行分析。

表1 各项气候数据

3 模拟软件校验及结果

3.1 模拟软件 ENVI-met 特点

本研究采用ENVI-met进行室外环境微气候计算模拟。ENVI-met是一款基于计算流体力学(Computed Fluid Dynamic,CFD)和热力学基本定律及城市气象学等相关理论知识建立的模拟软件[3]。风力场模拟是基于完整的计算流体动力学三维模型，根据 Reynolds-averaged Navier-Stokes 方程式计算每个空间网格和每段时间步长的流体静力。模拟风场考虑植被的阻力作用，可计算每个建筑物立面和屋顶的风流大小；建立单墙模型可模拟出复杂的半开放式环境的风环境。软件由数十个动态子系统组成一个整体的大型互动系统，考虑大气动力、土壤物理、植被状态、建筑室内环境等影响因素，模拟出城市的微气候尺度的空气温度、相对湿度、风速、风向和平均辐射温度等气象参数，适合对城市微气候设计和城市环境设计的不同方案进行对比分析和评价[4]。

3.2 设置校验参数

在使用ENVI-met进行数值模拟计算前，需要输入宏观气象参数和模拟控制参数以及下垫面类型等参数信息(见表2)。

表2 ENVI-met参数设置

ENVI-met 的计算结果可分为ASCⅡ二进制代码及色块图两大类，详细的输出量如表3所示。通过设置在不同位置的监视器可以得到该点垂直方向上所有计算结果的二进制代码。将 ENVI-met 计算结果导入自带的可视化处理软件 LEONARDO，得到二位矢量图及指定参数的色块分布图(见表3)。

表3 ENVI-met计算结果输出量

3.3 模拟过程

根据实地测量及该住宅区的建筑平面图，在ENVI-met软件SPACES建模功能中建立实测区的现状模型(见图2)。在模型研究区域建立基础值设定中，平面x,y轴方向上模拟区域为500 m×500 m，水平网格数为100×100(分辨率为2 m)。由于实测区内建筑物最大高度为18.8 m，根据软件对三维模型的垂直高度要求为Z≥2·Z·Hmax(Hmax为模拟区内最高建筑高度)[5],因而竖直z轴方向上设置分辨率2 m的网格共25个，以符合数值模拟高度的要求。模拟参数设定依据为12月31日气象局公布的逐时气候数据，包括空气温度、相对湿度、风速风向和太阳辐射等，键入模拟软件初始模拟温度10.2 ℃，相对湿度71%，风速1.2 m/s,风向240°。模拟时间从8:00开始至当日19:00结束，共计算12 h时长。

3.4 模拟结果及分析

从模拟结果中我们可以看出，建筑东侧的空气温度低于西侧温度，探其原因是整个建筑组团西侧受东北风的影响程度高于东侧，且平面建筑的东向内庭院敞口处受冬季太阳直射时间短所致；同时从分析图上可以了解到此处风速较大，东北风向盛行冷风大面积聚集导致冷空气停滞在此处而降低了温度(见图3)。相对湿度便与空气温度呈负相关，西面处的相对空气湿度偏高(见图4)。对于西南角的建筑群，根据结果显示研究区域呈现较为明显的角隅风，并且风速值偏高形成温度降低的现象。实测区域的中心南北主干道受到吹入的冷空气而影响强烈致使气温变化明显(见图5)；东西向的道路由于其建设宽度较窄受到东北风的影响较弱，相对湿度稍微高于南北两侧建筑群。

4 结论及建议

对比现场实测的数据不免发现，建筑群东北区域植物种植面积小，高大的、具有阻挡冬季冷空气组团的树木不多，且建筑分布围合较为密集，组团内部区域空气流动不畅。故建议在以后的环境设计方面考虑冬季冷风风向，结合植物栽植以减少冬季东北风对建筑区域的侵袭，种植高大常绿乔木并辅以灌木来围合工科组团东北部；建筑群中间道路种植落叶乔木并减少灌木的栽植，来增加通风；南部则普遍栽培灌木和地被，落叶乔木散布其中用以提高冬季太阳直射时长。