居住小区水体对微气候的作用分析

岳志安，邹惠芬，马云龙

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

联合国世界城市化发展报告指出，全球范围内有50%以上的人口居住在城市地区[1]，城市地区的微气候对人们的生活和工作都有一定影响；每个城市都有独特的微气候，微气候的形成受到地理位置，建筑布局和建筑风环境的影响；伴随着植物的蒸腾作用、水体等地表覆盖物的蒸发及凝结等，周围环境温度、湿度和风速都会随之发生变化[2]；但随着城市化进程不断加快，商业区面积不断扩大的同时，原本的自然下垫面占有率逐渐减少，导致城市热岛效应加剧，给长期暴露于室外的人员带来了身体负担，同时气温的升高促使越来越多的空调设备投入使用，不仅增加了能耗，无形中又加剧了城市的热岛效应。另外，长期处于室内工作，造成两大不利：病态建筑综合症疾病增多，亚健康人群比例越来越多，室外的绿植、水体环境成了人们理想的活动空间。

国外众多学者对城市热环境中不同的下垫面类型对微气候的影响展开了大量研究，而在这方面我国起步较晚，在设计居住小区的绿化和景观方面，对气候因素的考虑还不够全面，居住小区内良好的微气候条件可以创造舒适的热湿环境，为人们的户外活动提供便利，本文选取下垫面中的水体作为主要研究对象进行分析。

1 居住小区内水体与周围空气的热湿作用机理

下垫面对城市气候的形成有重要影响，包括土壤，绿植和水体，三者对周围环境产生效应的机理和强度各有不同，绿植与周围空气的热质交换主要通过蒸腾作用，光合作用和呼吸作用来进行，土壤主要通过水分的蒸发来进行，水体与周围空气的热湿交换较前两种复杂一些，下面就水体与周围环境的热湿交换展开论述。

空气与水的热湿交换发生在空气与水体表面接触或空气与水滴接触的过程中，包括显热交换和潜热交换，而潜热交换是在湿交换的过程中发生的。由于水分子的不规则运动，在水体表面附近或者水滴的周围会形成一个边界层，在边界层与水体之间存在着水分子的运动，边界层如图1所示。

图1 周围空气与水的热湿交换

该边界层的温度与水表面的温度相同，如果边界层温度低于周围空气温度，热量由水体边界层进入到周围空气，若边界层温度高于周围环境温度，则热量由周围空气进入到水体界层；当空气与水表面接触时，显热交换量由下式计算：

式中：dR:空气与水在微元表面上的换热量(W)；

μ：显热交换系数【W(m2·℃)】；

t:周围空气温度（℃）；

tb:边界层的空气温度（℃）。

周围环境空气与水体表面或水滴表面边界层的湿量交换由水体表面或水滴表面边界层水蒸气分压力(水蒸气分子浓度)与周围环境空气中水蒸气分压力的相对大小决定，当水表面边界层水蒸气分压力大于周围环境空气的水蒸气分压力时，水蒸气分子的运动特征表现为：由边界层进入周围空气的水蒸气分子数大于周围环境空气进入水表面边界层的水蒸气分子数[3]，最终结果是周围环境空气中的水蒸气分子数增加，反之则减少；当空气与水在一个微小的表面接触时，湿交换量由下式计算：

式中: dB: 空气与水在微元表面上的湿交换量(kg/s)；

α :空气与水表面的湿交换系数【kg/(N·s)】；

pq: 周围空气的水蒸气分压力（Pa）；

pq，b: 边界层的水蒸气分压力（Pa）。

2 水体对微气候的影响

由上述分析可知，在夏季，白天的水体和周围空气在太阳辐射的作用下均会有温升，但此时水体温度往往低于周围环境的温度，即水表面边界层的温度低于周围空气的温度，在边界层与水之间产生温度梯度，热量由空气进入水中，周围空气温度下降，达到降温的效果；而在傍晚，空气和水体接收的太阳辐射的热量大大减少，由于水的比热容大于空气，其降温速率远低于空气，当空气的温度降至水面温度以下时，热量就会从水进入空气，表现为对周围空气起到保温作用[4]。水面和周围空气的湿量交换不仅和水蒸气的分压力有关还与水面上方的风速有关，综合各项因素得出的水面蒸发量的经验模型为式(3)，该模型适用于我国东北，华北和华南地区[5]。

式中：E:水面蒸发量（mm/d）；

β150:水面上方1.5m处的风速（m/s）；

e0:饱和水蒸气分压力（hpa）；

e150:水面上方1.5m处的水蒸气分压力（hpa）。

空气中的水蒸气是否达到饱和可以通过测量其干、湿球温度来判断，同一焓值状态下的空气，若干球温度大于湿球温度，则为不饱和空气，二者差值越小说明空气越接近饱和，若干湿球温度相等则达到饱和状态，此时对应的温度为饱和空气温度，而此时对应的水蒸气分压力为饱和水蒸气分压力。

小区内良好的微气候环境不仅要满足景观的需求，还要结合人体对环境的热湿反应来评判，通常利用热舒适的概念来评价微气候的质量；无论是室内还是室外，最常用的方法是通过研究人体与外界的热平衡来获得人体热舒适情况。热舒适既要考虑生理需求也要考虑心理需求，即人体不需要采取主动措施增加或减少散热，也不需要改变原来的知觉习惯就能达到舒适 (Thermal neutrality)。与室外不同的是，室内的热湿环境都是可控的，而室外的温度、风速、太阳辐射等环境参数的变化很不规律，所以营造良好的室外热舒适环境还需要考虑水体与其它绿植的组合，不同的水体绿植组团对环境的微气候影响各不相同，一种既满足经济性，又满足热舒适和美观的绿植水体组团对将来的景观设计提出了更高的要求。

3 结语

本文重点分析了小区内水体对周围空气的作用机理和作用效果，从传热和传湿两个角度进行阐述，提出了将来居住小区微气候的研究方向；总之，小区微气候是将来居住小区景观绿化设计的过程中应该考虑的一个方面，因为人们大多数休闲活动都是在这里进行，对舒适的室外环境的诉求只增不减，良好的室外环境可以增加人们的体验感和舒适感，进而提高工作效率。另外，水体在居住小区内所处的位置和水体表面面积也是景观设计中需要进一步探讨的。