绵阳城市高密度社区室外热环境改善策略的数值模拟分析

2020-07-15兰海峰西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳621010

绿色建筑 2020年1期

兰海峰，成斌（西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010）

随着城市化的进程对城市气候的负面影响越发显著，城市的热岛效应越发明显，导致城市室外空间质量不断恶化[1-3]。一方面，室外热舒适性受到城市形态的影响，可以通过天空视角因子（SVF）、高宽比以及建筑物高度和覆盖范围以量化。但是，城市形态对行人热感的影响本质上是复杂的。因为建筑物会提供遮阳和减少通风，导致对行人的热舒适性产生相反的影响，街道几何设计对热带和亚热带气候的户外热舒适性亦有重要影响[4-8]。另一方面，城市的下垫面类型也与城室外热舒适息息相关，矿物、混凝土和沥青等材料取代自然的透水性表面，从而导致大量的太阳辐射被储存起来，继而重新散发在城市空间中。同时，建筑高度的增加导致天空视角因子（SVF）的降低，更多的短波和长波辐射被困在街巷中，阻碍了城市降温，从而导致城市热岛效应越发严重，强烈影响人体的热舒适，同时增加了城市能源消耗[9-13]。

在国内外的数值模拟研究中，Emmanuel 等人将高宽比从 1 增加到 3 使得生理等效温度（PET）降低约 10 K。Lau 等人发现南北朝向的街巷平均辐射温度（Tmrt）远低于东西方向，因为东西朝向的街巷太阳辐射暴露时间更长。此外，城市地区的植被是提供行人热舒适的基本要素，因为其通过蒸发和阴影提供冷却效果[6,8,14-17]。

本文在分析总结不同的降温策略后，选取了位于四川盆地典型的山地城市绵阳的一处高密度社区为研究对象，采用ENVI-MET 三维微气候模拟软件，模拟在地面上采取反射率的降温材料、增加地面树木的数量和体积以及此两种策略融合的 3 种降温策略对改善城市的表面温度、空气温度和平均辐射温度的作用进行研究分析。旨在为空间和气候特征相似地区的城市热环境的改造项目提供有用的参考价值。

1 研究区域概况

四川省绵阳市地处中国东部季风区的四川盆地亚热带湿润季风气候区。冬半年受偏北气流控制，气候干冷少雨；夏半年受偏南气流控制，气候炎热、多雨、潮湿。由于市境内地势北高南低，高低悬殊大，地貌由山地向丘陵过渡，形成了较为独特的气候特点[17]。绵阳市气候四季分明，夏、秋雨水充沛，虽冬春时有干旱发生，但年平均空气相对湿度均在70% 以上，因而终年湿润。绵阳市一年中最冷的一月平均气温为 3.9～6.2 ℃，历年极端最低气温为－4.5～－7.3 ℃。一年中最热的七月平均气温为 24.2～27.2 ℃，历年极端最高气温在 36.1～38.9 ℃ 之间。在试验的这一年，较闷热阶段持续 3.9 月时长，从 5 月 25 日到 9 月 23 日，在此阶段至少有24% 的时间舒适度为闷热、压抑或难受。一年中最闷热的一天是 8 月 1 日，94% 的时间会出现闷热情况。

本研究选取了位于绵阳市中心附近的一处高密度社区。该地块面积 32 000 m2，人口、建筑密集，建筑密度高达40% 左右，是一个开放的商住混合社区。大部分建筑为 7～8 层楼高，开放空间仅限于建筑体量之间的街道和不规则形状的庭院。街巷的高宽比(H/D)变化范围为 1.0 ～ 1.6，部分较窄的街巷的(H/D)接近 2。屋顶多为水泥铺装，路面由沥青和混凝土铺装材料覆盖，只有一小部分被土壤和其他渗透性材料覆盖。植被由低矮的树木和灌木组成，只在主要街道的人行道上种植着数量有限的高大茂盛的树木。

2 研究方法和工具

本研究用到的 ENVI-MET 软件是基于流体动力学和热力学基本规律的三维微气候模拟软件，用于模拟城市环境中复杂的地表、植被、空气的相互作用。主要需要输入 2 个文件：① 模型文件，其中定义了建筑布局、植被、土壤类型、传感器和项目位置参数；② 配置文件，包含气象参数初始化值的模拟设置、输出文件名称的定义和时间。ENVIMET 微气候模拟软件在大量关于城市热岛和人体热应激缓解策略的科学研究中得到了广泛的应用[6,15-18]。

2.1 模拟场景

根据研究目的一共设置了 4 个模拟场景。案例 1：维持社区现状，采用常规的黑沥青和混凝土材料，叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)低；案例2：完全替换常规混凝土路面和沥青路面，使用相应的高反射率和发射率的灰色降温材料；案例3：增加主街道内高大茂密树木的数量及树冠的宽度，LAI 显著提高；案例4：既使用灰色降温材料也增加LAI 两种改善策略的结合。

其中，降温材料是指具有较高的太阳反射率和较高的红外发射率，被认为是解决城市热岛问题的一种方法。基于热物理特性，其吸收更少的太阳辐射，导致更低的储热和更小的表面温度。LAI 是指一定土地面积上植物叶面面积总和与土地面积之比，LAI 控制植被的各种生物和物理过程，如光合作用、呼吸作用、植被蒸腾、碳循环和降雨截留，是描述植被冠层结构的最基本的参量之一。表 1 详细说明了 4 种案例的模型参数设置，图 1 展示了 4 个案例的ENVI-MET 模型。

表 1 4 个案例的模型参数比较

图 1 4 个案例的 ENVI-MET 模型

2.2 ENVI-MET 模拟设置

时间设置为绵阳的夏季典型日 2018 年 8 月 1 日全天24 h。模拟所需要的气象参数设置如下：① 风速度在 10 m被设定到 0.8 m/s（根据到国家气象局数据）；② 空气温度和相对湿度每小时数据从附近的气象站获得；③ ENVI-MET模型顶部粗糙度和湿度使用默认值，建筑物的墙壁和屋顶反射率值分别设定为 0.40 和 0.30。所有模型初始化参数如表 2 所示。

表 2 输入 ENVI-MET 模拟初始化参数

3 模拟结果与分析

为更为直观地观察各种降温策略发挥的作用，均采取了太阳辐射强时间段—中午 12 点的模拟结果进行对比分析。其表面温度模拟结果比较如图 2 所示，空气温度模拟结果比较如图 3 所示。

图 2 表面温度模拟结果比较

图 3 空气温度模拟结果比较

图 2 中，案例 1 显示了现状情况模拟结果的表面温度分布，案例 2～4 表示了其模拟结果与案例 1 的表面温度差值。图 3 中，案例 1 表示将温度截面设置为 1.2 m 处，人体能对环境温度感知的高度的空气温度模拟分布结果。案例2～4 表示了其模拟结果与案例 1 的空气温度差值。

3.1 降温材料对表面温度和空气温度的影响

对比分析案例 2 与案例 1 在外北街处于阴影中的地面呈现出较小的表面温度变化，幅度为 0.3～2.0 K。直接暴露于地面沥青和水泥路面的表面温度的材料下降幅度达到6.0～8.5 K 和 8.0～10.5 K。万和街的地面完全暴露在太阳辐射下，表面温度的降低明显在沥青和混凝土路面上分别下降了 8 K 和 9 K。在较为宽阔的西北—东南向的红星街，因为街巷的H/D的较小原因，表面温度减低幅度最低，为4.0～5.5 K。空间温度的模拟结果显示，当分别为增加沥青和路面反射率 0.28 和 0.40，分别在外北街和红星街的空气温度下降 0.3～0.5 K 和 0.4～0.6 K。在太阳可直射的地方变化幅度最大，接近 0.65 K，而在建筑或树冠的阴影部分变化幅度最低为 0.25～0.35 K。

3.2 增加植被对表面温度和空气温度的影响

对比案例 1，案例 3 在外北街两侧创造一个连续遮荫的树冠街道。在红星街和万和街用更高、更密集的树木取代了现有的树木。如图 2、图 3 所示，无论对表面温度还是空气温度，新增的树木遮荫阴区是温度下降的主要位置，表面温度下降幅度达到了 7～16 K，空气温度减低了0.03～0.25 K。但在无植被变化的地方，表面、空气温度变化几乎为零。表面温度变化的最大值地区为外北街以前无绿化覆盖的部分，当树木的遮阴覆盖了 75% 的街道宽度时，表面温度下降幅度达到 16 K。空气温度变化最大的地方是万和街的东侧，空气温度下降了 0.25 K。植被对表面、空气温度的降低影响主要在街巷范围内，也就是仅限于 LAI 显著提高的地区，就影响范围而言空气温度大于表面温度。

3.3 综合方法对表面温度和空气温度的影响

通过对 4 个案例的横向对比可知，使用将降温材料与增添植被的方式相结合的策略比单独使用降温材料导致的表面温度和空气温度的变化更为显著，变化范围也更广。沥青路面和混凝土路面的表面温度与基本情况(案例 1)相比要低得多，最大降幅位于太阳能直射的区域，达 17 K；而非太阳直射区（阴影区）的变化不明显，降幅为 1～2.5 K。在外北街、红星街空气温度的降低接近 0.5～0.6 K。但是空气温度变化最大是万和街，下降了最大幅度为 0.8 K。在研究区的其他大多数地区，因为建筑体积引起的遮阴空间不同，气温下降也在 0.4～0.5 K 之间变化。

3.4 不同策略对平均辐射温度、空气温度的影响

平均辐射温度(Tmrt)是指太阳辐照和不同表面温度环境对某一特定点的短波和长波辐射通量。其被认为对许多用于计算人体热舒适的热生理指标的十分重要的，比如生理等效温度、标准有效温度和通用热气候指数等。图 4 展示了高度为 1.2 m 处的不同测点位置：P 1 为暴露的混凝土路面(案例3 树冠遮蔽)，P 2 为树阴遮蔽的混凝土路面，P 3 为街道中暴露沥青路面，P 4 为人行道边界处暴露沥青路面(案例 3 树冠遮蔽)。表 3 总结了 4 个案例模拟结果的平均辐射温度和空气温度。

图 4 测点位置图

表 3 4 个案例模拟结果的平均辐射温度和空气温度

从表 3 可知，相比对那些现状受树冠遮蔽的位置（即 P 2），暴露于太阳直射的地方平均辐射明显更高（即 P 1、P 3、P 4）最大的温差达到了 17.00 K（P 4－P 2）。当案例 2增加混凝土和沥青路面的反射率时，P 1、P 3 和 P 4 的平均辐射温度平均上升接近 4.5 K，P 2 的上升较低，为 2.2 K。但是测试点的空气气温均有所下降，幅度为 0.31 ～0.46 K。当案例 3 采取增加植被的方式后，P 1 和 P 4 点位于在树冠遮蔽的平均辐射温度下降显著减少 20.5 K 和 16.6 K，而 P 2平均辐射温度的改变不明显。这是因为其原本就处于树冠遮蔽的位置。P 3 无变化，仍处于无树荫下的沥青路面上，所以平均辐射温度几乎没变，就空气温度而言变化幅度不大，下降了 0.12～0.18 K。案例 4 中的平均辐射温度变化与案例2 相似，变化幅度高于案例 2，但低于案例 3，空气温度变化均高于案例 2 和 3，为 0.40～0.56 K。

4 结果与讨论

建立缓解策略、减轻城市化进程对城市小气候的负面影响的研究结果已颇多。在此背景下，本文研究了 3 种对城市热环境缓解策略：① 在地面上应用具有高太阳反射率和高发射率的冷材料；② 在街巷空间内增加绿地和树木；③ 上述方法的结合。

使用微气候模拟软件 ENVI-MET，在典型夏季日，对当前条件和措施干预后的城市热环境的模拟结果进行对比分析。结果表明，高反射率的降温材料将更多的太阳辐射波反射回空中，相对于传统材料而言吸收了较少的热量，因而具有显著的表面温度降低效果。在空气对流换热的作用下，表面温度的降低导致空气温度的降低。但这一策略的缺点为会增加环境中的辐射交换，造成环境中的平均辐射温度提高，从而影响了人体的热平衡，存在潜在降低行人的热舒适度的可能性。

城市绿化，包括更多的树木和公园区域，作为一种解决城市空气温度升高和缓解行人热不适的方法，已被广泛应用。由于有了树冠的遮蔽，大量的辐射波被树冠反射或吸收，地面受到的太阳辐射极大减少，树荫区的地表温度和平均辐射温度降低作用明显。模拟结果显示，最大能降低33% 的地面 1.2 m 处的平均辐射温度。与此同时，植物也可以通过蒸腾作用吸收环境中的热量，通过与低温地面的空气对流换热以达到降低空气温度的作用。但是此方法的缺点在于对温度影响的空间范围比较有限。

与单独施加其中一种策略相比，在街道空间中内结合使用高反射率、高发射率的降温的材料和种植密集的植被，导致了更显著的表面温度和的空气温度降低，并且弥补了二者各自存在的不足。此方法是一种更有效的方法来改善城市微气候，且不影响行人的热舒适度。可见，这是改善城市街区热能平衡的解决方案，适合在更大规模的城市地区推广。