基于ENVI－met 的杭州夏季住宅热环境研究∗

杨诗敏 郭晓晖 包志毅 晏 海

浙江农林大学风景园林与建筑学院 杭州 311300

城市住宅热环境与人们的生活息息相关[1－2]。ENVI－met 软件是由德国Bruse 教授等人通过研究建筑外表面、 植被和空气之间的热应力关系开发的用于城市微气候的模拟软件[3]， 它采用三维非静力流体学模型进行模拟， 能够较好地模拟景观绿化、 室外热环境与建筑物之间的关系， 已被广泛应用于研究风景园林微气候[4－8]。 本研究围绕两个目标展开: 1) 使用ENVI－met 对实测数据进行验证分析； 2) 研究杭州市典型住宅的夏季热环境情况， 以探讨住宅区的分布格局对其内部微气候的影响。

1 研究对象与方法

1.1 研究区域概况

临安区(30°23′N， 119°72′E) 位于浙江省杭州市西面， 属中亚热带气候， 四季分明， 年平均温度约16.2 ℃， 年平均降雨量1 463.6 mm(1981—2010 年)。 测试地点筑境花园位于临安区北部， 建成年份2005 年， 占地面积14.6 hm2， 容积率2.4%， 绿化率36%， 建筑组成有多层(12 ～15 层) 与低层(3～4 层) 两种类型。 本研究以临安筑境花园小区为例， 采用定点测量方式， 选择不同建筑空间形式布置测点， 确定相关测点14处。 测点环境下垫面均为硬质铺装； 建筑3 面围合的包括测点4、 8、 9、 11、 14， 其余均为建筑两面围合； 除测点1、 3、 10、 11 外， 其余测点均有绿化覆盖； 测点环境基本为半遮荫条件， 其中测点1、 3、 10、 11 无绿化遮荫， 测点14 全遮荫。

1.2 试验方法

试验于2018 年夏季， 选择晴朗无风的典型气象日进行， 日最高温度35 ℃以上， 试验时间段分别为8 ∶00—8 ∶30、 14 ∶00—14 ∶30、 21 ∶00—21 ∶30， 试验记录的热环境参数为空气温度、 空气湿度与风速， 为保证测量结果的典型性， 通过实测3 天获得的算术平均值作为每个时间段的最终试验结果[9]。 考虑人在居住环境中的户外活动情况， 试验测点均置于地面1.5 m 处， 试验测量仪器均为手持仪器， 人工记录数据。 实测后， 运用城市微气候环境模拟软件ENVI－met 对实测数据进行模拟验证， 并且运用Excel 与SPSS 进行数据处理与分析， 运用Origin2017 进行图表绘制。

1.3 模拟参数设置

通过实测场地内环境参数， 得到ENVI－met软件建模所需的建筑高度、 植被分布、 下垫面情况等信息并导入其中。 实测研究区域的面积为730 m×400 m， 最高建筑物高度为25 m。 在ENVImet 软件模型共设置360×200×20 个网格， 格点大小为5 m×5 m×5 m， 设置嵌套网格数为7， 以降低周围环境对其影响； 设置 1 个接受点(receptor)。 模拟日期为2018 年6 月26 日， 时间步长(model timing) 为12 h， 从7 ∶00—19 ∶00，模拟气象数据采用当日实测气象: 风速为2.3 m/s， 风向为200°， 初始温度为29.5 ℃， 相对湿度为78%。 BioMet 参数参考软件默认国际通用的标准参数。

1.4 模型模拟结果评价

运用ENVI－met 软件对该小区模型进行模拟，得到的结果采用国内外常用的误差平方根(Root Mean Square Error， RMSE) 与平均绝对百分比误差(Mean Absolute Percentage， MAPE) 对模拟准确性进行评价， 方程如下:

式(1) (2) 中，为模拟值；yi为实测值；n为实测次数。

1.5 热舒适性评价体系

为了评价住宅热环境， 引入热舒适性评价体系中常用的指标为预测环境平均温度。 预测环境平均温度(PMV) 是丹麦的范格尔(Fanger) 教授提出的表征人体热反应(冷热感) 的评价指标， 代表了同一环境中大多数人的冷热感觉[10－11]。 根据GB50736—2012 《采暖通风与空气调节设计规范》 规定， 对我国大多数地区的室内条件推荐值为－1≤PMV≤1[12]。 通过文献检索，发现近年来针对中国及亚洲地区的研究未涉及室外热环境PMV 等级明确的划分， 只涉及高低的相对比较[5，13]。 ENVI－met 软件提供舒适度参数PMV 的计算， 通过综合空气温度、 平均辐射温度MRT 等客观环境因子， 充分结合人体代谢与穿衣热阻综合衡量微气候环境。 因此， 用该软件计算得出的相关参数可以代表热舒适情况。

2 结果与分析

2.1 实测结果与分析

实测得到的温度、 相对湿度和风速的统计结果见图1。 由图1 可知， 在3 个实测时段， 14 个测点在下午14 ∶00 时的温度变化幅度大于8 ∶00时与21 ∶00 时， 其中测点3、 10 由于无有效遮荫， 温度高于平均值， 而测点14 由于建筑与绿化遮荫在全天内的作用， 在下午14 时与晚上21 时的温度为测量范围内的最低值； 在14 个测点范围内， 8 ∶00 时的相对湿度变化幅度最大， 下午与晚上的相对湿度变化幅度较小， 其中测点5、 6、7 由于在场地西侧林荫道范围内， 上午8 时的相对湿度高出平均值3%左右； 3 个实测时段内， 风速的波动幅度较为一致， 下午14 时的风速较高于其他两个时间段， 建筑间的街道出风口(测点1、9、 11) 风速高于平均值较为明显。 这些观测结果显示了微气候因子对环境影响的明显差异， 同时展示了实际情况下杭州夏季住宅区的热环境状况。

图1 实测温度(a)、 相对湿度(b)、 风速(c) 统计结果

2.2 模型模拟结果评价

运用ENVI－met 软件对该小区模型进行模拟，用国内外常用的误差平方根(RMSE) 与平均绝对百分比误差(MAPE) 对模拟准确性进行评价(图2)。 结果表明， 在7 ∶00—19 ∶00， 温度的误差平方根为0.608 ℃， 平均绝对百分比误差为2.33%； 湿度的误差平方根为1.183%， 平均绝对百分比误差为2.67%； 风速的误差平方根为0.153 m/s， 平均绝对百分比误差为12.88%。 表明实测值与模拟值之间偏差较小， 误差均在可允许范围内[4]。

图2 实测温度(a)、 相对湿度(b)、 风速(c) 与模拟值对比结果

2.3 ENVI－met 模拟结果与分析

2.3.1 温度模拟结果分析

在8 ∶00 时(图3a)， 研究区域内温度范围在28.51 ℃～29.41 ℃， 位于场地中央分隔东西区块的沥青道路路面温度最高。 最高气温出现在测点10， 测点14 在场地东侧绿化密集处， 由于其内栽植树木的遮荫作用， 温度比路面温度低， 而建筑本身升温慢， 温度较低。

在14 ∶00 时(图3b)， 位于场地中央分隔东西区块的沥青道路路面温度最高； 温度较高的是场地四周， 这是因为场地内部建筑与植物能够起到遮荫作用， 降低整体气温达2.3℃， 这与劳钊明等的研究结果一致[13－14]。 最高气温出现在场地中部的测点10。 测点6 与9 的环境较为相似， 周围都有绿化覆盖， 但测点9 的温度高于测点6，可见温度的分布不能简单地依靠绿化率判断。

在21 ∶00 时(图3c)， 研究区域内温度范围在31.75 ℃～32.22 ℃， 位于建筑围合的空间内部温度较高， 如测点2、 7、 9、 11， 这是因为夜晚建筑围合使热空气不易于扩散。

综合可得， 在白天， 一定的绿化覆盖对热环境有降温作用， 但降温效果需要综合考虑植物种类与栽植方式、 周边建筑布局等[15－17]。 场地建筑在白天的遮荫作用在一定程度上能够降低周边气温， 但由于其热量吸收， 夜晚释放热量又会使夜晚气温升高。

图3 温度分布模拟结果(a) 8 ∶00 时； (b) 14 ∶00 时； (c) 21 ∶00 时

2.3.2 风速模拟结果分析

由图4 可知， 研究区域内， 风速在不同测试点有明显的差异， 但在早、 中、 晚3 个时段内差异不大。 同一时段不同测试点的风速在建筑密集区较小， 这是因为建筑遮挡了空气流动； 建筑物街道间风速大于建筑围合区域， 建筑间的街道出风口风速增大(测点1、 9、 11)， 这是因为建筑间形成了夏季通风廊道， 出现了 “狭管效应”[18－20]， 可见适当增加建筑间距有利于改善热环境； 位于场地中央贯穿东西的街道风速小于南北的街道， 这可能是因为本地区南北风较为盛行；有绿化地带(测点14) 的风速小于周边空旷地带(测点11)， 这是因为植物的树冠对风有一定的阻挡作用。

2.3.3 热舒适模拟结果分析

图5 为模拟的预测环境平均温度PMV 的布局结果。 8 ∶00 时， PMV 在1.74 ～3.66， 建筑西侧PMV 值普遍较低， 这是因为日出后， 太阳高度角较小， 未直射到所有区域， 使建筑在西侧形成阴影， 环境较舒适。 14 ∶00 时， PMV 值在4.13 ～6.00， 较为炎热， 而建筑间的道路形成夏季通风廊道， 由于通风性较好， PMV 值低于四周。 21 ∶00时， PMV 值在1.78～2.07， 热舒适性高于中午。

图4 风速分布模拟结果(a) 8 ∶00 时； (b) 14 ∶00 时； (c) 21 ∶00 时

图5 PMV 分布模拟结果(a) 8 时； (b) 14 时； (c) 21 时

3 结论

本文以杭州市临安区一个典型小区为例， 在夏季实测的基础上， 使用ENVI－met 软件建模并对实测数据进行验证， 探讨住宅区的分布格局对其内部微气候的影响， 结论如下: 在一天中的不同时段内， 住宅区的分布格局对其内部热环境的影响不同， 并且绿化覆盖与遮荫情况、 建筑布局等微气候因子对内部热环境与热舒适度均有一定影响。 住宅区内一定的绿化覆盖对热环境有降温作用， 但降温效果需综合考虑植物种类与栽植方式、 周边建筑布局等。 建筑在白天的遮荫作用能一定程度上降低周边气温， 但夜晚释放的存储热量又会使气温升高。 建筑间街道会形成夏季通风廊道， 适当增加建筑间距有利于改善热环境。