桂北地区夏秋过渡季校园景观对局地微气候的影响

2021-06-24郑文亨李倍宇康家胜姜春宏韦芳芳

科学技术与工程 2021年13期

郑文亨，李倍宇，康家胜，姜春宏，韦芳芳

(桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，桂林 541004)

校园微气候指的是在校园空间尺度范围内，由于下垫面类型、地形方位、园林景观以及建筑布局等各种环境因素综合作用下在局部地区空间内形成的独特气候状况[1-4]。校园景观作为校园生态环境的重要组成部分，其设计直接影响到校园微气候的舒适性和安全性[5]。近年来，随着各地高校的校园面积不断扩大，校园设施配置也日趋完善齐全，因此人们对校园景观布局及微气候的关注度日益提高。目前对校园微气候的研究方法主要包括气象站监测法[6]、现场定点监测法[7]、移动取样测试法[8]、计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)数值模拟和遥感监测法[9]。学者们采用现场定点监测法对寒冷地区校园微气候的研究中发现，绿地植物对校园微气候的影响最为显著，提出增加植地覆盖率有利于改善校园微气候[10-12]；针对影响热环境的建筑群落的研究发现，在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区通过控制建筑因子(如建筑形态、建筑高度和架空层高度等)对营造区域微气候的热环境、风环境具有较好的促进作用[13-15]；同时，在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区开展的校园人群活动空间舒适性的研究中发现，校园树荫廊道在夏季有较好的增湿降温作用，并建立了适用于当地的室外热环境评价指标[16-17]。校园是广大师生学习、生活的主要活动空间，校园景观中的植物、水体、道路等对改变校园人群活动空间的温度场、湿度场、气流场有着显著作用。此外，校园空间的人群活动时间区别于其他非校园空间，一年中的最冷月与最热月分别属于校园的寒暑假期。现有研究中对于校园微气候的关注时间较多集中在夏冬两季，而对于校园空间人群活动时间较为集中的冬春过渡季和夏秋过渡季的研究偏少。考虑到桂北地区的气候特征，冬春过渡季期间多属于雨季，校园人群活动空间多集中在室内；夏秋过渡季气候干爽宜人，人群在校园户外活动空间使用的时间最为集中。然而，针对桂林地区夏秋过渡季校园景观布局对其微气候的影响并未得到深入研究。

现以桂林电子科技大学花江校区为研究对象，通过实地定点监测的方法获得校园微气候环境参数(空气温度、相对湿度、空气流速等)的日动态变化，探究不同环境参数对校园微气候的影响程度。旨在为校园景观设计提供指导建议，以期营造舒适的绿色生态校园。

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

桂林电子科技大学花江校区(25°18′N，110°25′E)位于桂北地区，地处夏热冬暖地区和夏热冬冷地区交界地带，气候环境独特，夏季炎热潮湿，冬季温暖湿润，四季分明。校区占地面积约4 000亩(1亩=666.67 m2)，四面环山，丘陵纵横勾勒，系典型喀斯特地貌，校区内建筑群落分散其中，园林景观类型多样，林地、湖泊相互映衬。选取校园内具有典型代表的区域为测试对象(图 1)，以下垫面类型分测试区域主要包括教学楼、林地、草地、湖泊和大理石校道等。

图 1 桂林电子科技大学花江校区测试区域Fig.1 Guilin University of Electronic Technology Huajiang campus test area

1.2 研究方法和评价指标

1.2.1 测试时间、内容及方法

测试选择在晴朗、无云的天气下进行。测试时间为2019年9月11日—12日共计2d，每天 8:00—19:00 连续监测。测试地点包括湖岸地带(草地)、教学楼架空层底部(其中，#17教教学楼的架空层为南北朝向的半敞开式架空层(教学楼一层北面无外墙，南面有开窗外墙，共计46个2100mm×1800mm的外窗沿一层北外墙均匀分布，东西面有外墙)；#16教教学楼的架空层为南北朝向的敞开式架空层，东西面有外墙)、林地和大理石路面。测试内容包括空气温度、相对湿度、空气流速、太阳辐射、黑球温度、下垫面温度、CO2浓度等环境参数。此外，对测试地点的场地尺寸也进行了测量记录。

温湿度仪采用自动记录模式连续监测记录，仪器固定安置在距地面1.5 m高度处，每15 min记录一次该段时间内环境温湿度的平均值；太阳辐射强度、黑球温度、空气流速、CO2浓度以及下垫面温度为人工测试记录，仪器均固定在专用支架距地面1.5 m高度处，每小时测试记录一次，每个测点的测试时间为5 min，相应数据取测试时间内连续监测数据的平均值。仪器型号和参数如表 1所示。

表 1 仪器参数

1.2.2 评价指标

(1)偏相关系数。同一个微气候区域内不同类型的景观还会营造出局部微气候，这是由于不同类型的景观组成肌理不同，因此其对环境气象因子的适应能力和调节能力也会存在一定差异。考虑到环境气象因子之间对不同景观局部微气候的影响不是简单叠加或独立作用的，而是相互渗透、彼此关联的复杂关系。因此，利用SPSS软件将不同景观类型与气象因子做偏相关分析(也称净相关分析)[18]，以探究环境气象因子对不同类型景观的影响。

(2)人体舒适度评价指标(comfort index of human body，CIHB)。采用近年来中国学者普遍认可的人体舒适度指标CIHB[19]作为评价校园人群活动空间的舒适状况指标，该评价指标共分为9个等级(表 2)。CIHB是衡量人体对所处户外环境舒服程度的指标，是评价人居环境、户外人群活动空间舒适度的重要指标之一。该指标通过环境中的空气温度Ta(℃)、相对湿度RH(%)和空气流速v(m/s)来计算人体舒适度指数，其计算公式为

(1)

(3)综合舒适度指标(comprehensive comfort index，CCI)。由于炎热和寒冷都会对环境的舒适度产生显著影响，所以为了更方便、准确地分析和评价人们在户外活动空间的舒适感，中国学者提出了以温湿指数XTHI、风效指数XWEI和着衣指数XICL为基础，通过采集研究区域的空气温度Ta(℃)、相对湿度RH(%)和空气流速v(m/s)等环境参数，同时结合人体活动状态和服装热阻，建立了气候舒适性综合评价模型(CCI)[20]，共分为4个舒适度等级(表 2)，其指标计算公式为

表 2 综合舒适度指标

CCI=0.6XTHI+0.3XWEI+0.1XICL

(2)

XTHI=(1.8Ta+32)-0.55×(1-RH)(1.8Ta-26)

(3)

(4)

(5)

式中：XTHI、XWEI和XICL分别为温湿指数、风效指数和着衣指数的分级赋值[20]，0.6、0.3和0.1分别为其对应的权重系数；S为日照时数，根据实测数据取9h/d；H为人体代谢率的75%，取62.25 W/m2；A为人体对太阳辐射的吸收情况，取0.06；R为下垫面接收到的垂直阳光的太阳辐射，采用实测数据计算；α为太阳高度角，取88′。

2 结果与分析

2.1 热环境评价

校园内的林地、湖泊等不同类型的园林景观以一定的面积分散其中，在空间上形成了不同的下垫面属性，而不同性质的下垫面是形成局地微气候的重要因素。表 3为综合考虑9月11—12日这两天测试区域内各测点环境气象参数的实测统计数据。图 2 为测试期间按上午(8:00—11:00)、中午(12:00—15:00)和下午(16:00—19:00)统计的环境参数累积值(每个区间内按每小时平均值累加)。表 3数据显示，测试区域内热湿环境变化较大(其中，温度变化波幅为18.59 ℃，相对湿度变化波幅为52.19%)，空气流速适中，太阳辐射强度较低。

图 2 不同景观下垫面局部微气候环境参数累积值Fig.2 Cumulative values of local microclimate environmental parameters of the underlying surface of different landscapes

图 3 不同下垫面地表温度与气象因子的关系Fig.3 The relationship between surface temperature of different underlying surfaces and meteorological factors

图 4 CIHB与CCIFig.4 CIHB and CCI

表 3 测试区域气象参数

表 4 不同下垫面地表温度与气象因子的偏相关系数

2.2 不同下垫面地表温度与局部微气候的相关关系

地表温度除了受到下垫面性质的影响外，还会受到环境气象因子的综合作用。为分析不同气象因子与不同下垫面地表温度之间的相关性，将不同下垫面的地表温度分别和各气象因子进行偏相关分析，结果如表4所示。其中，太阳辐射和黑球温度对下垫面地表温度影响的显著性较高，其对下垫面为湖泊、林地及大理石校道的地表温度正相关[图3(a)]；对下垫面为草地的地表温度呈负相关关系[图3(b)]。表 4的数据显示：太阳辐射强度对下垫面地表温度的相关性依次为中心花园(林地)>迎宾大道(大理石校道)>湖泊(水域)；黑球温度对下垫面地表温度的相关性依次为湖泊>中心花园>迎宾大道；从下垫面的综合蓄热性来看：水域>大理石校道>林地；从下垫面的综合热辐射反射率来看：水域>林地>大理石校道。说明下垫面的蓄热性和热辐射反射率是影响局部微气候的重要因素。

此外，太阳辐射与架空层地表温度负相关，而黑球温度与架空层地表温度正相关。这是由于架空层的遮阳作用阻挡了阳光直射进入到架空层的地面，对太阳辐射起到抑制作用，一定程度上降低架空层内部空间的温升；黑球温度侧面反映了空间内的热辐射强度，黑球温度越高说明空间内的物体对外发射的热辐射越强，低温物体吸收到辐射热后温度升高。

而近地面处(H=1.5 m)的空气温度、相对湿度以及空气流速对下垫面地表温度影响的显著性较低。这是由于近地面空间内直接与下垫面接触的空气，其热湿传递除受到外部大空间环境的影响外，促使该空间内部环境参数发生不同改变的主要因素是与其直接接触的下垫面类型。空气与下垫面进行热湿交换发生焓变的同时，空气也会和下垫面进行物质(湿交换)和能量(热量、动量)交换[图3(c)]。说明下垫面温度与空气温度、相对湿度以及空气流速之间的统一性较高，故彼此之间的偏相关性较低。

表 5 不同景观布局模拟方案

2.3 热舒适评价

图4为根据式(1)～式(5)计算得到的测试期间各测点人体舒适度指标(CIHB)与综合舒适度指标(CCI)结果。中位数也称中值，是一组有序数组中位于中间位置的数。图 4(a)显示，各测点中人体舒适度指标(CIHB)为一级(人体感觉偏暖，较为舒适)的占比由高到低分别为中心花园>#16教架空层>湖岸>#17教架空层>迎宾大道，其对应的平均综合舒适度指标值(CCI)分别为3.18、3.16、3.25、3.58和3.50，均属于“较不舒适”等级；图 4(b)显示，各测点中综合舒适度指标为“较不舒适”等级的占比由高到低分别为#17教架空层>迎宾大道>#16教架空层>中心花园>湖岸，其对应的平均体舒适度指标值分别为75.15%、74.98%、73.74%、73.52%和74.20%，除#17教架空层属于二级指标外(人体感觉偏热，不舒服，需要适当降温)，其他测点均属于一级指标(人体感觉偏暖，较为舒适)。

图 5 场地模型及景观构件模型Fig.5 Site model and landscape component model

由此可以看出，不能单一地通过人体舒适度指标或综合舒适度指标去评价环境的舒适性程度。因此，将人体舒适度指标与综合舒适度指标值分别进行多元线性回归分析和偏相关分析。图4(c)显示，多元线性回归分析结果显示：人体舒适度指标与综合舒适度指标的拟合系数R2=0.40，偏相关系数为0.113，说明人体舒适度指标与综合舒适度指标之间存在一定相关性，但显著性不高。此外，由于综合舒适度指标与温湿指数XTHI、风效指数XWEI和着衣指数XICL直接相关，分别对其进行多元线性回归分析，结果显示：拟合系数R2分别为0.64、0.03和0.07，人体舒适度指标与温湿指数XTHI之间存在较高的线性关系，且显著性很强。说明环境的温湿度是影响人体的舒适性的显著性原因，人员着装和空气流速对其的影响程度分别次之。

3 数值模拟

3.1 模拟方案设置

CFD数值模拟计算工具选用PHOENICS(2014版)软件进行仿真求解。图 5为根据实际场地及其景观构件测量的空间尺寸建立的场地及景观构件模型。为保证计算区域内的流场充分发展，庄智等[21]提出可根据场地垂直方向上最高的构件尺寸H为基准，进出口边界尺寸不小于6H，顶部边界尺寸不小于3H。因此，考虑建筑高度及周边景观尺寸后，模拟区域尺寸设为320 m×280 m×80 m(长×宽×高，区域内最高建筑高度H为21 m)。在此基础上，表 5为根据实际场地的景观布局设置的5种模拟方案，目的在于通过改变场地中的景观布局，用数值模拟的方法探究不同景观布局对校园局地微气候的影响和差异。

图 6 模拟结果验证及不同景观布置方案模拟结果Fig.6 Verification of simulation results and simulation results of different landscape layout schemes

3.2 模拟结果分析

为验证模拟结果的准确度，将实际场地的数值模拟结果与实测数据进行对比。图 6数据显示：各测点的实测数据与方案1模拟结果相比，温度场、湿度场和气流场的平均误差分别为-0.58%、-0.70%和-7.52%，最大误差分别为6.73%、-3.48%和9.70%。可以发现模拟结果的温湿度数值与实测结果较为接近，均在仪器的测量误差范围内，流速场模拟结果的误差稍大，分析其中原因是：①用于模拟的场地模型与实际场地存在一定差异，对于实际场地的很多情况无法完全还原，导致模拟结果与实测结果必然存在一定误差；②测量误差的存在。将实测数据与方案1的模拟结果进行线性回归分析，发现其温度场、湿度场和气流场的相关系数R2分别为0.769、0.854和0.683，模拟结果与实测结果存在较高相关性。因此从总体来看，模拟结果在一定程度上能反映出实际场地的环境状况，具有一定参考价值。

以方案1的模拟结果代表实测结果，图 6的数据显示：方案2(减少林地增加草地)、方案3(减少林地增加水域)分别与方案1对比，区域内的温度场和气流场均为下降趋势，湿度场均为上升趋势；方案4与方案1对比(减少水域增加草地)，区域内的温度场和气流场均为上升趋势，湿度场均为下降趋势；方案5与方案1对比(减少水域增加林地)，区域内的温度场、气流场和湿度场均为下降趋势。在此基础上，结合图 7的模拟结果图，可以发现林地、草地和水域对于局地微气候均能起到降温增湿的作用，从降温效果来看，水域>草地>林地，从增湿效果来看水域>林地>草地。从流速场的模拟结果来看，草地对流速场起到促进作用，而水域和林地则对流速场起到抑制作用，且林地对流速场的抑制作用大于水域。分析其中原因，水域受到太阳辐射后，液体表面发生蒸发作用，产生上升的热湿气流，对于来流空气起到了一定的阻挡作用；而林地的蒸发作用虽没有水域强，但林地对来流空气的阻力系数远大于水域，因此林地对来流空气也具有一定的阻挡效果。

图 7 不同景观布局方案模拟结果Fig.7 Simulation results of different landscape layout schemes

从人体热舒适度评价指标(CIHB)来看，不同景观布局的整体舒适度水平由高到低依次为方案4>方案5>方案2>方案3>方案1，且各方案的整体舒适度指标均为“舒适”等级。由此说明不同景观布局不但对校园微气候的营造产生一定影响，而且不同景观布局对于人群活动空间的舒适度也有一定的调节作用，其中草地对于校园营造良好的微气候环境和提高人们的舒适感的方面效果最为明显，该结论与文献[5，18]的部分结论吻合。