基于ENVI-met的高层住区乔木种植对人体热舒适度的影响研究*

文/安徽建筑大学建筑与规划学院 解卫东 顾康康 常鑫悦 胡鑫康

0 引言

随着城市化进程加快，我国城市建成区环境、下垫面性质发生巨变，自然景观被城市物质空间形态改变，导致城市热岛效应加剧，同时改变了城市微气候[1]。城市绿化作为城市生态系统的重要组成部分，包括绿色屋顶、墙体和公园等，通过蒸腾吸热、遮荫降温等一系列过程影响城市热环境，但城市绿化面积有限，如何提高其生态效益成为亟待解决的问题。

居住是城市的主要功能之一，住区外部微环境作为城市空间的组成部分，是人们户外活动的重要空间载体。近年来，针对住区绿化设计对热环境的影响，已有学者对植被结构、景观格局、绿地率、乔木覆盖率、平面布局形式等进行了相关研究[2-4]。人体热舒适度是指人体对所处环境感到舒适程度的主客观评价，受温度、湿度、风速和日照等气象因子和人体代谢、穿衣热阻等综合影响。目前，虽然对住区热舒适性评价方面的研究成果颇丰，但大多采用问卷调查与微气候现场实测的方法。对于复杂住区尺度热舒适度，数值模拟具有更高的精细化特征，并能定量分析绿化设计对城市住区热舒适性的影响。

鉴于此，研究利用小尺度城市微气候模拟软件ENVI-met对合肥市某典型高层住区进行建模，并根据实测数据验证模型精度，在此基础上对研究区室外热舒适性进行数值模拟，分析不同乔木种植密度、树种及排列布局方式对室外热舒适性的影响，并提出改善高层住区热舒适性的绿化优化策略。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

以合肥市盛世陇门小区为研究对象，该小区总占地面积3.64hm2，容积率3.0，绿地覆盖率约45%，住宅建筑均为18层以上的高层建筑，是典型的具有较高绿地率的高层住区。小区建设用地形状规整，建筑采用行列式布局，主要绿化形式为集中绿地和道路绿地，植物配置以乔木为主，组团式种植，灌木较少，便于构建本研究模型。

1.2 现场实测方案

测试指标包括微气候要素指标中的气温、相对湿度、风速。Kestrel 5500具有精度高、性能强的特点，故采用Kestrel 5500风速气象仪直接测定距地面1.4m处各数据。选择2020年8月30日进行实测，测试时间为8：00-18：00，每隔15min进行数据记录。考虑居住区内建筑组合的不同位置及下垫面差异，测点1位于小区外围绿带，下垫面为草地；测点2，3选择在住宅间开敞绿地，下垫面分别为硬质铺装和草地。同时对居住区内植物类型和种植情况进行实地调研。

1.3 ENVI-met微气候模拟

1.3.1 模型构建及参数选取

ENVI-met是一款城市微气候模拟软件，其特点是可对微气候影响因素进行综合性考虑，并具有较完整的植物模块，能较好地模拟植物和热环境的关系。为使模型更接近于真实场景，研究模拟范围包含研究区域外围的城市道路，并在模型外围增设宽度为10m的空白缓冲带。将研究区的平面图作为底图，结合下垫面信息建立较精确的三维模型。

表1 ENVI-met模型基本参数

1.3.2 试验情景设置

利用Albero组件建立三维植物模型（见表2），根据实地树种调查，以香樟作为初始情景树种（Q0），采用组团式排列方式，共188棵，乔木密度为202m2/棵，叶面积密度1.1m2/m3，树高9m，叶片反射率0.18，冠幅7m×7m。在此基础上，分别建立乔木密度、乔木树种、乔木布局方式共3组模拟情景，并建立无乔木情景作为各模拟情景的对照情景。

表2 模拟情景植物属性

1）乔木密度组 情景1～3（Q1～Q3）与初始情景相比有相同的树种，但树木种植密度更高。

2）乔木树种组 将初始基础情景中居住区原有的香樟分别替换为白蜡、梧桐和国槐，作为情景4～6（Q4～Q6）。

3）乔木布局方式组 情景7～9（Q7～Q9）与初始情景相比有相同的树种和等量的树木，但采用等间距、聚集和随机排列3种不同的树木布局方式。

1.3.3 热舒适度指标

热环境因子包括气温、相对湿度、风速、平均辐射温度。气温是人体热舒适度最常见的指标，其本身并不能成为一个准确的指标。因此，本研究的热舒适度指标采用生理等效温度（PET）[5]，各模拟情景的PET值利用Bio-met软件进行计算输出，参数设置为默认国际通用标准。通常说来，PET值在18～23℃的范围内表示热舒适性比较好。

十年树木，百年树人，教育是一项百年大计，对一个国家和民族复兴和发展具有重要的意义和作用。随着时代的发展和社会的进步，英语越来越受到人们的重视。学好英语已经不再是外交官与国家领导人的责任，更加是学生的重要课程，是新一代学生不可推卸的重任。目前，我国急缺高质量的英语人才，这对学生与英语教师提出了更加严格的要求。城乡小学生的实际英语水平却相差甚远，主要有教材版本不同、教学安排不合理、教师教学方法以及城乡小学生家长的重视等原因。

2 模拟结果分析

由监测点的误差分析结果可知，气温和相对湿度的RMSE分别为0.984℃，3.3%，气温和相对湿度模拟值与实测值间的偏差均较小，在误差范围内；气温和相对湿度的MAPE分别为2.6%，4.3%，气温的实测值与模拟值差别较小，模拟效果较好，而相对湿度的实测值与模拟值差别稍大，模拟效果相对一般。

2.1 乔木种植密度对人体热舒适度的影响

2.1.1 热环境气象因子

对比无乔木情景发现，随着研究区乔木种植密度增加，气温、风速和平均辐射温度降低，相对湿度升高。从逐时变化来看，乔木密度组各模拟情景与无乔木情景、初始情景温湿度变化规律一致，仅在量值上存在差异。树木遮荫是影响平均辐射温度的重要因素，与无乔木情景相比，Q1～Q4全天平均辐射温度平均值差值分别为5.216，6.465，7.624，8.347℃。此外，增加乔木种植密度会影响局部通风效率，削弱风速。

2.1.2 热舒适性指标（PET）

不同乔木密度情景PET均值（1.4m高度处）变化如图1所示，与无乔木情景相比，不同乔木种植密度分别降低全天PET平均值2.928，3.689，4.406，4.859℃。在17：00时，达到PET降幅最大值，降幅为3.714～6.033℃；8：00时，PET降幅最小，为1.915～2.423℃。选取8：00时对乔木种植密度降低PET的效果进行空间分布分析，Q0～Q3模拟结果均出现部分区域PET值升高的现象，主要分布于有建筑阴影遮挡且乔木集中的区域，约占研究区面积的45%，与初始场景Q0相比，随着乔木种植密度的增加，这些区域平均PET分别增加0.044，0.084，0.104℃。在9：00时，也出现了相同的现象，但PET升高区域缩小。

图1 乔木密度组各情景PET模拟值对比

在炎热天气下，乔木通过树冠遮荫和自身蒸腾对温湿度、平均辐射温度的调节作用明显，虽然会对风速产生一定影响，但增加乔木种植密度对提高人体舒适度仍起着积极作用，这与以往研究结果一致。每增加相同数量的树木，其降低热舒适性指标数值的效果会减弱，乔木覆盖率并非越高越好，过高会对场地局部散热产生阻碍作用，因此选择适当的乔木种植密度更有利于热舒适度的改善。在8：00相对湿度较高、太阳辐射较弱时刻，在建筑背阳面种植集中的乔木会导致产生一定范围的高湿区域，同时树冠使平均风速降低，造成人体热舒适度降低，增加乔木种植密度引起该区域热舒适度指标PET升高值增加。

2.2 乔木树种对人体热舒适度的影响

2.2.1 热环境气象因子

在夏季日间，树木高度较高、冠幅较大的梧桐（Q5）和叶片反射率较高的国槐（Q6）可实现较好的降温增湿效果，Q5，Q6全天温度平均值差值分别为0.383，0.531℃，相对湿度平均值差值分别为2.464%，2.202%。叶面积密度较低的白蜡（Q4）与香樟（Q0）的降温增湿效果较差，逐时温湿度差值变化几乎一致。

各树种情景与无乔木情景相比，平均辐射温度与风速均有所降低。4类树种中梧桐（Q5）平均辐射温度降幅最大，国槐（Q6）次之。白蜡由于叶面积密度低，枝叶较稀疏，冠层内部的通风率高，对场地平均风速的影响最小，全天风速平均值差值仅为0.002m/s。

2.2.2 热舒适性指标（PET）

如图2所示，各树种情景全天PET平均值差值（与无乔木情景相比）大小关系为梧桐（7.293℃）＞国槐（6.129℃）＞白蜡（3.364℃）＞香樟（2.928℃）。乔木的树高及冠幅能有效影响遮荫面积，高叶片反射率的乔木对太阳辐射的吸收和反射作用更强，因此梧桐和国槐为人体热舒适度提供了更好的优化效果，PET最大降幅均出现在17：00时。香樟相较于白蜡有更高的叶面积密度，虽具有更强的优化树下热舒适性的能力，但白蜡由于对风速影响小，对场地整体热舒适性的优化效果更好。在17：00时，分析空间分布得出各情景PET降低明显的区域与乔木种植的空间位置相对应，PET增加较大的为梧桐（Q5）和国槐（Q6），梧桐和国槐情景在17：00时PET降低≥9℃的区域分别占研究区的39.47%，34.85%。

图2 乔木树种组各情景PET模拟值对比

2.3 乔木排列布局方式对人体热舒适度的影响

2.3.1 热环境气象因子

在乔木配置相同、布局形式不同情景中，等间距式布局的降温增湿效果最佳，其次为随机式、组团式布局，降温增湿效果最差为聚集式布局。在降低平均辐射温度效应方面，同样是等间距式＞随机式＞组团式＞聚集式。此外，4种乔木布局形式对风速的影响差异性较小。

2.3.2 热舒适性指标（PET）

不同乔木布局方式对场地热舒适性的改善效果具有较显著差异，具体表现为等间距式＞随机式＞组团式＞聚集式（见图3）。以太阳辐射较强的13：00时进行空间分析，乔木等间距布置对热舒适性改善效果在空间上最佳，聚集布置最差，研究区内PET降低≥7℃的区域占比分别为17.68%，6.91%。根据PET等级划分来看，与无乔木情景相比，等间距布局与随机布局在观测时间内的PET均值所代表的人体感知状态由酷热转为炎热，但是其他2种乔木布局形式呈现相同的热应激水平。等间距、随机布局中的乔木分别为单株平均分布和随机分布，植物产生的遮荫面积较大，场地PET降低效果更明显；乔木的聚集式布局和组团式布局造成植物的阴影互相重叠导致遮荫效果减弱，从而对场地PET的降低效果减弱。

图3 乔木布局方式组各情景PET模拟值对比

3 结语

为优化城市住区夏季室外热舒适性，针对乔木种植，借助ENVI-met模拟了乔木不同种植密度、树种及排列布局方式下对热舒适度的调节作用。通过模拟结果对比分析，得出以下结论。

1）通过增加乔木种植密度可有效优化高层住区外部公共空间热舒适性，增加乔木密度会降低风速，对优化整体热舒适性作用减弱。增加乔木种植对热舒适性的改善效果有限，且必然导致可活动区域面积减小，乔木密度增加一定要适量。另外，早晨湿度较高时段，在场地背阳面乔木集中区域出现PET升高现象，因此，在住区乔木种植时应秉持科学与适度原则。

2）不同乔木树种和乔木排列布局方式对室外人体热舒适度调节作用存在差异，为提升住区夏季室外环境质量，提供树荫区域是关键，应合理开展种植设计，优先选择较高且冠幅较大的乔木，布局时避免树木集中造成遮荫重叠。

目前研究仍存在很多不足，在住区景观设计中，乔木还存在更多树种与排列布局方式选择的可能性，同时在不同季节乔木对热舒适性的影响存在一定的差异，仍需进一步研究。