基于ENVI-met的济南冬季养老机构室外环境热舒适研究——以济南中海锦年福居康养中心为例

孟 涵, 修瑛昌，于守超，刘美辰，周子涵

(聊城大学 农学与农业工程学院, 山东 聊城 252200)

1 引言

第七次人口普查结果表明，2021年我国60岁以上的人口数量达到了26402万人，占全国总人口数量的18.7%。中国发展研究基金会发布的《中国发展报告2020：中国人口老龄化的发展趋势和政策》显示，2035～2050年是中国人口老龄化社会发展的高峰期[1]，因此，养老群体的安置己经成为我国亟待解决的严峻问题。人口比例逐年上升的老年群体，由于体质下降及人体器官衰老、各部分机能逐渐下降，身体适应气候与环境的敏感度较其他群体更高，心理上对亲人更为依赖[2]，如何为老年人提供更高质量的户外休闲活动空间已成为更多景观学者研究的重要课题。

在量化热舒适指数的相关研究中，计算机数值模拟技术拥有便捷性、准确性的特点，能够节省人力、物力、时间等，有利于对较大尺度的空间进行快速数据量化，降低实测成本。目前国内主要使用的计算机模拟软件包含PHOENICS、Fluent、Rayman、Ecotect、ENVI-met等。其中ENVI-met是由德国Michael Bruse(University of Mainz, Germany)教授等通过研究建筑表面、植被和空气之间的作用与关系而开发出来的用于城市微气候数值模拟的分析软件[3]，该软件采用三维非静力流体学模型，适用于对中小尺度空间的热环境模拟。2008年，Akram Rosheidat利用ENVI-met模拟了亚利桑那州菲尼克斯市中心第一大道和第二大道门罗和亚当斯之间位置的室外热环境，讨论了微观尺度下人体热舒适的影响因素，表明了沙漠炎热干旱环境中户外热舒适的影响因素及问题，提出了缓解热不适的改善策略[4]；2016年，Ferdinando Salata将实测值结合预测平均投票的输出数据，检验了ENVI-met软件的精确性，验证了该软件对气温和平均辐射温度的预测能力[5]；国内利用数值模拟来探讨热舒适的研究起步较晚，2022年，解卫东等学者以合肥市内某高层住宅为研究对象，通过实地监测与ENVI-met模拟，分析了乔木种植对夏季人体热舒适度的影响，同时分别模拟了不同种植密度、不同树种及不同的植物配置布局下的微气候状况，对住区的热舒适性提出了优化意见[6]。

老龄化背景下的养老产业日趋兴盛，养老机构也在当下社会背景下受到了各年龄阶段群体的重点关注。在养老机构的建筑与环境探究方面，室外环境作为院内老年群体近乎唯一的自然活动空间，其环境的热舒适性对老人的生活有着重要的影响。然而针对养老院室外热舒适的研究较少，多数热舒适的评定指标也常适用于身体健康的中青年人，利用计算机科学对养老院空间微气候进行数值模拟的研究相对更为罕见。因此，此次研究以山东省济南市中海锦年福居康养中心为研究对象，围绕3个目的探究分析:①使用ENVI-met对现场实测数据的结果进行验证，检测该软件模拟该地区内室外景观热环境、并得出相关微气候参数的可操作性；②记录分析济南市内典型养老机构的冬季热环境情况，以探讨养老机构景观要素、空间布局等因素对其内部热舒适性的影响，对制定济南市内养老机构以热舒适改善为导向的设计优化策略提供了科学的参考途径；③为济南市小尺度景观空间设计与热舒适角度作出评价并提出改善策略，对该地区内其他中小尺度的景观空间设计具有一定的借鉴意义。

2 研究区域概况

本文研究对象位于山东省济南市( 36°45′N，115°98′E)，属温带季风气候，四季的基本气候特点可概括为“春季干旱少雨,夏季温热多雨,秋季凉爽干燥,冬季寒冷少雪”，济南市年平均气温为14.7 ℃，平均降水量671.1 mm，最冷月份为1月份，月平均气温为-4 ℃。测试地点，位于山东省济南市市中区九曲庄路68号，项目占地约15000 m2，建筑面积约6542 m2，景观面积约9000 m2，是集居家、社区、机构养老于一体的综合型高端养老机构，园区区位与总平面如图1所示。

图1 养老机构区位示意图与平面(笔者改绘)

3 研究方法

3.1 调查问卷

根据对中海锦年福居康养中心的调研与现场访问情况得知，养老院内共有136名老人，其中具备自理能力的老人占62.5%。结合该养老机构内作息时间表格以及对现场的观察记录显示，机构内84.7%的自理老人在冬季的活动时间为8:00～10:00，以及14:00～16:00。在对老年人行为与其活动空间的实地调查中，分析出老人们对不同活动空间选择的偏好性，其中57.4%的老人喜欢静坐在广场、草坪周边的座椅上休息、晒太阳，21.6%的老年人喜欢前往健走道锻炼，平均锻炼时长约为30～40 min；11.5%的老人也会选择交流活动区进行下棋、打扑克、收听广播、阅读、种植蔬菜等活动。

3.2 现场实测

老年人身体机能下降，在冬季寒冷气温的刺激下，常会出现各种身体不适的情况，因此在冬季更应当重视针对老年人日常活动空间热环境的改善。本次实测时间为2022年冬季1月份，选择晴朗、无极端天气的的典型气象日进行数据测量与记录，日最低温度0 ℃以下。参考调研结果，试验时间段设置为7：00～8：00、8：00～10：00、14：00～16:00、16:00～17:00为确保实测结果的准确性，研究以实测3 d获得的算术平均值作为每个时间段的最终试验结果。实测工具选择手持式热力指数计、数字风速仪等仪器进行微气候测量(表1)，获取温度、空气湿度、风速等气象数据，进行记录与均值计算，获取实测结果并得出基础分析。考虑到老人平均身高，以及在养老机构中的户外活动情况，试验测量高度设置为距地面1.5 m[7]。

表1 实测工具选择

老人常用活动范围和园区功能区分布如图2所示，选择代表性的空间进行定点取样实测。最终在此养老机构内选取了5个空间监测点进行温度、空气湿度、风速等气象数据的监测，分别为:①养老院入口形象展示区；②自理老人体验区；③介护老人观赏区;④介护老人活动区;⑤功能配套区。

图2 养老机构功能分区(笔者改绘)

3.3 ENVI-met模拟

本文研究使用了ENVI-met4.43学生版对实测场地进行模拟，通过实测场地得到了建筑高度、下垫面材质、绿地与水体分布及植被情况等环境参数，并绘制出基础的CAD总平面底图，再将研究基地平面CAD图纸以BMP格式导入ENVI-met中作为参照，在ENVI-met中绘制并建立各个建筑体、绿地基地、铺装、水体等空间要素。整个基地选取以测试园区边界110m×85m的范围进行模拟，在水平方向上设置了37×29个网格, 分辨率为3m。模拟过程中，为了消除顶边界效应对模拟结果的影响, 三维模型区域的高度设置为内部最高建筑高度的两倍以上，因此垂直方向上采取等距网格的形式设置9个网格, 分辨率设为3 m。基地的下垫面材质主要分为绿地、混凝土路面、透水砖路面、大理石铺装等几种情况，依据道路及空间的铺装分布[8]，以及对场地内各植被树种的定点分布，在ENVI-met中分别对其进行设定并将各景观要素导入模型中，最终得到研究区域的模拟模型[9]。

3.4 ENVI-met模拟

本次研究选取从2022年1月18日作为模拟的起始时间，从7:00～18:00，时间步长为11 h。模型主要输入参数包括基地地理信息、气象条件、土壤条件和模式输出参数等[10]。为了提高模拟的准确性，模拟的气象数据来源于当日实测数据，同时以济南气象站获取了当日空气温度、相对湿度、风向风速等气象数据作为背景数据。

4 结果与分析

4.1 ENVI-met 模拟结果分析

根据对中海锦年福居康养中心的调研与现场访问情况得知，养老院内共有136名老人，其中具备自理能力的老人占62.5%。结合该养老机构内作息时间表格以及对现场的观察记录显示，机构内84.7%的自理老人在冬季的活动时间为上午8:00～10:00，以及下午14:00～16:00。在对老年人行为与其活动空间的实地调查中，分析出老人们对不同活动空间选择的偏好性，其中57.4%的老人喜欢静坐在广场、草坪周边的座椅上休息、晒太阳，21.6%的老年人喜欢前往健走道锻炼，平均锻炼时长约为30～40 min；11.5%的老人也会选择交流活动区进行下棋、打扑克、收听广播、阅读、种植蔬菜等活动。

4.1.1 温度模拟结果与分析

在7:00～8:00时，研究区域内温度最低可达-0.7 ℃，出现在测点1。此时研究区内温度达到该时间段内0℃以上的区域主要分布在自理老人体验区的草坪、园区入口处以及东南侧，占总面积的7.8%。

在8:00～10:00内，研究区域内温度范围在-0.2～1.7 ℃。最高气温出现在测点2，最低气温出现在测点5。测点2在自理老人体验区，最高气温与最低气温差值为1.9 ℃，从空间围合方式的角度来看，较为空旷的小广场、园区入口处由于缺少建筑构筑物、植被的遮挡，风速较大，温度较低；林下休闲区由于四周多被绿篱、乔灌木等植被围合，抵挡了冬季寒风，降低风速，使内部热量散失较少。在绿化配置方面，落叶树种在冬季发挥了透阳作用，阳光直射地面使得温度升高，常绿树种则起到了较强的遮阳作用，其围合空间温度低于前者。在下垫面材质方面，不同下垫面比热容不同，热量吸收不同[11]，从而地面温度也有所区别，沥青柏油路面和水泥路面相比于其他下垫面，在接收同样的太阳辐射的情况下，由于其比热容较小会迅速升温，向周围空气传递热量使近地面温度较高；园区内水体分布的区域由于蓄水量减少，水体结冰，降温效果较差。

在14:00～16:00内，研究区域内温度范围在1.1～3.1 ℃。随着中午时段太阳高度角增加，温度上升速率变快，这一时间段内的平均气温高于第一时段，最高气温出现在测点2，最低气温出现在测点5。此时段内建筑物和植被的遮挡下的近地表温度较低。同时，通过模拟对比可发现，在1.5 m的高度，乔木林和草地可分别降温0.9 ℃和0.2 ℃，且乔灌草结合的降温效果比单乔木种植的区域更好，最高可降低空气温度1.1 ℃。

在16:00～18:00时，研究区域内温度范围在0.4～2.7 ℃，由于纵向高度阻挡了热量的散失，测点3等被建筑围合的空间周围温度较高。在开阔的水面处，由于表面无遮挡，风速较大，气温较低。

综上所述如图3，在冬季，绿化植被和水体对热环境有保温作用。常绿树种能够有效地阻挡冬季的寒风，减少植被围合空间的通风，从而达到防止内部热量散失的保温效果。对于落叶乔木分布的区域，冬季缺少了树冠和叶片对阳光进行遮挡，使地面上的太阳直射量增加，地面升温同时使得气温上升。在宽阔的水体区域，通过良好的通风增加风速，使得水域周边气温降低。道路、广场的铺装也因为其材质不同模拟出不同的地表温度数值，反射率越高的材料吸收热量越少，周围气温越低[12]。除了植被与水体，建筑的材料、布局形式也可以通过对太阳辐射角度及强度的调节来降低气温增加的速率，同时也可以通过围合空间等形式减少白天日照下的气温散失，使夜间围合空间内(如测点3)温度高于其他区域。

图3 5个测点的温度实测值与模拟值对比

4.1.2 湿度模拟结果与分析

经模拟3个测试时间点的较高空气湿度的分布地点均位于水体上方及植被茂密的区域，占总范围的3.3%，靠近水体的区域由于水分蒸发使得空气湿度增高，而植被密集的区域，植物的蒸腾作用能够将植物体内的水分从叶片、枝干的皮孔处以气体形态蒸散在空气中，使得周边的空气湿度增加[13]。从植物配置方式来看，常绿树种围合区域的湿度大于落叶树种密集分布的片区，且以上2区域湿度均大于草坪片区，植物为何程度越高，空气湿度越大。由此得出，在冬季典型天气，植被绿化和水体有明显的增湿作用，但在该季节内园区内整体的空气湿度均处于较低的水平。

4.1.3 风速模拟结果与分析

模拟结果显示风速在不同测试点差异明显，而在3个时间点的测试差异不明显。由于建筑围合遮挡了空气流动，同一时段5个测试点的风速在建筑附近的区域较小。同理，植被密集的区域(测点4)，当风穿过植物时会受到植物树冠的摩擦与阻拦而降低风速[14]，使得此处风速明显小于空旷的广场空间，而乔灌草搭配的种植模式较单一乔木林种植模式对风的阻挡作用效果更为显著。在水体附近区域(测点3)，水面比陆面平滑，对空气运动摩擦阻力小，使得水面风速明显高于无遮挡的广场、道路等空旷的空间，这说明风速与下垫面粗糙程度相关，有增大风速的作用。

4.1.4 热舒适模拟结果与分析

本次研究中为了评价养老机构的室外热环境，引入热舒适性评价体系中国内外学者常用的指标——预测环境平均温度。预测环境平均温度 (PMV) 是范格尔(Fanger)教授基于稳态传热模型提出，常用来评价某种环境下热舒适度偏离“热中性”的程度，是国际标准组织公认的热舒适评价指标[15]。PMV可综合考虑太阳辐射、环境温度、湿度、风速等相关气象参数，并可将环境因子与人体消耗的能量、服装热阻等参数充分结合来衡量热环境。一般PMV采用7级分度，取值范围在-3～+3，其中取值为0时表示较为舒适[16]。由于PMV指数适用生理指标基础为身体健康的正常青年人群体，此次选定的指标基于老年人群体进行修正。

选取3个时间点来模拟基地的热舒适情况，PMV值介于-1～1之间的区域主要对应于场地中的测点1和测点4等植被围合分布的空间，占总面积的15.4%；PMV值介于-2～-1之间的区域主要对应于场地中的测点1与测点5等区域，占总面积的12.2%，此处体感反应偏冷。而相对来说较为适宜的区域则处于自理老人活动区，PMV值介于0～1。总体而言，冬季整体的PMV都属于偏冷的状态，舒适感不佳。

4.1.5 调查问卷结果与分析

通过调查问卷的分析结果显示，园内老人主观表示在济南冬季最舒适的空间在测点2处，其次是测点3和测点4，而对于测点1和测点5，老人普遍感觉不舒适且“不愿意停留”。

测点2内由各占1/2的广场和绿化组成，在冬季阳光充足的天气里，广场上少量的大乔木搭配座椅形成了良好的休憩空间，有足够的日照面积使得广场空气温度较为温暖，广场由西南侧乔灌木围合，在一定程度上遮挡了冬季的寒风。测点3处有较大的水景，其周边绿地的空气湿度比其他空间更大，然而在冬季常出现结冰、水位下降的情况，观赏价值下降，同时院内老人表示，园内冬季空气湿度普遍较低，因而测点3处较高的空气湿度并未增强体感上适宜性。测点4由于植被围合度高，温度风速状况较为适宜，然而老人普遍认为此处阳光照射面积较小，活动空间小且缺乏特色性的休闲设施和座椅。测点5和测点1并非老人活动的主要区域，景观要素的设置更多服务于场地功能，因此不做过多赘述。

4.2 ENVI-met模拟精度评价

ENVI-met建模在一定程度上会对实际环境进行简化处理，例如此次模拟中，ENVI-met存在对建筑外立面材料的热值稳定性等方面计算不足的因素，因此模拟结果与实际情况之间会存在一定的误差[17]。本次研究中，采用了均方根误差(RMSE)和平均绝对偏差(MAE)两个指标作为实测数值和模拟数值的精度校验指标。RMSE可以用来衡量实测数据与模拟数据之间的偏差, MAE是指实测数据与模拟数据的误差绝对值的平均值[18]。

计算公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中,Xi为模拟数据,Yi为实测数据,N为实测和模拟的次数。

Willmott认为RMSE更能评价模型的模拟精确度[19]。通过对5个选定空间的监测点进行模拟，结果显示，在7:00～18:00的时间段内，5个测点的温度的均方根误差为0.176～0.382 ℃之间，平均绝对偏差为1.244 ℃，目前公认为RMSE介于0.52～4.30 ℃、MAE介于0.27～3.67 ℃的范围内为允许偏差范围，除了温度的偏差数据之外，湿度和风速的结果也在测点1、测点2、测点3与测点4中出现了较小偏差及较为一致的变化情况，其误差均在允许的范围内，表明了这几个监测点的实测结果与ENVI-met模拟结果二者之间呈强相关性，而对于测点5的误差分析中，温度和风速的均方根误差均超出了允许的范围，笔者分析这是由于ENVI-met模型中的边界设定与实际情况不符而导致的，模型中仅框选了基地范围，而现场实测中基地的东北侧和东南侧边界均为城市道路，基地东南方向分布了山体，近处受汽车尾气排放影响，远处受地形影响，因而导致实测温度和风速与模型模拟的结果出现了较大的偏差。综合来看，ENVI-met在济南小尺度气候进行热环境模拟是可行的，然而也需考虑边界对模拟结果的干扰。

5 结论与建议

5.1 结论

本研究首先对ENVI-met模拟结果的精度与实测结果进行对比并得出了精度准确的评价，以济南市一个现代化的养老机构为例，使用ENVI-met软件建模来模拟该养老机构的热环境。结论如下：

(1)本次研究模拟中为了验证ENVI-met的精度，采用了均方根误差(RMSE)和平均绝对偏差(MAE)2个指标对此次模拟结果的精确度进行验证与评价，结果证实ENVI-met模拟各个监测点的两指标均在误差范围内，基本符合实地检测的结果。因此，ENVI-met能较好地模拟并预测济南地区小尺度景观的热环境情况。

(2)本次研究中，景观空间格局、建筑布局以及其他绿地景观要素((植物、铺装、地形、水体、园林小品)均影响了内部热环境与热舒适度。在冬季，植被绿化由于其蒸腾作用与叶片阻滞等原因，可以对小气候起到降温增湿、减缓风速的作用；水体由于其蒸发的作用，也可以起到降温增湿的作用，宽广的水面有利于加速空气流动与循环，形成风口；白天建筑的围合可以遮挡太阳辐射形成荫蔽区，为老人提供遮荫条件，而在夜晚，建筑围合也可以阻隔白天的余热散失使得气温身高。铺装、建筑、构筑物材料因为其材质对太阳辐射吸收与反射不同致使其吸收的热量也不同，因此传递给大气的热量也不同，形成温差。反射率越高的材料吸收热量越少，周围气温越低。

通过对本次研究的热舒适进行模拟，分析可得，冬季该养老机构内，不同的空间对热环境和热舒适度的影响不同，功能配套处热舒适性最差，自理老人体验区热舒适性较好。结合调查问卷中老人对该园区冬季的满意度来看，在冬季园区整体环境的热舒适度较差，缺乏能让老年人在冬季进行0.5 h及以上户外活动的空间，受访者对空气温度、湿度、风速情况的满意度均较低。

5.2 建议

ENVI-met模拟的结果为养老机构的室外景观设计提供了小气候方向的理论依据和优化策略。

(1)针对冬季低温的地区，老年人群体体质较弱，活动量较小。因此应考虑在活动区域适当布局一定高度的绿化植被以抵御寒风，并优先考虑常绿植被的乔灌木搭配种植，增加树冠密度。考虑到冬季日间太阳辐射低，太阳辐射不足会导致中国老人体内维生素D的缺乏[20]，因此园区内也应设置无遮挡的大面积户外空间满足老人的日照需求。

(2)道路、广场的铺装材料应尽可能防滑、粗糙，降低因反光对老人视觉带来的刺激[21]，可以选择亮度低、比热容大的铺装材质，同时也可以利用铺装材料的升温速率差异来营造不同的休息和运动空间。

(3)针对北方冬季景观的气候特性，应对身体机能低于常人的群体打造舒适的景观空间。如减少较大的水面景观，可保障活动安全，降低冬季的风速[22]。考虑到雨雪天气，也应设置具有遮挡作用的景观亭、阳光房等，为半自理或失能老人提供抵御冬季寒风、满足日照需求的场所[23]。同时，设置种植、健身等活动设施，不仅能丰富自理老人的日常活动，而且可以提供更多锻炼的机会。