基于ENVI-met模型的校园肌理形态对室外微气候的影响研究——以安徽建筑大学为例

张少杰，周子慧，水滔滔，何晴晴

(1.安徽建筑大学 a.建筑与规划学院，b.环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601;2.安徽省BIM工程中心，安徽 合肥 230601;3.安徽省装配式研究院，安徽 合肥 230601)

快速城市化进程催生了大量的高密度城市建成区，因此对城市微气候的研究愈加被当代学者所重视.而在众多影响城市微气候的因素中，物质空间肌理形态对微气候的影响作用十分显著.通过对校园肌理形态参数对外部空间微气候影响的研究，可以获得两者相互影响规律，建立起校园肌理形态要素与外部空间微气候间相互影响的物理机制，进而以此来指导校园设计、更新或改造[1-3].

Fazia等利用ENVI-met讨论了街道纵横比和方向对人体舒适度的影响[4]，Gusson等利用ENVI-met 对地区进行微气候模型构建，并对比了两者的建筑密度和建筑类型对微气候的影响[5]，Lyu等利用ENVI-met 证明使用SVF(包括建筑高度、布局和密度)等综合参数可以反演城市形态对热舒适的局部影响[6]，Jin等研究了街道的微气候、建筑物采暖对周围热环境的影响以及街道的形态特征与微气候和人类舒适度之间的关系[7].Wei等通过ENVI-met结合实测气象数据值分析了影响室外热环境时空分布的不同因素[8].丁沃沃等分析了严寒地区城市气候和城市形态参数之间的关联机理，研究了温度、风速与建筑密度的关系[9].丁波荣等对哈尔滨街区形态要素与温度的相关性进行了分析[10]，黄叶梅等利用ENVI-met分析城市道路肌理在中微观层面的微气候状况[11].杜思宏等利用ENVI-met定量研究了沈阳街区城市形态指标与空气温度、地表温度及平均风速的相关性[12].

城市形态和城市微气候二者关系的连接点是城市形态的指标参数，研究形态参数的合理阈值是确立设计原则、修订城市建设规范的重要基础[13].在对城市肌理形态要素定量研究时，单纯提高反射率不一定能改善室外热环境[14]，而迎风面建筑密度(λF)可以作为浅街谷风环境的研究补充[15].在城市中心区可通过增加高层建筑的底层架空空间以及加强公共活动空间的地面渗透性能来改善街区室外热环境[16].张丛验证可通过模拟软件推算不同水体布局模型导致的广场微气候因子的变化情况[17]，黄叶梅等验证了ENVI-met可用于研究空间形态与尺度人体舒适性的影响[18].邓寄豫提出从街区肌理形态层面对街区物质空间形态的相关参数与控制因素进行解析与分类量化[19].

城市空间肌理是由路网结构与街区尺寸等结构要素和城市建筑单体、绿化、水体、不同材质的地表面等肌理元素组成.当前针对城市空间肌理形态对微气候影响的定量研究表明，影响微气候的城市空间肌理形态参数，主要包括建筑密度、建筑高度、天空开阔度、绿地率等.现阶段的城市空间肌理形态与微气候关联性的研究多针对城市的大尺度空间，而对于校园等小尺度空间的关注与研究较少.本研究通过研究校园肌理形态参数对外部空间微气候的影响，可以更深入地理解校园肌理形态对空间微气候的影响规律，从而提出有效的优化策略，并以此来指导校园设计、更新或改造.

1 研究地概况与研究方法

1.1 研究地概况

研究区域位于安徽省合肥市蜀山区，属于夏热冬冷地区.夏季平均气温为27.5～28.5 ℃；冬季月平均气温为 1.5～5.0 ℃.城市主导风向为东南风，其中夏季东南风，冬季偏北风，年平均风速为1.6～3.3 m/s.研究区域位于安徽建筑大学南校区内，为学校主要教学区域，场地面积约83 622 m2.路网为中心环路与四周正交道路相结合.主要建筑有主教楼、东西辅楼、机电楼、逸夫楼和图书馆，其中主教楼为底层架空建筑；下垫层种类主要包括花岗岩硬质铺装、草地和水体.

1.2 研究方法

1.2.1 ENVI-met模型构建

以2021年4月29日为例进行模拟前的气象参数设定，由位于安徽建筑大学校内型号为 PC-8的物联网气象站获得4月29日当天的温度、湿度、风速、风向等初始数据，其他未列出参数均按照软件默认设置.模拟时间设定为日出前5点至日落后20点，共15 h.主要参数设置详见表1.

表1 4月49日初始气象参数统计表

所选区域为梯形，下底约为 1 100 m，场地宽约为 800 m.由于建筑模型不可紧贴边界，所以模型场地尺度设定为 1 160 m×860 m.模型平面上单位网格尺寸设为 5 m×5 m，网格数共 232×172个.高度层面，场地内最高建筑高度为 78 m，由于模型高度需为实际高度的两倍，故将高度单位网格设为 4 m，网格数为 39个.在最终构建的模型中，网格分辨率为 5 m×5 m×4 m，网格数为 232×172×39个.

1.2.2 数据分析方法

1.2.2.1 基于实测数据的 ENVI-met 模拟数据校验

关于数值模拟结果验证的相关研究很多，将 ENVI-met模拟结果与实测数据的曲线相比较，或者利用其他软件的模拟结果进行对比验证，结果表明ENVI-met数值模拟技术可有效预测城市空间的微气候情况.本文选择国际广泛应用的均方根误差(RMSE)和平均绝对百分比误差(MAPE)两个指标作为模拟数值精度的验证指标，选择模型决定系数(Determinate Coefficient,R2)作为评价模型优劣的指标.

1.2.2.2 模拟数据的待分析样点选择

本研究根据下垫层的不同种类选择了三个测点，分别设置仪器于中心广场(测试点1)、操场草坪(测试点2)和水体旁(测试点3)，具体位置如图1所示.

图1 三个测点现场照片

借助研究区域的CAD作为数值模拟的底图，利用ENVI-met 建立研究区的建筑模型、植被模型和下垫层模型，并借助气象站的初始数据作为输入条件，模拟研究区域 8：00—18：00的微气候变化状况.将模拟数据和实测数据进行比较，分析本研究 ENVI-met 模型的精确度.其后通过更改校园肌理形态参数，定量分析校园肌理形态对校园室外空间微气候影响的物理机制.

2 结果与分析

2.1 模型精度验证

根据实测气象数据和模型模拟输出的微气候数据绘制出相关图表，如图2所示.根据前人的研究，对于模拟结果的误差分析，温度的 RMSE值在1.31～1.63 ℃之间，相对湿度的 MAPE 值不超过5%，即可认定实测与模拟数据之间的误差在有效范围内.对研究区 3个测试点气象数据实测值与模拟值的误差分析表明，空气温度和相对湿度模拟值与实测值之间的均方根误差(RMSE)、平均绝对百分比误差(MAPE)基本符合相关指标，如图3所示，故模型精度满足研究要求.

图2 各测点温度、湿度对比

图3 各测点模拟与实测温度、湿度散点图及决定系数R2值

2.2 容积率对微气候影响的模拟研究

2.2.1 空气温度

构建容积率为 0、3.07、5.76的场地数值模型，利用 ENVI-met分别对其进行模拟.根据模拟结果(图4)，进一步说明合理增加场地容积率可以降低场地的平均气温.将场地容积率为 0、3.07、5.76 的模型所模拟空气温度的极值以及具体的温度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，研究区域的平均空气温度随着场地容积率的增加而降低，同时场地内的温度波动略有增大，场地热环境稳定性有所降低.

图4 不同容积率下的场地模拟空气温度极值

2.2.2 相对湿度

根据模拟结果，如图5所示，随着场地容积率的增加，场地湿度极值变化不明显.将场地容积率为 0、3.07、5.76的场地模型所模拟相对湿度的极值及具体的相对湿度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，场地容积率的变化对场地平均相对湿度影响不大.

2.2.3 风速

根据模拟结果，如图6所示，将场地容积率分别为 0、3.07、5.76的场地模型所模拟的风速极值以及具体的风速模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，当建筑为普通建筑时，平均风速会随着场地容积率的增加而有所降低；但当建筑为底层架空建筑时，其所在区域风速明显增大，通风效果明显增强.

图6 不同容积率下的场地模拟风速极值

2.2.4 平均辐射温度

根据模拟结果，如图7所示，增加场地最北侧的建筑后，其所在区域平均辐射温度明显降低，推测出现此现象的原因为底层架空建筑的遮挡减少了太阳直接辐射，从而导致平均辐射温度明显降低.将场地容积率分别为 0、3.07、5.76的场地模型所模拟的平均辐射温度极值以及具体的平均辐射温度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，随着场地容积率的增大，其平均辐射温度会有所降低.

图7 不同容积率下的场地模拟平均辐射温度极值

2.3 硬质铺装覆盖率对微气候影响的模拟研究

2.3.1 空气温度

构建硬质铺装覆盖率为 0、20%、33%的数值模型，利用 ENVI-met 分别对三个模型进行模拟.根据模拟结果，如图8所示，增加了硬质铺装的区域，其气温与此前相比上升了约 1 ℃.而当场地硬质铺装覆盖率达到 33%时，场地外部空间气温为 25.71～29.71 ℃，场地平均气温保持上升趋势.根据相应的温度模拟图可知，场地内新增铺装区域空气温度上升约0.9 ℃.

图8 不同硬质铺装覆盖率下的场地模拟空气温度极值

将场地硬质铺装覆盖率为 0、20%、33%的模型所模拟空气温度的极值以及相应的温度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，研究区域的平均空气温度随着场地硬质铺装率的增加而升高，同时场地内的温度波动略有增大，场地外部空间热环境的稳定性有所降低.

2.3.2 相对湿度

根据模拟结果，如图9所示，增加了硬质铺装的区域，其相对湿度与此前相比降低了约6%.而当场地硬质铺装覆盖率达到33%时，场地外部空间相对湿度为27.71%～42.55%，场地平均相对湿度维持下降趋势.根据相对湿度模拟图可知，场地内新增铺装区域相对湿度与此前相比下降了约5%.

图9 不同硬质铺装覆盖率下的场地模拟相对湿度极值

将场地硬质铺装覆盖率为 0、20%、33%的场地模型所模拟相对湿度的极值以及相应的湿度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，研究区域的平均相对湿度随着场地硬质铺装率的增加而降低.

2.3.3 平均辐射温度

根据模拟结果，如图10所示，增加了硬质铺装的区域，其平均辐射温度与此前相比上升了约0.7 ℃.当场地硬质铺装覆盖率达到 33%时，场地外部空间平均辐射温度为 29.61～61.34 ℃，场地平均热辐射温度保持上升趋势.根据相应的平均辐射温度模拟图可知，场地内新增铺装区域平均辐射温度上升约 0.6 ℃.

图10 不同硬质铺装覆盖率下的场地模拟平均辐射温度极值

将场地硬质铺装覆盖率为 0、20%、33%的模型所模拟平均辐射温度的极值以及相应的平均辐射温度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，研究区域的平均辐射温度会随着场地硬质铺装率的增加略有升高，但影响效果不明显.

2.4 绿地率对微气候影响的模拟研究

2.4.1 空气温度

构建绿地率为 0、25%、45%的数值模型，利用 ENVI-met分别对三个模型进行模拟.根据模拟结果，如图11所示,将场地绿地率为 0、25%、45%的模型所模拟空气温度的极值以及相应的温度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，研究区域的平均空气温度随着绿地率的增加而有所下降，同时场地内由植被覆盖面积变化而引起的气温波动较小，场地外部空间热环境较稳定.此外，由模拟图可知,植被对场地外部空间高温区域的冷却效果较明显.

图11 不同绿地率下的场地模拟空气温度极值

2.4.2 相对湿度

根据模拟结果，如图12所示，将场地绿地率为 0、25%、45%的模型所模拟相对湿度的极值以及相应的湿度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，研究区域的平均湿度随着场地绿地率的增加而增加，植被对场地外部空间的湿度影响较为明显.

图12 不同绿地率下的场地模拟空气湿度极值

将场地绿地率为 0、25%、45%的模型所模拟平均辐射温度的极值以及相应的平均辐射温度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，研究区域的平均热辐射温度随着场地绿地率的增加而降低，植被对场地外部空间的平均辐射温度影响效果明显.

2.4.3 平均辐射温度

根据模拟结果，如图13所示，当场地绿地率增加，场地外部空间平均辐射温度保持下降趋势，其中新增植被的区域其平均热辐射温度与此前相比下降约 17 ℃.将场地绿地率为 0、25%、45%的场地模型所模拟平均辐射温度的极值以及相应的平均辐射温度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，研究区域的平均热辐射温度随着场地绿地率的增加而降低，植被对场地外部空间的平均辐射温度影响效果明显.

图13 不同绿地率下的场地模拟平均辐射温度极值

2.5 水体覆盖率对微气候影响的模拟研究

2.5.1 空气温度

构建水体覆盖率为0、10%、20%的数值模型，利用 ENVI-met分别对三个模型进行模拟.根据模拟结果，如图14所示，当场地水体覆盖率为10%时，场地外部空间气温为25.23～29.37 ℃，场地中新增水体所在区域的气温较此前降低约1 ℃，场地室外空间平均气温略有下降.继续增加水体面积，当场地水体覆盖率达到 20%时，场地外部空间气温为25.21～29.34 ℃，新增水体所在区域气温下降约1 ℃，场地平均气温维持下降趋势.

图14 不同水体覆盖率下的场地模拟空气温度极值

将场地水体覆盖率为0、10%、20%的模型所模拟空气温度的极值以及相应的温度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，研究区域的平均空气温度随着场地水体覆盖率的增加而有所下降，且水体对外部空间中的高温区域有较明显的冷却效果.同时场地内由水体面积变化而引起的气温波动较小，场地外部空间热环境较稳定.

2.5.2 相对湿度

根据模拟结果，如图15所示，当场地水体覆盖率增加为10%时，场地外部空间相对湿度为27.82%～42.71%.根据对应的湿度模拟图可知，场地中新增水体所在区域的相对湿度较此前增加约 6%，场地室外空间平均相对湿度略有增加.当场地水体覆盖率达到 20%时，场地外部空间相对湿度为27.90%～43.23%，而新增水体所在区域相对湿度相较此前增加约 5%，场地平均湿度呈增长趋势.

图15 不同水体覆盖率下的场地模拟相对湿度极值

将场地水体覆盖率为 0、10%、20%的模型所模拟相对湿度的极值以及相应的湿度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，研究区域的平均湿度随着场地水体覆盖率的增加而增加，水体对所在区域湿度的影响较大.

2.5.3 平均辐射温度

根据模拟结果，如图16所示，将场地水体覆盖率为 0、10%、20%的模型所模拟平均辐射温度的极值以及相应的平均辐射温度模拟图进行对比分析.结果表明，在其他肌理形态参数不变的情况下，场地外部空间的平均辐射温度受场地水体影响较小.

图16 不同水体覆盖率下的场地模拟平均辐射温度极值

3 结论

本文重点关注校园肌理形态参数对校园外部空间微气候的影响.利用ENVI-met作为微气候研究的数值模拟软件，通过对模拟结果进行分析，得出以下结论：

1)场地容积率对场地微气候的影响主要体现在对其风速和平均辐射温度的影响上.容积率对校园外部空间微气候的影响：随着场地容积率的增大，其外部空间平均气温略有升高、湿度几乎无变化,平均风速呈下降趋势，而当新增建筑为底层架空建筑时，其所在区域平均风速明显增大，通风效果明显增强.此外，研究表明场地的平均热辐射温度受容积率影响较大.

2)硬质铺装覆盖率对场地微气候的影响主要体现在对其气温以及相对湿度的影响上.硬质铺装覆盖率对校园外部空间微气候的影响：随着硬质铺装面积的增加，场地外部空间的平均辐射温度及平均风速所受影响较小，而场地外部空间平均气温以及平均相对湿度所受影响较大.

3)绿地率对场地微气候的影响主要体现在对其气温以及平均热辐射温度的影响上.绿地率对校园外部空间微气候的影响：随着植被面积的增加，场地外部空间的平均相对湿度及风速所受影响较小，而场地外部空间的平均气温和平均热辐射温度所受影响较大.

4)水体覆盖率对场地微气候的影响主要体现在对其气温以及相对湿度的影响上.水体覆盖率对校园外部空间微气候的影响：随着水体面积的增加，场地外部空间的平均辐射温度及风速所受影响较小，而场地外部空间的平均气温和平均相对湿度所受影响较大.

针对夏热冬冷地区，可通过合理增加场地容积率、降低硬质铺装率，将植物更多栽种于场地外部高温区域等规划手段有针对性地提高校园室外空间的环境质量.