山東建筑大學  楊麗娜  閆春輝  劉吉營

       【摘  要】居民小區是人員活動的重要場所，但是夏季熱環境問題突出，而種植樹木可以改善室外熱環境。文章使用ENVI-met軟件探究不同植樹模式對室外熱環境的改善效果。結果表明，平行布置樹木比三角形布置有利于改善室外熱環境；處于建筑物背風區的區域，落葉樹木和常綠植物結合種植最有利于降低溫度，降低1.5℃；迎風區的區域種植落葉樹木最有利于改善室外熱環境，PET降低6.5℃；全部種植常綠樹木改善室外熱環境不明顯，降溫效果在0.25~0.99℃之間。

       【關鍵詞】室外熱環境，ENVI-met，植樹模式

0 引言

       現在人們普遍知道，城市人口比村莊更密集，到2020年，中國城市人口已達60%以上^[1]。隨著城市化進程的加快，城市建筑的不斷增加，城市發展與環境之間的沖突日益明顯^[2]。其中氣候變化導致的溫度上升對生活在城市中的居民產生巨大的負面影響，這一現象降低了居住環境的熱舒適，危及城市居民的整體健康[3]。以前的研究表明暴露于高溫天氣下增加人體不適感和疲勞感，使中暑等有關熱的疾病發病率增加，夏季高溫還會對心腦血管疾病患者的健康造成危害^[4]。

       為了改善城市室外熱環境，研究者從不同角度研究城市熱環境。Mohammad等人^{[5, 6]}的研究中表明低反照率的城市表面和建筑物使用高熱容的材料可以達到降溫效果，在城市環境中，高反照率表面材料吸收更多的光，則觀察到更高的熱應力。Lin^[7]等人探究具有不同高寬比的街道峽谷的熱環境和熱舒適，結果表明高SVF（天空可視系數）會在夏天引起不適，而低SVF會在冬天引起不適，因此應該合理規劃室外環境。一些研究表明，植樹在調節氣候和降低建筑能耗等方面比其他因素有效^[8-10]。綠化對夏季城市熱環境的影響主要表現在三方面：遮陽、蒸騰作用和降低城市風速。首先，樹木通過遮陽可以減少短波輻射，降低空氣溫度和表面溫度^{[11, 12]}。第二，蒸騰作用會增加植被周圍的濕度，水分的蒸發會降低植被周圍的空氣溫度^[13]。最后，樹木可以通過控制氣流、降低風速來影響城市微氣候^[13]。

       景觀格局和不同的植樹模式對室外熱環境有不同的影響。Yang等人^[14]針對峽谷街道的植樹模式研究，得出樹木與周圍建筑物的布局共同影響室外熱舒適，街道樹緊貼街道建筑物時會提供較好的改善熱環境效果。Babak等人^[15] 得出，在垂直于盛行風向上，矩形布置比三角形布置更有利于提高室外熱舒適，提出了外排常綠樹木、內排落葉喬木的矩形布置是改善室外熱環境的最佳條件。因此，通過采用適當的種植設計和植樹模式，可以有效提高室外熱舒適。

       以往的研究中大多集中在樹木對改善室外熱環境的重要性，但關于什么是最有效的種植模式的研究卻很少。因此本文借助ENVI-met軟件，模擬居住小區內不同植樹模式改善室外熱環境的效果，可以幫助城市規劃師引入最佳的種植模式，使綠化更高效。

1 研究方法

       1.1 ENVI-met模擬基礎

       首先用ENVI-met軟件對研究區域進行模擬。在此基礎上，將模擬的輸出結果與實測結果比較，驗證模型的可行性。然后針對小區內某棟典型建筑，提出不同的樹木種植方案，使用ENVI-met軟件模擬。最后，對模型中提出的方案進行對比，驗證最佳的種植模式。

       ENVI-met是三維（3D）非靜水微氣候和計算流體動力學模型。該軟件的空間分辨率為0.5~10m，模擬周期為24~72h，時間分辨率為10s。ENVI-met軟件基于熱力學、計算流體力學及城市生態學，并充分考慮城市小尺度空間內地面、植被、建筑和大氣之間的相互作用，模擬再現城市大氣數值動態變化的進程。包括建筑周圍環境的空氣流動、湍流、植物與周圍環境的熱量和水分交換、微粒擴散，地面及建筑表面的熱量交換和水汽交換等。ENVI-met軟件模擬城市室外熱環境方面的可靠性被多次證實^[16-18]。

       1.2 熱舒適指數

       研究采用生理等效溫度PET（Physiological Equivalent Temperature）作為評估室外熱環境指標。PET基于慕尼黑個人能量平衡方程^[19]，描述人體表面的熱平衡狀態，當皮膚接受的熱量與人體核心熱量相等時，認為是中性狀態。如表1，根據熱感覺投票TSV，PET從極冷到極熱共分九個等級。

表1 PET值與熱感覺

2 現場測試與模擬工況

       2.1 實測地點概況

       研究地點位于山東省濟南市住宅雪山和苑，屬于溫帶季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。雪山和苑多以高層住宅為主，場地平整，建筑布局單一，綠化方式較為普遍，多以灌木和較矮樹木為主。

       現場測試時間為2019年9月30日，9:00-17:00，測試期間天氣晴朗。實驗設置兩個監測點，測點1位于廣場無綠化區域，測點2位于綠化區，如圖1（a），紅色圓圈代表測點位置。測試儀器采用iButton紐扣溫度計記錄空氣溫度和相對濕度，同時使用輕質百葉窗（防輻射通風罩）以防止輻射對測量結果的影響， JA-IAQ-50測試儀記錄微風風速。測點圖片如圖1（b）。 

                        圖1 （a）測試區域地理位置                       （b）測點圖片

       2.2 模型驗證

       根據實測居民樓室外熱環境數據及其周圍現狀，使用ENVI-met軟件建立驗證模型如圖2。選取9月30日為數值模擬日期，從0:00開始，模擬時長為18h。氣象邊界條件根據實測獲得，最高溫度為32℃，最低26℃，相對濕度最高為50%，最低27%，離地10米處風速為1.4m/s，風向為東南風135°。模型內建筑、植被基于住宅的實際情況。

圖2 居民樓數值模擬圖

       將兩個監測點的實測空氣溫度與ENVI-met模擬空氣溫度對比結果如圖3 所示，雖然存在一定誤差，但實測值與模擬值的變化趨勢一致。

       采用均方根誤差RMSE對模型精度進行評價，計算公式為：

       經計算，測點1的RMSE為0.56，測點2的RMSE為0.48，說明ENVI-met能較好的模擬室外熱環境。

圖3 實測數據與模擬數據對比

       2.3 參數設置和模擬工況

       為進一步探討居住小區內植樹模式對室外熱環境的影響，研究采用ENVI-met軟件模擬小區內典型建筑及其周圍環境在不同種植模式下的熱舒適。以驗證的居民小區模型為基礎，為更好的反映夏季室外熱環境特征，采用濟南典型氣象年數據，選取的模擬日期為夏季典型氣象日7月23日，模型設置見表2。

表2 模型參數設置

 

       模擬案例包括7種工況，包括一個沒有樹木的基本工況（C0）和不同植樹模式的6種工況。研究設置了兩種類型的樹木排列方式，矩形（C1）和三角形（C2）；根據樹木種類，對矩形植樹模式設置了5種種植方式，分別為落葉樹木（C1）、常綠樹木（C3）、外排常綠樹木內排落葉樹木（C4）、內排常綠樹木外排落葉樹木（C5）、常綠落葉樹木交錯布置（C6），工況設置如表3所示。落葉樹木和常綠樹木的高度均為15m。綜合考慮樹木與建筑物的位置和人員經常活動場所，在居民樓附近選取一監測點用于評估不同植樹模式的降溫效果。種植模式及監測點的位置如圖4所示。

表3 不同種植模式工況表


圖4 （a）落葉樹木矩形布置C1       （b）落葉樹木三角形布置C2

3 結果分析

       3.1 空氣溫度

       不同的植樹模式會影響氣流，并且在它穿過樹木時會改變方向或速度，因此不同種植模式下的空氣溫度分布也會不同。14:00，離地1.5m處不同植樹模式下空氣溫度的空間分布如圖5所示。圖片顯示6種植樹模式均能降低空氣溫度，受夏季風影響，降溫效果差異主要在建筑的西北方向。整體來看平行布置比三角形布置降溫效果好，只有常綠樹木降溫效果不明顯。C1與C4、C5、C6相比落葉樹木和常綠樹木結合的降溫效果更好，將落葉樹木放在外排比內排降溫效果要好。

       監測點在不同時刻的降溫效果如圖6所示。落葉樹木平行布置的種植模式降溫效果較好，觀測時間內的降溫效果在0.59℃~1.64℃之間。只有常綠樹木的種植模式降溫效果不明顯，在0.25℃~0.99℃之間。綜合來看，不同植樹模式在監測點的降溫效果為：落葉樹木平行布置>落葉樹木三角形布置>內排落葉樹木外排常綠樹木>內排常綠樹木外排落葉樹木>常綠落葉樹木交錯布置>常綠樹木。原因可能是落葉樹木葉面積指數大于常綠樹木，在距離樹木較近的區域降溫效果明顯一些。

圖5 14:00不同樹木種植方式在1.5m處空氣溫度分布圖

圖6 六種植樹模式在監測點的降溫效果

       3.2 生理等效溫度PET

       圖7顯示了包括沒有樹木在內的7種工況的生理等效溫度。沒有樹木的工況具有非常高的PET值，14:00高達40.9℃。種植植被均有降低PET的效果，其中全部種植常綠樹木對降低PET效果最差，PET值在32.2~38.6℃之間，而其他5種工況效果較好。在監測點，落葉樹木平行布置的PET值在30.2~34.4℃之間，14時PET指標降低6.5℃，具有最好的降低PET效果。

圖7 不同種植模式在監測點的PET值

4 結論

       文章采用ENVI-met模擬軟件，研究了夏季高層住宅區內不同植樹模式對微氣候條件和室外熱舒適的影響。實測數據與模擬數據對比結果表明，ENVI-met可以較好的模擬室外熱環境，預測精度較高，測試地點空氣溫度的RMSE為0.56和0.48。

       研究發現，種植樹木可以明顯改善室外熱環境，平行布置比三角形布置更有利于降低室外溫度，只有常綠樹木改善效果不明顯。不同的植樹模式對不同位置的改善效果不一樣。處于建筑物背風區的地點，常綠樹木與落葉樹木結合改善室外熱環境效果較好，降溫1.5℃；處于迎風區的地點，落葉樹木比常綠樹木和落葉樹木結合種植的效果要好，降溫1.64℃，PET在30.2~34.4℃之間，降低6.5℃。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期（第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。