濕熱地區(qū)景觀要素配置對園林熱環(huán)境的影響研究

薛思寒 肖毅強(qiáng) 王 琨

城市園林作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，既能展示城市風(fēng)貌，提升城市品質(zhì)，又有助于改善城市環(huán)境，減緩城市熱島效應(yīng)。21世紀(jì)初，韓國首爾清溪川改造后，氣象觀測數(shù)據(jù)表明河道恢復(fù)對減輕城市熱島作用顯著[1]；2010年Bowler等人研究指出城市公園的氣溫可以比未綠化地區(qū)低10℃左右[2]。此外，眾多研究表明，植被、水體等景觀要素能夠調(diào)節(jié)城市微氣候[3-9]，景觀要素的不同組合方式和配置比例影響園林熱環(huán)境的均勻狀況[10-11]。可見，合理的景觀要素配置能夠有效地發(fā)揮城市園林的微氣候效應(yīng)。

嶺南園林作為中國園林的三大流派之一，巧妙地將居住功能與自然空間融為一體，在地勢、氣候、文化等多種因素的共同作用下，形成了獨(dú)有的地域特色，精明地應(yīng)對了嶺南的濕熱氣候，創(chuàng)造了良好的居住環(huán)境。本文重點(diǎn)對具有氣候適應(yīng)性的傳統(tǒng)嶺南園林進(jìn)行定量研究，借助城市熱環(huán)境模擬軟件，對比不同景觀要素配置下園林室外熱環(huán)境時(shí)空分布特征，分析景觀要素與園林熱環(huán)境的關(guān)聯(lián)作用，從嶺南傳統(tǒng)園林中提煉景觀要素配置方法，更好地指導(dǎo)當(dāng)代園林設(shè)計(jì)，改善園林微氣候環(huán)境，提高園林空間使用率，同時(shí)緩解城市熱島。

1 研究方法

1.1 研究對象

選取嶺南傳統(tǒng)園林代表——東莞可園作為研究對象。該園建于清代，位于廣東省東莞市，占地約3.3畝(約2200m2)，布局高低錯(cuò)落，曲折回環(huán)，虛實(shí)有度[12]。在有限的空間內(nèi)再現(xiàn)了大自然的景色，達(dá)到小中見大的效果。該園是典型的以居住功能為主的園林，由建筑圍合出的2個(gè)“庭”(圖1)，2個(gè)庭面積相似，錯(cuò)列排布。選取其中同時(shí)包含喬木和水體的西庭展開主要研究。

1.2 模擬軟件

Envi-met是德國開發(fā)的一款適用于城市中小尺度的微環(huán)境模擬軟件。該軟件基于熱力學(xué)和流體力學(xué)原理，能動(dòng)態(tài)模擬建筑外表面、植被和空氣之間的互相作用，使室外熱環(huán)境分析可視化[13]。該軟件已在國內(nèi)外城市設(shè)計(jì)、村落、住區(qū)、校園等相關(guān)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。在嶺南園林方面，筆者已對該軟件精確性進(jìn)行詳細(xì)校驗(yàn)[10-11]，證實(shí)其對園林熱環(huán)境空間分布特征分析具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.3 模擬工況

嶺南地區(qū)屬于濕熱氣候，選擇最能反映氣候特點(diǎn)的夏季典型日(7月11日)進(jìn)行模擬。對現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)嶺南園林進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，確定景觀要素的水平，并對模擬工況進(jìn)行編號(hào)。用喬木樹冠在陽光直射下在地面的總投影面積與庭單元面積的比來反應(yīng)喬木遮蔽地面的程度，確定3種喬木覆蓋率水平分別為0.15、0.43、0.78，作為工況A1、A2、A3；選取2種常見的綠化栽植方式：叢栽、行栽，作為工況B1、B2；用水面積占園林面積的百分比表示水面積的大小，確定3種水體面積水平：10%、30%、60%，作為工況C1、C2、C3。在東庭保持現(xiàn)狀的情況下，按照上述8種工況改變西庭景觀要素配置進(jìn)行熱環(huán)境模擬。

1.4 評價(jià)指標(biāo)

生理等效溫度(physiological Equivalent Temperature，PET)是考慮了空氣溫度(Ta)、相對濕度(RH)、風(fēng)速(Va)、平均輻射溫度(MRT)等氣象參數(shù)，同時(shí)關(guān)注人的活動(dòng)產(chǎn)熱、新陳代謝率、服裝熱阻等個(gè)體參數(shù)形成的綜合指標(biāo)。它是現(xiàn)今不同氣候下較為常用的評價(jià)指標(biāo)之一，已成為被德國工程協(xié)會(huì)(Verein Deutscher Ingenieure，VDI)認(rèn)可的對不同氣候的熱舒適評價(jià)指標(biāo)。

圖1 可園平面示意圖

圖2 不同喬木覆蓋率下園林室外MRT比較

2 模擬結(jié)果與討論

研究表明，夏季戶外活動(dòng)的人數(shù)與熱環(huán)境舒適度相關(guān)，其中與MRT和Ta的相關(guān)性最高[14]。故下文重點(diǎn)分析MRT和Ta與景觀要素之間的關(guān)系，并進(jìn)一步討論景觀要素配置對PET的影響。

圖3 不同綠化栽植方式下園林室外MRT比較

圖4 不同水體面積園林室外MRT比較

2.1 MRT與景觀要素的關(guān)系

對比喬木覆蓋率不同的3種工況下MRT的分布情況(圖2)，由于喬木對太陽輻射遮擋作用明顯，西庭空間范圍內(nèi)MRT的平均值總體呈現(xiàn)MRT(A1)〉 MRT(A2)〉MRT(A3)。8：00時(shí)三者M(jìn)RT差異不大，局部差異基本保持在3℃以內(nèi)；隨太陽高度角增大，太陽輻射增強(qiáng)，喬木的遮陽作用明顯增強(qiáng)，3種工況下西庭MRT差距亦隨之增大，14：00時(shí)，工況A1與A3室外各點(diǎn)間MRT最大差值超過18℃。

在喬木覆蓋率相同的情況下，改變喬木栽植方式，對比B1和B2這2種工況下室外MRT的時(shí)空分布(圖3)。8：00時(shí)，東西庭交界處MRT差異最大，B2工況的MRT較低；14：00時(shí)，東西庭交界處MRT差異依舊明顯，但此時(shí)B1工況的MRT較低。二者在兩庭交界處的喬木栽植上區(qū)別在于，B1工況為大小喬木配合叢栽，而B2工況為小喬木行栽。由于早上太陽高度角低，高度相對較低，小喬木對近地面太陽直射遮擋作用反而明顯；中午時(shí)段太陽高度角在70～90°，近似垂直照射，冠幅較大的大喬木能形成更大的樹蔭面積，對太陽直射輻射形成有效遮擋。可見，大小喬木能在不同時(shí)段發(fā)揮自身遮陽作用，二者配合栽植，更有利于全天候有效遮陽。

對比不同水面積比例的3種工況下MRT的分布情況。由圖4可知，8：00時(shí)3種工況下MRT基本無差別；隨太陽高度角增大，太陽輻射增強(qiáng)，14：00時(shí)工況C1、C2西庭MRT平均值基本一致，工況C3稍低，差值約3℃，個(gè)別點(diǎn)差值超過18℃。這是由于水體比熱容大，吸熱時(shí)升溫較慢，相比硬質(zhì)鋪地，白天水體表面溫度低，釋放輻射量少，故水體上方近地平均輻射溫度較硬質(zhì)鋪地低，水體面積增加導(dǎo)致周邊平均輻射溫度有一定量的降低，隨著太陽輻射量的增加，這種差異更為明顯。此外，對比發(fā)現(xiàn)同樣增加水體面積時(shí)，樹下空間比非樹下空間局部平均輻射溫度降幅更為顯著?？梢?，水體與植被配合使用可以更有效地改善室外熱環(huán)境。

2.2 Ta與景觀要素的關(guān)系

由模擬結(jié)果可知，不同工況下園林室外各點(diǎn)空氣溫度在早晚差異較小，而在中午時(shí)段差異明顯，故著重分析14：00時(shí)園林室外空氣溫度分布狀況。

對比喬木覆蓋率不同的3種工況(圖5)，由于喬木有效地阻擋了太陽輻射，西庭喬木覆蓋率越大，該區(qū)域內(nèi)14：00時(shí)近地面空氣溫度越低。同時(shí)，西庭的喬木覆蓋率變化導(dǎo)致東庭近地面空氣溫度產(chǎn)生差異。由圖5可知，A2工況東庭14：00時(shí)空氣溫度低于A1、A3兩種工況。這是由于西庭喬木覆蓋率增大，該區(qū)域氣溫降低，導(dǎo)致東西兩庭溫差增大，加速園中空氣流動(dòng)，促進(jìn)散熱，故A2工況東庭氣溫低于A1工況；同時(shí)，園中風(fēng)速增加，也會(huì)使來流風(fēng)向東南向流入的熱空氣量增加，而喬木覆蓋率過大會(huì)對局部散熱有一定的阻礙作用，當(dāng)熱空氣流入量大于散熱量時(shí)，出現(xiàn)東庭局部氣溫偏高現(xiàn)象，故A3工況下東庭氣溫也高于A2工況?？梢?，喬木覆蓋率并不是越大越好，適當(dāng)?shù)膯棠靖采w率更有利于熱環(huán)境的改善。

在喬木覆蓋率相同的情況下，喬木的栽植方式亦對室外空氣溫度有一定影響，且隨著太陽輻射變強(qiáng)，影響逐漸顯著。由圖6可知，14：00時(shí)喬木行栽的B2工況中東庭溫度高于喬木叢栽的B1工況，這是由于大小喬木相結(jié)合的叢栽方式，往往使大喬木在園中接近均布狀態(tài)，相比大喬木集中布置的情況能更好地發(fā)揮大喬木的遮蔽作用，有利于室外熱環(huán)境均勻分布。

圖5 不同綠化覆蓋率下園林室外Ta比較

圖6 不同綠化栽植方式下園林室外Ta比較

圖7 不同水體面積園林室外Ta比較

對比14：00時(shí)C1、C2、C3三種工況下近地面空氣溫度的分布情況(圖7)。其中，西庭水面越大，氣溫越低。這是由于水體的比熱容大, 能減緩其周邊的增溫速度，加之水體蒸發(fā)帶走部分熱量，白天對近地面空氣起到降溫作用，故3種工況下西庭空氣溫度排序?yàn)門a(C3)〈Ta(C2)〈Ta(C1)。而東庭近地面空氣溫度C2工況低于其他2種工況，這是由于西庭水面積增大導(dǎo)致東西兩庭溫差增大，空氣流動(dòng)加快，使來流風(fēng)向流入東庭的熱空氣量增多，同時(shí)由于水面積增大，水面上方的濕度增加，使水面蒸發(fā)速度變慢，對園中空氣散熱有一定程度的影響，當(dāng)東庭散熱沒有吸熱快時(shí)，出現(xiàn)局部溫度升高現(xiàn)象?？梢?，園林中的水體面積并非越大越好，適當(dāng)?shù)乃娲笮〔拍芨玫馗纳浦苓厽岘h(huán)境。

2.3 景觀要素配置對熱環(huán)境的影響

在前文對氣象參數(shù)單獨(dú)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論不同景觀要素配置與熱環(huán)境綜合指標(biāo)PET的影響。通過對比不同工況可園西庭PET逐時(shí)平均值描述園內(nèi)整體熱環(huán)境狀況。由圖8可知，不同的喬木覆蓋率對PET平均值影響最顯著，8：00起差異逐漸明顯，正午時(shí)段差異最大，17：00后差異逐漸縮??；不同水面積比例對PET平均值影響次之，與喬木覆蓋率影響趨勢基本相似；喬木栽植方式對平均PET影響微弱，如前文所述，由于大小喬木在不同時(shí)段發(fā)揮作用，故上午時(shí)段行栽工況下PET平均值稍低，正午時(shí)段叢栽工況下PET平均值稍低。綜合來看，喬木覆蓋率對熱環(huán)境影響最大，水體面積比例次之，喬木栽植方式影響最小。

已有研究證實(shí)夏季嶺南園林室外PET超過42.6℃時(shí)，人體熱感覺為熱[15]。在對比了PET逐時(shí)平均值的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)不同工況下熱感覺等級低于“熱”，即PET低于42.6℃的比例，進(jìn)一步分析景觀要素對室外活動(dòng)范圍內(nèi)熱環(huán)境的改善作用。由圖9可知，總體上景觀要素的水平變化對夏季白天室外熱環(huán)境確實(shí)能起到調(diào)節(jié)作用，但在炎熱的中午時(shí)段單獨(dú)調(diào)節(jié)3種景觀要素很難使熱環(huán)境有明顯改善，需要進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)要素的配合作用。其他室外活動(dòng)頻繁發(fā)生的時(shí)段，景觀要素的調(diào)節(jié)作用相對明顯。不同喬木覆蓋率的3種工況下，8：00—10：00西庭活動(dòng)范圍A3工況熱環(huán)境最優(yōu)、A2次之、A1最差，隨時(shí)間推移，A2和A3工況熱環(huán)境差異減小，11：00起兩者基本無差別；12：00—15：00植被覆蓋率變化對熱環(huán)境改善作用微弱；16：00以后A2工況熱環(huán)境略優(yōu)于A1、A3。不同喬木栽植方式工況下，9：00前，B2工況熱環(huán)境優(yōu)于B1；隨著太陽高度角增大，大喬木遮陽作用逐漸突顯，10：00起，B1工況熱環(huán)境開始優(yōu)于B2；隨著太陽高度角減小，小喬木作用開始明顯，17：00后B1工況熱環(huán)境優(yōu)勢逐漸消失。不同水面積比例的3種工況下，10：00前，西庭活動(dòng)范圍內(nèi)C2工況熱環(huán)境最佳；隨著氣溫升高，水體蒸發(fā)散熱作用加劇，10：00后，水面積最大的C3工況熱環(huán)境最優(yōu)、C2次之、C1最差；同時(shí)，氣溫越高三者差別越小。

圖8 不同工況下西庭PET逐時(shí)平均值比較

圖9 不同工況下西庭活動(dòng)范圍內(nèi)PET〈42.6℃所占比例逐時(shí)比較

3 結(jié)論

通過對不同景觀要素配置下園林夏季熱環(huán)境的模擬分析，證實(shí)景觀要素對園林熱環(huán)境有不同程度的調(diào)節(jié)作用。由于植被覆蓋狀況直接影響近地面獲得太陽輻射量的多少，故增大喬木覆蓋率對園林熱環(huán)境的改善作用最為顯著，而改變喬木栽植方式主要使局部小氣候發(fā)生改變，對整體熱環(huán)境作用微弱。水體面積增加能明顯改善水體上方熱環(huán)境狀況，但對其四周熱環(huán)境的改善效果有限，增大水面積必然導(dǎo)致園林活動(dòng)區(qū)域面積減小，因此水面積的增加一定要適量。另外，水體與植被配合能夠更有效地改善園林熱環(huán)境?？傮w來說，景觀要素合理配置能明顯降低室外平均PET值，使室外熱環(huán)境更接近舒適。但單一景觀要素的改變無法使室外活動(dòng)區(qū)域正午時(shí)段熱感覺等級降低至不熱狀態(tài)，需要進(jìn)一步研究景觀要素之間的配合，以期使園林熱環(huán)境得到更好的改善。

注：文中圖片均由作者繪制。