居住小區(qū)水體對微氣候的作用分析

岳志安，鄒惠芬，馬云龍

（沈陽建筑大學 市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

聯(lián)合國世界城市化發(fā)展報告指出，全球范圍內有50%以上的人口居住在城市地區(qū)[1]，城市地區(qū)的微氣候對人們的生活和工作都有一定影響；每個城市都有獨特的微氣候，微氣候的形成受到地理位置，建筑布局和建筑風環(huán)境的影響；伴隨著植物的蒸騰作用、水體等地表覆蓋物的蒸發(fā)及凝結等，周圍環(huán)境溫度、濕度和風速都會隨之發(fā)生變化[2]；但隨著城市化進程不斷加快，商業(yè)區(qū)面積不斷擴大的同時，原本的自然下墊面占有率逐漸減少，導致城市熱島效應加劇，給長期暴露于室外的人員帶來了身體負擔，同時氣溫的升高促使越來越多的空調設備投入使用，不僅增加了能耗，無形中又加劇了城市的熱島效應。另外，長期處于室內工作，造成兩大不利：病態(tài)建筑綜合癥疾病增多，亞健康人群比例越來越多，室外的綠植、水體環(huán)境成了人們理想的活動空間。

國外眾多學者對城市熱環(huán)境中不同的下墊面類型對微氣候的影響展開了大量研究，而在這方面我國起步較晚，在設計居住小區(qū)的綠化和景觀方面，對氣候因素的考慮還不夠全面，居住小區(qū)內良好的微氣候條件可以創(chuàng)造舒適的熱濕環(huán)境，為人們的戶外活動提供便利，本文選取下墊面中的水體作為主要研究對象進行分析。

1 居住小區(qū)內水體與周圍空氣的熱濕作用機理

下墊面對城市氣候的形成有重要影響，包括土壤，綠植和水體，三者對周圍環(huán)境產(chǎn)生效應的機理和強度各有不同，綠植與周圍空氣的熱質交換主要通過蒸騰作用，光合作用和呼吸作用來進行，土壤主要通過水分的蒸發(fā)來進行，水體與周圍空氣的熱濕交換較前兩種復雜一些，下面就水體與周圍環(huán)境的熱濕交換展開論述。

空氣與水的熱濕交換發(fā)生在空氣與水體表面接觸或空氣與水滴接觸的過程中，包括顯熱交換和潛熱交換，而潛熱交換是在濕交換的過程中發(fā)生的。由于水分子的不規(guī)則運動，在水體表面附近或者水滴的周圍會形成一個邊界層，在邊界層與水體之間存在著水分子的運動，邊界層如圖1所示。

圖1 周圍空氣與水的熱濕交換

該邊界層的溫度與水表面的溫度相同，如果邊界層溫度低于周圍空氣溫度，熱量由水體邊界層進入到周圍空氣，若邊界層溫度高于周圍環(huán)境溫度，則熱量由周圍空氣進入到水體界層；當空氣與水表面接觸時，顯熱交換量由下式計算：

式中：dR:空氣與水在微元表面上的換熱量(W)；

μ：顯熱交換系數(shù)【W(wǎng)(m2·℃)】；

t:周圍空氣溫度（℃）；

tb:邊界層的空氣溫度（℃）。

周圍環(huán)境空氣與水體表面或水滴表面邊界層的濕量交換由水體表面或水滴表面邊界層水蒸氣分壓力(水蒸氣分子濃度)與周圍環(huán)境空氣中水蒸氣分壓力的相對大小決定，當水表面邊界層水蒸氣分壓力大于周圍環(huán)境空氣的水蒸氣分壓力時，水蒸氣分子的運動特征表現(xiàn)為：由邊界層進入周圍空氣的水蒸氣分子數(shù)大于周圍環(huán)境空氣進入水表面邊界層的水蒸氣分子數(shù)[3]，最終結果是周圍環(huán)境空氣中的水蒸氣分子數(shù)增加，反之則減少；當空氣與水在一個微小的表面接觸時，濕交換量由下式計算：

式中: dB: 空氣與水在微元表面上的濕交換量(kg/s)；

α :空氣與水表面的濕交換系數(shù)【kg/(N·s)】；

pq: 周圍空氣的水蒸氣分壓力（Pa）；

pq，b: 邊界層的水蒸氣分壓力（Pa）。

2 水體對微氣候的影響

由上述分析可知，在夏季，白天的水體和周圍空氣在太陽輻射的作用下均會有溫升，但此時水體溫度往往低于周圍環(huán)境的溫度，即水表面邊界層的溫度低于周圍空氣的溫度，在邊界層與水之間產(chǎn)生溫度梯度，熱量由空氣進入水中，周圍空氣溫度下降，達到降溫的效果；而在傍晚，空氣和水體接收的太陽輻射的熱量大大減少，由于水的比熱容大于空氣，其降溫速率遠低于空氣，當空氣的溫度降至水面溫度以下時，熱量就會從水進入空氣，表現(xiàn)為對周圍空氣起到保溫作用[4]。水面和周圍空氣的濕量交換不僅和水蒸氣的分壓力有關還與水面上方的風速有關，綜合各項因素得出的水面蒸發(fā)量的經(jīng)驗模型為式(3)，該模型適用于我國東北，華北和華南地區(qū)[5]。

式中：E:水面蒸發(fā)量（mm/d）；

β150:水面上方1.5m處的風速（m/s）；

e0:飽和水蒸氣分壓力（hpa）；

e150:水面上方1.5m處的水蒸氣分壓力（hpa）。

空氣中的水蒸氣是否達到飽和可以通過測量其干、濕球溫度來判斷，同一焓值狀態(tài)下的空氣，若干球溫度大于濕球溫度，則為不飽和空氣，二者差值越小說明空氣越接近飽和，若干濕球溫度相等則達到飽和狀態(tài)，此時對應的溫度為飽和空氣溫度，而此時對應的水蒸氣分壓力為飽和水蒸氣分壓力。

小區(qū)內良好的微氣候環(huán)境不僅要滿足景觀的需求，還要結合人體對環(huán)境的熱濕反應來評判，通常利用熱舒適的概念來評價微氣候的質量；無論是室內還是室外，最常用的方法是通過研究人體與外界的熱平衡來獲得人體熱舒適情況。熱舒適既要考慮生理需求也要考慮心理需求，即人體不需要采取主動措施增加或減少散熱，也不需要改變原來的知覺習慣就能達到舒適 (Thermal neutrality)。與室外不同的是，室內的熱濕環(huán)境都是可控的，而室外的溫度、風速、太陽輻射等環(huán)境參數(shù)的變化很不規(guī)律，所以營造良好的室外熱舒適環(huán)境還需要考慮水體與其它綠植的組合，不同的水體綠植組團對環(huán)境的微氣候影響各不相同，一種既滿足經(jīng)濟性，又滿足熱舒適和美觀的綠植水體組團對將來的景觀設計提出了更高的要求。

3 結語

本文重點分析了小區(qū)內水體對周圍空氣的作用機理和作用效果，從傳熱和傳濕兩個角度進行闡述，提出了將來居住小區(qū)微氣候的研究方向；總之，小區(qū)微氣候是將來居住小區(qū)景觀綠化設計的過程中應該考慮的一個方面，因為人們大多數(shù)休閑活動都是在這里進行，對舒適的室外環(huán)境的訴求只增不減，良好的室外環(huán)境可以增加人們的體驗感和舒適感，進而提高工作效率。另外，水體在居住小區(qū)內所處的位置和水體表面面積也是景觀設計中需要進一步探討的。