綿陽城市高密度社區(qū)室外熱環(huán)境改善策略的數(shù)值模擬分析

蘭海峰，成 斌（西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 四川 綿陽 621010）

隨著城市化的進程對城市氣候的負面影響越發(fā)顯著，城市的熱島效應(yīng)越發(fā)明顯，導(dǎo)致城市室外空間質(zhì)量不斷惡化[1-3]。一方面，室外熱舒適性受到城市形態(tài)的影響，可以通過天空視角因子（SVF）、高寬比以及建筑物高度和覆蓋范圍以量化。但是，城市形態(tài)對行人熱感的影響本質(zhì)上是復(fù)雜的。因為建筑物會提供遮陽和減少通風(fēng)，導(dǎo)致對行人的熱舒適性產(chǎn)生相反的影響，街道幾何設(shè)計對熱帶和亞熱帶氣候的戶外熱舒適性亦有重要影響[4-8]。另一方面，城市的下墊面類型也與城室外熱舒適息息相關(guān)，礦物、混凝土和瀝青等材料取代自然的透水性表面，從而導(dǎo)致大量的太陽輻射被儲存起來，繼而重新散發(fā)在城市空間中。同時，建筑高度的增加導(dǎo)致天空視角因子（SVF）的降低，更多的短波和長波輻射被困在街巷中，阻礙了城市降溫，從而導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)越發(fā)嚴重，強烈影響人體的熱舒適，同時增加了城市能源消耗[9-13]。

在國內(nèi)外的數(shù)值模擬研究中，Emmanuel 等人將高寬比從 1 增加到 3 使得生理等效溫度（PET）降低約 10 K。Lau 等人發(fā)現(xiàn)南北朝向的街巷平均輻射溫度（Tmrt）遠低于東西方向，因為東西朝向的街巷太陽輻射暴露時間更長。此外，城市地區(qū)的植被是提供行人熱舒適的基本要素，因為其通過蒸發(fā)和陰影提供冷卻效果[6,8,14-17]。

本文在分析總結(jié)不同的降溫策略后，選取了位于四川盆地典型的山地城市綿陽的一處高密度社區(qū)為研究對象，采用ENVI-MET 三維微氣候模擬軟件，模擬在地面上采取反射率的降溫材料、增加地面樹木的數(shù)量和體積以及此兩種策略融合的 3 種降溫策略對改善城市的表面溫度、空氣溫度和平均輻射溫度的作用進行研究分析。旨在為空間和氣候特征相似地區(qū)的城市熱環(huán)境的改造項目提供有用的參考價值。

1 研究區(qū)域概況

四川省綿陽市地處中國東部季風(fēng)區(qū)的四川盆地亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。冬半年受偏北氣流控制，氣候干冷少雨；夏半年受偏南氣流控制，氣候炎熱、多雨、潮濕。由于市境內(nèi)地勢北高南低，高低懸殊大，地貌由山地向丘陵過渡，形成了較為獨特的氣候特點[17]。綿陽市氣候四季分明，夏、秋雨水充沛，雖冬春時有干旱發(fā)生，但年平均空氣相對濕度均在70% 以上，因而終年濕潤。綿陽市一年中最冷的一月平均氣溫為 3.9～6.2 ℃，歷年極端最低氣溫為 －4.5～－7.3 ℃。一年中最熱的七月平均氣溫為 24.2～27.2 ℃，歷年極端最高氣溫在 36.1～38.9 ℃ 之間。在試驗的這一年，較悶熱階段持續(xù) 3.9 月時長，從 5 月 25 日到 9 月 23 日，在此階段至少有24% 的時間舒適度為悶熱、壓抑或難受。一年中最悶熱的一天是 8 月 1 日，94% 的時間會出現(xiàn)悶熱情況。

本研究選取了位于綿陽市中心附近的一處高密度社區(qū)。該地塊面積 32 000 m2，人口、建筑密集，建筑密度高達40% 左右，是一個開放的商住混合社區(qū)。大部分建筑為 7～8 層樓高，開放空間僅限于建筑體量之間的街道和不規(guī)則形狀的庭院。街巷的高寬比(H/D)變化范圍為 1.0 ～ 1.6，部分較窄的街巷的(H/D)接近 2。屋頂多為水泥鋪裝，路面由瀝青和混凝土鋪裝材料覆蓋，只有一小部分被土壤和其他滲透性材料覆蓋。植被由低矮的樹木和灌木組成，只在主要街道的人行道上種植著數(shù)量有限的高大茂盛的樹木。

2 研究方法和工具

本研究用到的 ENVI-MET 軟件是基于流體動力學(xué)和熱力學(xué)基本規(guī)律的三維微氣候模擬軟件，用于模擬城市環(huán)境中復(fù)雜的地表、植被、空氣的相互作用。主要需要輸入 2 個文件：① 模型文件，其中定義了建筑布局、植被、土壤類型、傳感器和項目位置參數(shù)；② 配置文件，包含氣象參數(shù)初始化值的模擬設(shè)置、輸出文件名稱的定義和時間。ENVIMET 微氣候模擬軟件在大量關(guān)于城市熱島和人體熱應(yīng)激緩解策略的科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用[6,15-18]。

2.1 模擬場景

根據(jù)研究目的一共設(shè)置了 4 個模擬場景。案例 1：維持社區(qū)現(xiàn)狀，采用常規(guī)的黑瀝青和混凝土材料，葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI)低；案例2：完全替換常規(guī)混凝土路面和瀝青路面，使用相應(yīng)的高反射率和發(fā)射率的灰色降溫材料；案例3：增加主街道內(nèi)高大茂密樹木的數(shù)量及樹冠的寬度，LAI 顯著提高；案例4：既使用灰色降溫材料也增加LAI 兩種改善策略的結(jié)合。

其中，降溫材料是指具有較高的太陽反射率和較高的紅外發(fā)射率，被認為是解決城市熱島問題的一種方法?；跓嵛锢硖匦裕湮崭俚奶栞椛?，導(dǎo)致更低的儲熱和更小的表面溫度。LAI 是指一定土地面積上植物葉面面積總和與土地面積之比，LAI 控制植被的各種生物和物理過程，如光合作用、呼吸作用、植被蒸騰、碳循環(huán)和降雨截留，是描述植被冠層結(jié)構(gòu)的最基本的參量之一。表 1 詳細說明了 4 種案例的模型參數(shù)設(shè)置，圖 1 展示了 4 個案例的ENVI-MET 模型。

表 1 4 個案例的模型參數(shù)比較

圖 1 4 個案例的 ENVI-MET 模型

2.2 ENVI-MET 模擬設(shè)置

時間設(shè)置為綿陽的夏季典型日 2018 年 8 月 1 日全天24 h。模擬所需要的氣象參數(shù)設(shè)置如下：① 風(fēng)速度在 10 m被設(shè)定到 0.8 m/s（根據(jù)到國家氣象局數(shù)據(jù)）；② 空氣溫度和相對濕度每小時數(shù)據(jù)從附近的氣象站獲得；③ ENVI-MET模型頂部粗糙度和濕度使用默認值，建筑物的墻壁和屋頂反射率值分別設(shè)定為 0.40 和 0.30。所有模型初始化參數(shù)如表 2 所示。

表 2 輸入 ENVI-MET 模擬初始化參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

為更為直觀地觀察各種降溫策略發(fā)揮的作用，均采取了太陽輻射強時間段—中午 12 點的模擬結(jié)果進行對比分析。其表面溫度模擬結(jié)果比較如圖 2 所示，空氣溫度模擬結(jié)果比較如圖 3 所示。

圖 2 表面溫度模擬結(jié)果比較

圖 3 空氣溫度模擬結(jié)果比較

圖 2 中，案例 1 顯示了現(xiàn)狀情況模擬結(jié)果的表面溫度分布，案例 2～4 表示了其模擬結(jié)果與案例 1 的表面溫度差值。圖 3 中，案例 1 表示將溫度截面設(shè)置為 1.2 m 處，人體能對環(huán)境溫度感知的高度的空氣溫度模擬分布結(jié)果。案例2～4 表示了其模擬結(jié)果與案例 1 的空氣溫度差值。

3.1 降溫材料對表面溫度和空氣溫度的影響

對比分析案例 2 與案例 1 在外北街處于陰影中的地面呈現(xiàn)出較小的表面溫度變化，幅度為 0.3～2.0 K。直接暴露于地面瀝青和水泥路面的表面溫度的材料下降幅度達到6.0～8.5 K 和 8.0～10.5 K。萬和街的地面完全暴露在太陽輻射下，表面溫度的降低明顯在瀝青和混凝土路面上分別下降了 8 K 和 9 K。在較為寬闊的西北—東南向的紅星街，因為街巷的H/D的較小原因，表面溫度減低幅度最低，為4.0～5.5 K?？臻g溫度的模擬結(jié)果顯示，當分別為增加瀝青和路面反射率 0.28 和 0.40，分別在外北街和紅星街的空氣溫度下降 0.3～0.5 K 和 0.4～0.6 K。在太陽可直射的地方變化幅度最大，接近 0.65 K，而在建筑或樹冠的陰影部分變化幅度最低為 0.25～0.35 K。

3.2 增加植被對表面溫度和空氣溫度的影響

對比案例 1，案例 3 在外北街兩側(cè)創(chuàng)造一個連續(xù)遮蔭的樹冠街道。在紅星街和萬和街用更高、更密集的樹木取代了現(xiàn)有的樹木。如圖 2、圖 3 所示，無論對表面溫度還是空氣溫度，新增的樹木遮蔭陰區(qū)是溫度下降的主要位置，表面溫度下降幅度達到了 7～16 K，空氣溫度減低了0.03～0.25 K。但在無植被變化的地方，表面、空氣溫度變化幾乎為零。表面溫度變化的最大值地區(qū)為外北街以前無綠化覆蓋的部分，當樹木的遮陰覆蓋了 75% 的街道寬度時，表面溫度下降幅度達到 16 K?？諝鉁囟茸兓畲蟮牡胤绞侨f和街的東側(cè)，空氣溫度下降了 0.25 K。植被對表面、空氣溫度的降低影響主要在街巷范圍內(nèi)，也就是僅限于 LAI 顯著提高的地區(qū)，就影響范圍而言空氣溫度大于表面溫度。

3.3 綜合方法對表面溫度和空氣溫度的影響

通過對 4 個案例的橫向?qū)Ρ瓤芍?，使用將降溫材料與增添植被的方式相結(jié)合的策略比單獨使用降溫材料導(dǎo)致的表面溫度和空氣溫度的變化更為顯著，變化范圍也更廣。瀝青路面和混凝土路面的表面溫度與基本情況(案例 1)相比要低得多，最大降幅位于太陽能直射的區(qū)域，達 17 K；而非太陽直射區(qū)（陰影區(qū)）的變化不明顯，降幅為 1～2.5 K。在外北街、紅星街空氣溫度的降低接近 0.5～0.6 K。但是空氣溫度變化最大是萬和街，下降了最大幅度為 0.8 K。在研究區(qū)的其他大多數(shù)地區(qū)，因為建筑體積引起的遮陰空間不同，氣溫下降也在 0.4～0.5 K 之間變化。

3.4 不同策略對平均輻射溫度、空氣溫度的影響

平均輻射溫度(Tmrt)是指太陽輻照和不同表面溫度環(huán)境對某一特定點的短波和長波輻射通量。其被認為對許多用于計算人體熱舒適的熱生理指標的十分重要的，比如生理等效溫度、標準有效溫度和通用熱氣候指數(shù)等。圖 4 展示了高度為 1.2 m 處的不同測點位置：P 1 為暴露的混凝土路面(案例3 樹冠遮蔽)，P 2 為樹陰遮蔽的混凝土路面，P 3 為街道中暴露瀝青路面，P 4 為人行道邊界處暴露瀝青路面(案例 3 樹冠遮蔽)。表 3 總結(jié)了 4 個案例模擬結(jié)果的平均輻射溫度和空氣溫度。

圖 4 測點位置圖

表 3 4 個案例模擬結(jié)果的平均輻射溫度和空氣溫度

從表 3 可知，相比對那些現(xiàn)狀受樹冠遮蔽的位置（即 P 2），暴露于太陽直射的地方平均輻射明顯更高（即 P 1、P 3、P 4）最大的溫差達到了 17.00 K（P 4－P 2）。當案例 2增加混凝土和瀝青路面的反射率時，P 1、P 3 和 P 4 的平均輻射溫度平均上升接近 4.5 K，P 2 的上升較低，為 2.2 K。但是測試點的空氣氣溫均有所下降，幅度為 0.31 ～0.46 K。當案例 3 采取增加植被的方式后，P 1 和 P 4 點位于在樹冠遮蔽的平均輻射溫度下降顯著減少 20.5 K 和 16.6 K，而 P 2平均輻射溫度的改變不明顯。這是因為其原本就處于樹冠遮蔽的位置。P 3 無變化，仍處于無樹蔭下的瀝青路面上，所以平均輻射溫度幾乎沒變，就空氣溫度而言變化幅度不大，下降了 0.12～0.18 K。案例 4 中的平均輻射溫度變化與案例2 相似，變化幅度高于案例 2，但低于案例 3，空氣溫度變化均高于案例 2 和 3，為 0.40～0.56 K。

4 結(jié)果與討論

建立緩解策略、減輕城市化進程對城市小氣候的負面影響的研究結(jié)果已頗多。在此背景下，本文研究了 3 種對城市熱環(huán)境緩解策略：① 在地面上應(yīng)用具有高太陽反射率和高發(fā)射率的冷材料；② 在街巷空間內(nèi)增加綠地和樹木；③ 上述方法的結(jié)合。

使用微氣候模擬軟件 ENVI-MET，在典型夏季日，對當前條件和措施干預(yù)后的城市熱環(huán)境的模擬結(jié)果進行對比分析。結(jié)果表明，高反射率的降溫材料將更多的太陽輻射波反射回空中，相對于傳統(tǒng)材料而言吸收了較少的熱量，因而具有顯著的表面溫度降低效果。在空氣對流換熱的作用下，表面溫度的降低導(dǎo)致空氣溫度的降低。但這一策略的缺點為會增加環(huán)境中的輻射交換，造成環(huán)境中的平均輻射溫度提高，從而影響了人體的熱平衡，存在潛在降低行人的熱舒適度的可能性。

城市綠化，包括更多的樹木和公園區(qū)域，作為一種解決城市空氣溫度升高和緩解行人熱不適的方法，已被廣泛應(yīng)用。由于有了樹冠的遮蔽，大量的輻射波被樹冠反射或吸收，地面受到的太陽輻射極大減少，樹蔭區(qū)的地表溫度和平均輻射溫度降低作用明顯。模擬結(jié)果顯示，最大能降低33% 的地面 1.2 m 處的平均輻射溫度。與此同時，植物也可以通過蒸騰作用吸收環(huán)境中的熱量，通過與低溫地面的空氣對流換熱以達到降低空氣溫度的作用。但是此方法的缺點在于對溫度影響的空間范圍比較有限。

與單獨施加其中一種策略相比，在街道空間中內(nèi)結(jié)合使用高反射率、高發(fā)射率的降溫的材料和種植密集的植被，導(dǎo)致了更顯著的表面溫度和的空氣溫度降低，并且彌補了二者各自存在的不足。此方法是一種更有效的方法來改善城市微氣候，且不影響行人的熱舒適度?？梢?，這是改善城市街區(qū)熱能平衡的解決方案，適合在更大規(guī)模的城市地區(qū)推廣。

5 結(jié) 語

研究結(jié)果表明，在建筑屋頂上大規(guī)模使用降溫材料、打造屋頂植物、安裝太陽能板等方式均可有效解決城市溫度升高及消除其相應(yīng)的負面影響。通過屋頂吸收，反射太陽輻射，轉(zhuǎn)移到地面或建筑物的熱量將減少，從而達到降低溫度、提升環(huán)境熱舒適性的目的。