山东建筑大学  杨丽娜  闫春辉  刘吉营

       【摘  要】居民小区是人员活动的重要场所，但是夏季热环境问题突出，而种植树木可以改善室外热环境。文章使用ENVI-met软件探究不同植树模式对室外热环境的改善效果。结果表明，平行布置树木比三角形布置有利于改善室外热环境；处于建筑物背风区的区域，落叶树木和常绿植物结合种植最有利于降低温度，降低1.5℃；迎风区的区域种植落叶树木最有利于改善室外热环境，PET降低6.5℃；全部种植常绿树木改善室外热环境不明显，降温效果在0.25~0.99℃之间。

       【关键词】室外热环境，ENVI-met，植树模式

0 引言

       现在人们普遍知道，城市人口比村庄更密集，到2020年，中国城市人口已达60%以上^[1]。随着城市化进程的加快，城市建筑的不断增加，城市发展与环境之间的冲突日益明显^[2]。其中气候变化导致的温度上升对生活在城市中的居民产生巨大的负面影响，这一现象降低了居住环境的热舒适，危及城市居民的整体健康[3]。以前的研究表明暴露于高温天气下增加人体不适感和疲劳感，使中暑等有关热的疾病发病率增加，夏季高温还会对心脑血管疾病患者的健康造成危害^[4]。

       为了改善城市室外热环境，研究者从不同角度研究城市热环境。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热容的材料可以达到降温效果，在城市环境中，高反照率表面材料吸收更多的光，则观察到更高的热应力。Lin^[7]等人探究具有不同高宽比的街道峡谷的热环境和热舒适，结果表明高SVF（天空可视系数）会在夏天引起不适，而低SVF会在冬天引起不适，因此应该合理规划室外环境。一些研究表明，植树在调节气候和降低建筑能耗等方面比其他因素有效^[8-10]。绿化对夏季城市热环境的影响主要表现在三方面：遮阳、蒸腾作用和降低城市风速。首先，树木通过遮阳可以减少短波辐射，降低空气温度和表面温度^{[11, 12]}。第二，蒸腾作用会增加植被周围的湿度，水分的蒸发会降低植被周围的空气温度^[13]。最后，树木可以通过控制气流、降低风速来影响城市微气候^[13]。

       景观格局和不同的植树模式对室外热环境有不同的影响。Yang等人^[14]针对峡谷街道的植树模式研究，得出树木与周围建筑物的布局共同影响室外热舒适，街道树紧贴街道建筑物时会提供较好的改善热环境效果。Babak等人^[15] 得出，在垂直于盛行风向上，矩形布置比三角形布置更有利于提高室外热舒适，提出了外排常绿树木、内排落叶乔木的矩形布置是改善室外热环境的最佳条件。因此，通过采用适当的种植设计和植树模式，可以有效提高室外热舒适。

       以往的研究中大多集中在树木对改善室外热环境的重要性，但关于什么是最有效的种植模式的研究却很少。因此本文借助ENVI-met软件，模拟居住小区内不同植树模式改善室外热环境的效果，可以帮助城市规划师引入最佳的种植模式，使绿化更高效。

1 研究方法

       1.1 ENVI-met模拟基础

       首先用ENVI-met软件对研究区域进行模拟。在此基础上，将模拟的输出结果与实测结果比较，验证模型的可行性。然后针对小区内某栋典型建筑，提出不同的树木种植方案，使用ENVI-met软件模拟。最后，对模型中提出的方案进行对比，验证最佳的种植模式。

       ENVI-met是三维（3D）非静水微气候和计算流体动力学模型。该软件的空间分辨率为0.5~10m，模拟周期为24~72h，时间分辨率为10s。ENVI-met软件基于热力学、计算流体力学及城市生态学，并充分考虑城市小尺度空间内地面、植被、建筑和大气之间的相互作用，模拟再现城市大气数值动态变化的进程。包括建筑周围环境的空气流动、湍流、植物与周围环境的热量和水分交换、微粒扩散，地面及建筑表面的热量交换和水汽交换等。ENVI-met软件模拟城市室外热环境方面的可靠性被多次证实^[16-18]。

       1.2 热舒适指数

       研究采用生理等效温度PET（Physiological Equivalent Temperature）作为评估室外热环境指标。PET基于慕尼黑个人能量平衡方程^[19]，描述人体表面的热平衡状态，当皮肤接受的热量与人体核心热量相等时，认为是中性状态。如表1，根据热感觉投票TSV，PET从极冷到极热共分九个等级。

表1 PET值与热感觉

2 现场测试与模拟工况

       2.1 实测地点概况

       研究地点位于山东省济南市住宅雪山和苑，属于温带季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。雪山和苑多以高层住宅为主，场地平整，建筑布局单一，绿化方式较为普遍，多以灌木和较矮树木为主。

       现场测试时间为2019年9月30日，9:00-17:00，测试期间天气晴朗。实验设置两个监测点，测点1位于广场无绿化区域，测点2位于绿化区，如图1（a），红色圆圈代表测点位置。测试仪器采用iButton纽扣温度计记录空气温度和相对湿度，同时使用轻质百叶窗（防辐射通风罩）以防止辐射对测量结果的影响， JA-IAQ-50测试仪记录微风风速。测点图片如图1（b）。 

                        图1 （a）测试区域地理位置                       （b）测点图片

       2.2 模型验证

       根据实测居民楼室外热环境数据及其周围现状，使用ENVI-met软件建立验证模型如图2。选取9月30日为数值模拟日期，从0:00开始，模拟时长为18h。气象边界条件根据实测获得，最高温度为32℃，最低26℃，相对湿度最高为50%，最低27%，离地10米处风速为1.4m/s，风向为东南风135°。模型内建筑、植被基于住宅的实际情况。

图2 居民楼数值模拟图

       将两个监测点的实测空气温度与ENVI-met模拟空气温度对比结果如图3 所示，虽然存在一定误差，但实测值与模拟值的变化趋势一致。

       采用均方根误差RMSE对模型精度进行评价，计算公式为：

       

       经计算，测点1的RMSE为0.56，测点2的RMSE为0.48，说明ENVI-met能较好的模拟室外热环境。

图3 实测数据与模拟数据对比

       2.3 参数设置和模拟工况

       为进一步探讨居住小区内植树模式对室外热环境的影响，研究采用ENVI-met软件模拟小区内典型建筑及其周围环境在不同种植模式下的热舒适。以验证的居民小区模型为基础，为更好的反映夏季室外热环境特征，采用济南典型气象年数据，选取的模拟日期为夏季典型气象日7月23日，模型设置见表2。

表2 模型参数设置

 

       模拟案例包括7种工况，包括一个没有树木的基本工况（C0）和不同植树模式的6种工况。研究设置了两种类型的树木排列方式，矩形（C1）和三角形（C2）；根据树木种类，对矩形植树模式设置了5种种植方式，分别为落叶树木（C1）、常绿树木（C3）、外排常绿树木内排落叶树木（C4）、内排常绿树木外排落叶树木（C5）、常绿落叶树木交错布置（C6），工况设置如表3所示。落叶树木和常绿树木的高度均为15m。综合考虑树木与建筑物的位置和人员经常活动场所，在居民楼附近选取一监测点用于评估不同植树模式的降温效果。种植模式及监测点的位置如图4所示。

表3 不同种植模式工况表


图4 （a）落叶树木矩形布置C1       （b）落叶树木三角形布置C2

3 结果分析

       3.1 空气温度

       不同的植树模式会影响气流，并且在它穿过树木时会改变方向或速度，因此不同种植模式下的空气温度分布也会不同。14:00，离地1.5m处不同植树模式下空气温度的空间分布如图5所示。图片显示6种植树模式均能降低空气温度，受夏季风影响，降温效果差异主要在建筑的西北方向。整体来看平行布置比三角形布置降温效果好，只有常绿树木降温效果不明显。C1与C4、C5、C6相比落叶树木和常绿树木结合的降温效果更好，将落叶树木放在外排比内排降温效果要好。

       监测点在不同时刻的降温效果如图6所示。落叶树木平行布置的种植模式降温效果较好，观测时间内的降温效果在0.59℃~1.64℃之间。只有常绿树木的种植模式降温效果不明显，在0.25℃~0.99℃之间。综合来看，不同植树模式在监测点的降温效果为：落叶树木平行布置>落叶树木三角形布置>内排落叶树木外排常绿树木>内排常绿树木外排落叶树木>常绿落叶树木交错布置>常绿树木。原因可能是落叶树木叶面积指数大于常绿树木，在距离树木较近的区域降温效果明显一些。

图5 14:00不同树木种植方式在1.5m处空气温度分布图

图6 六种植树模式在监测点的降温效果

       3.2 生理等效温度PET

       图7显示了包括没有树木在内的7种工况的生理等效温度。没有树木的工况具有非常高的PET值，14:00高达40.9℃。种植植被均有降低PET的效果，其中全部种植常绿树木对降低PET效果最差，PET值在32.2~38.6℃之间，而其他5种工况效果较好。在监测点，落叶树木平行布置的PET值在30.2~34.4℃之间，14时PET指标降低6.5℃，具有最好的降低PET效果。

图7 不同种植模式在监测点的PET值

4 结论

       文章采用ENVI-met模拟软件，研究了夏季高层住宅区内不同植树模式对微气候条件和室外热舒适的影响。实测数据与模拟数据对比结果表明，ENVI-met可以较好的模拟室外热环境，预测精度较高，测试地点空气温度的RMSE为0.56和0.48。

       研究发现，种植树木可以明显改善室外热环境，平行布置比三角形布置更有利于降低室外温度，只有常绿树木改善效果不明显。不同的植树模式对不同位置的改善效果不一样。处于建筑物背风区的地点，常绿树木与落叶树木结合改善室外热环境效果较好，降温1.5℃；处于迎风区的地点，落叶树木比常绿树木和落叶树木结合种植的效果要好，降温1.64℃，PET在30.2~34.4℃之间，降低6.5℃。

参考文献

       [1] 中华人民共和国2019年国民经济和社会发展统计公报, 北京, 2021.
       [2] Morakinyo T E, Kong L, Lau K K-L, et al. A study on the impact of shadow-cast and tree species on in-canyon and neighborhood's thermal comfort [J]. Building and Environment, 2017, 115: 1-17.
       [3] Lu J, Li Q, Zeng L, et al. A micro-climatic study on cooling effect of an urban park in a hot and humid climate [J]. Sustainable Cities Society, 2017: 513-522.
       [4] George L, Michael M. Climate change and extreme heat events [J]. Climate Change, 2008, (35): 429-435.
       [5] Taleghani, Mohammad. The impact of increasing urban surface albedo on outdoor summer thermal comfort within a university campus [J]. Urban Climate, 2018, 24(24): 175-184.
       [6] 马金辉, 唐鸣放, 李良, 等. 重庆市区公交站台夏季热环境研究 [J]. 建筑科学, 2020, 36(12): 133-139+158.
       [7] Lin T P, Matzarakis A, Hwang R L. Shading effect on long-term outdoor thermal comfort [J]. Building Environment, 2010, 45(1): 213-221.
       [8] El-Bardisy W M, Fahmy M, El-Gohary G F. Climatic Sensitive Landscape Design: Towards a Better Microclimate through Plantation in Public Schools, Cairo, Egypt [J]. Procedia Social Behavioral Sciences, 2016, 216: 206-216.
       [9] 刘海萍, 宋德萱. 绿化类型对高密度城市住区的热环境影响研究 [J]. 建筑科学, 2018, 034(2): 66-73.
       [10] 续成平. 树木对小区热环境及建筑能耗影响的模拟分析 [D]: 山东建筑大学, 2020.
       [11] Lee H, Mayer H, Schindler D J M Z. Importance of 3-D radiant flux densities for outdoor human thermal comfort on clear-sky summer days in Freiburg, Southwest Germany [J]. Meteorologische Zeitschrift, 2014, 23(3): 315-330.
       [12] Lee H, Mayer H, Kuttler W. Impact of the spacing between tree crowns on the mitigation of daytime heat stress for pedestrians inside E-W urban street canyons under Central European conditions [J]. Urban Forestry & Urban Greening, 2020, 48: 126558.
       [13] Perini K, Chokhachian A, Auer T. Chapter 3.3 - Green Streets to Enhance Outdoor Comfort [M]//PéREZ G, PERINI K. Nature Based Strategies for Urban and Building Sustainability. Butterworth-Heinemann. 2018: 119-129.
       [14] Yang Y, Zhou D, Gao W, et al. Simulation on the impacts of the street tree pattern on built summer thermal comfort in cold region of China [J]. Sustainable Cities and Society, 2018, 37: 563-580.
       [15] Abdi B, Hami A, Zarehaghi D. Impact of small-scale tree planting patterns on outdoor cooling and thermal comfort [J]. Sustainable Cities Society, 2020, 56: 102085.
       [16] 杨小山. 室外微气候对建筑空调能耗影响的模拟方法研究 [D]: 华南理工大学, 2012.
       [17] 刘晶. 基于热环境的广州住区静态水景设计策略研究 [D]: 华南理工大学, 2019.
       [18] 张丽. 基于微气候的拉萨城市住区空间形态优化研究 [D]: 西南交通大学, 2019.
       [19] Höppe P. The physiological equivalent temperature-A universal index for the biometeorological assessment of the thermal environment [J]. Int J Biometeorol, 1999, 43: 71-75.

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。