綿陽城市高密度社區室外熱環境改善策略的數值模擬分析

蘭海峰，成 斌（西南科技大學 土木工程與建筑學院， 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顯著，城市的熱島效應越發明顯，導致城市室外空間質量不斷惡化[1-3]。一方面，室外熱舒適性受到城市形態的影響，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，城市形態對行人熱感的影響本質上是復雜的。因為建筑物會提供遮陽和減少通風，導致對行人的熱舒適性產生相反的影響，街道幾何設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，礦物、混凝土和瀝青等材料取代自然的透水性表面，從而導致大量的太陽輻射被儲存起來，繼而重新散發在城市空間中。同時，建筑高度的增加導致天空視角因子（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，從而導致城市熱島效應越發嚴重，強烈影響人體的熱舒適，同時增加了城市能源消耗[9-13]。

在國內外的數值模擬研究中，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 等人發現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，城市地區的植被是提供行人熱舒適的基本要素，因為其通過蒸發和陰影提供冷卻效果[6,8,14-17]。

本文在分析總結不同的降溫策略后，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的城市熱環境的改造項目提供有用的參考價值。

1 研究區域概況

四川省綿陽市地處中國東部季風區的四川盆地亞熱帶濕潤季風氣候區。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 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。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。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和熱力學基本規律的三維微氣候模擬軟件，用于模擬城市環境中復雜的地表、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；② 配置文件，包含氣象參數初始化值的模擬設置、輸出文件名稱的定義和時間。ENVIMET 微氣候模擬軟件在大量關于城市熱島和人體熱應激緩解策略的科學研究中得到了廣泛的應用[6,15-18]。

2.1 模擬場景

根據研究目的一共設置了 4 個模擬場景。案例 1：維持社區現狀，采用常規的黑瀝青和混凝土材料，葉面積指數(Leaf Area Index，LAI)低；案例2：完全替換常規混凝土路面和瀝青路面，使用相應的高反射率和發射率的灰色降溫材料；案例3：增加主街道內高大茂密樹木的數量及樹冠的寬度，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射率，被認為是解決城市熱島問題的一種方法。基于熱物理特性，其吸收更少的太陽輻射，導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、碳循環和降雨截留，是描述植被冠層結構的最基本的參量之一。表 1 詳細說明了 4 種案例的模型參數設置，圖 1 展示了 4 個案例的ENVI-MET 模型。

表 1 4 個案例的模型參數比較

圖 1 4 個案例的 ENVI-MET 模型

2.2 ENVI-MET 模擬設置

時間設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設置如下：① 風速度在 10 m被設定到 0.8 m/s（根據到國家氣象局數據）；② 空氣溫度和相對濕度每小時數據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定為 0.40 和 0.30。所有模型初始化參數如表 2 所示。

表 2 輸入 ENVI-MET 模擬初始化參數

3 模擬結果與分析

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

圖 2 表面溫度模擬結果比較

圖 3 空氣溫度模擬結果比較

圖 2 中，案例 1 顯示了現狀情況模擬結果的表面溫度分布，案例 2～4 表示了其模擬結果與案例 1 的表面溫度差值。圖 3 中，案例 1 表示將溫度截面設置為 1.2 m 處，人體能對環境溫度感知的高度的空氣溫度模擬分布結果。案例2～4 表示了其模擬結果與案例 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。空間溫度的模擬結果顯示，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 在外北街兩側創造一個連續遮蔭的樹冠街道。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。空氣溫度變化最大的地方是萬和街的東側，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，也就是僅限于 LAI 顯著提高的地區，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 個案例的橫向對比可知，使用將降溫材料與增添植被的方式相結合的策略比單獨使用降溫材料導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域，達 17 K；而非太陽直射區（陰影區）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。在研究區的其他大多數地區，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 總結了 4 個案例模擬結果的平均輻射溫度和空氣溫度。

圖 4 測點位置圖

表 3 4 個案例模擬結果的平均輻射溫度和空氣溫度

從表 3 可知，相比對那些現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果已頗多。在此背景下，本文研究了 3 種對城市熱環境緩解策略：① 在地面上應用具有高太陽反射率和高發射率的冷材料；② 在街巷空間內增加綠地和樹木；③ 上述方法的結合。

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后的城市熱環境的模擬結果進行對比分析。結果表明，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，表面溫度的降低導致空氣溫度的降低。但這一策略的缺點為會增加環境中的輻射交換，造成環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，樹蔭區的地表溫度和平均輻射溫度降低作用明顯。模擬結果顯示，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，在街道空間中內結合使用高反射率、高發射率的降溫的材料和種植密集的植被，導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。可見，這是改善城市街區熱能平衡的解決方案，適合在更大規模的城市地區推廣。

5 結 語

研究結果表明，在建筑屋頂上大規模使用降溫材料、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的負面影響。通過屋頂吸收，反射太陽輻射，轉移到地面或建筑物的熱量將減少，從而達到降低溫度、提升環境熱舒適性的目的。