基于ENVI-met的濟南冬季養老機構室外環境熱舒適研究
——以濟南中海錦年福居康養中心為例

孟 涵, 修瑛昌，于守超，劉美辰，周子涵

(聊城大學 農學與農業工程學院, 山東 聊城 252200)

1 引言

第七次人口普查結果表明，2021年我國60歲以上的人口數量達到了26402萬人，占全國總人口數量的18.7%。中國發展研究基金會發布的《中國發展報告2020：中國人口老齡化的發展趨勢和政策》顯示，2035～2050年是中國人口老齡化社會發展的高峰期[1]，因此，養老群體的安置己經成為我國亟待解決的嚴峻問題。人口比例逐年上升的老年群體，由于體質下降及人體器官衰老、各部分機能逐漸下降，身體適應氣候與環境的敏感度較其他群體更高，心理上對親人更為依賴[2]，如何為老年人提供更高質量的戶外休閑活動空間已成為更多景觀學者研究的重要課題。

在量化熱舒適指數的相關研究中，計算機數值模擬技術擁有便捷性、準確性的特點，能夠節省人力、物力、時間等，有利于對較大尺度的空間進行快速數據量化，降低實測成本。目前國內主要使用的計算機模擬軟件包含PHOENICS、Fluent、Rayman、Ecotect、ENVI-met等。其中ENVI-met是由德國Michael Bruse(University of Mainz, Germany)教授等通過研究建筑表面、植被和空氣之間的作用與關系而開發出來的用于城市微氣候數值模擬的分析軟件[3]，該軟件采用三維非靜力流體學模型，適用于對中小尺度空間的熱環境模擬。2008年，Akram Rosheidat利用ENVI-met模擬了亞利桑那州菲尼克斯市中心第一大道和第二大道門羅和亞當斯之間位置的室外熱環境，討論了微觀尺度下人體熱舒適的影響因素，表明了沙漠炎熱干旱環境中戶外熱舒適的影響因素及問題，提出了緩解熱不適的改善策略[4]；2016年，Ferdinando Salata將實測值結合預測平均投票的輸出數據，檢驗了ENVI-met軟件的精確性，驗證了該軟件對氣溫和平均輻射溫度的預測能力[5]；國內利用數值模擬來探討熱舒適的研究起步較晚，2022年，解衛東等學者以合肥市內某高層住宅為研究對象，通過實地監測與ENVI-met模擬，分析了喬木種植對夏季人體熱舒適度的影響，同時分別模擬了不同種植密度、不同樹種及不同的植物配置布局下的微氣候狀況，對住區的熱舒適性提出了優化意見[6]。

老齡化背景下的養老產業日趨興盛，養老機構也在當下社會背景下受到了各年齡階段群體的重點關注。在養老機構的建筑與環境探究方面，室外環境作為院內老年群體近乎唯一的自然活動空間，其環境的熱舒適性對老人的生活有著重要的影響。然而針對養老院室外熱舒適的研究較少，多數熱舒適的評定指標也常適用于身體健康的中青年人，利用計算機科學對養老院空間微氣候進行數值模擬的研究相對更為罕見。因此，此次研究以山東省濟南市中海錦年福居康養中心為研究對象，圍繞3個目的探究分析:①使用ENVI-met對現場實測數據的結果進行驗證，檢測該軟件模擬該地區內室外景觀熱環境、并得出相關微氣候參數的可操作性；②記錄分析濟南市內典型養老機構的冬季熱環境情況，以探討養老機構景觀要素、空間布局等因素對其內部熱舒適性的影響，對制定濟南市內養老機構以熱舒適改善為導向的設計優化策略提供了科學的參考途徑；③為濟南市小尺度景觀空間設計與熱舒適角度作出評價并提出改善策略，對該地區內其他中小尺度的景觀空間設計具有一定的借鑒意義。

2 研究區域概況

本文研究對象位于山東省濟南市( 36°45′N，115°98′E)，屬溫帶季風氣候，四季的基本氣候特點可概括為“春季干旱少雨,夏季溫熱多雨,秋季涼爽干燥,冬季寒冷少雪”，濟南市年平均氣溫為14.7 ℃，平均降水量671.1 mm，最冷月份為1月份，月平均氣溫為-4 ℃。測試地點，位于山東省濟南市市中區九曲莊路68號，項目占地約15000 m2，建筑面積約6542 m2，景觀面積約9000 m2，是集居家、社區、機構養老于一體的綜合型高端養老機構，園區區位與總平面如圖1所示。

圖1 養老機構區位示意圖與平面(筆者改繪)

3 研究方法

3.1 調查問卷

根據對中海錦年福居康養中心的調研與現場訪問情況得知，養老院內共有136名老人，其中具備自理能力的老人占62.5%。結合該養老機構內作息時間表格以及對現場的觀察記錄顯示，機構內84.7%的自理老人在冬季的活動時間為8:00～10:00，以及14:00～16:00。在對老年人行為與其活動空間的實地調查中，分析出老人們對不同活動空間選擇的偏好性，其中57.4%的老人喜歡靜坐在廣場、草坪周邊的座椅上休息、曬太陽，21.6%的老年人喜歡前往健走道鍛煉，平均鍛煉時長約為30～40 min；11.5%的老人也會選擇交流活動區進行下棋、打撲克、收聽廣播、閱讀、種植蔬菜等活動。

3.2 現場實測

老年人身體機能下降，在冬季寒冷氣溫的刺激下，常會出現各種身體不適的情況，因此在冬季更應當重視針對老年人日常活動空間熱環境的改善。本次實測時間為2022年冬季1月份，選擇晴朗、無極端天氣的的典型氣象日進行數據測量與記錄，日最低溫度0 ℃以下。參考調研結果，試驗時間段設置為7：00～8：00、8：00～10：00、14：00～16:00、16:00～17:00為確保實測結果的準確性，研究以實測3 d獲得的算術平均值作為每個時間段的最終試驗結果。實測工具選擇手持式熱力指數計、數字風速儀等儀器進行微氣候測量(表1)，獲取溫度、空氣濕度、風速等氣象數據，進行記錄與均值計算，獲取實測結果并得出基礎分析。考慮到老人平均身高，以及在養老機構中的戶外活動情況，試驗測量高度設置為距地面1.5 m[7]。

表1 實測工具選擇

老人常用活動范圍和園區功能區分布如圖2所示，選擇代表性的空間進行定點取樣實測。最終在此養老機構內選取了5個空間監測點進行溫度、空氣濕度、風速等氣象數據的監測，分別為:①養老院入口形象展示區；②自理老人體驗區；③介護老人觀賞區;④介護老人活動區;⑤功能配套區。

圖2 養老機構功能分區(筆者改繪)

3.3 ENVI-met模擬

本文研究使用了ENVI-met4.43學生版對實測場地進行模擬，通過實測場地得到了建筑高度、下墊面材質、綠地與水體分布及植被情況等環境參數，并繪制出基礎的CAD總平面底圖，再將研究基地平面CAD圖紙以BMP格式導入ENVI-met中作為參照，在ENVI-met中繪制并建立各個建筑體、綠地基地、鋪裝、水體等空間要素。整個基地選取以測試園區邊界110m×85m的范圍進行模擬，在水平方向上設置了37×29個網格, 分辨率為3m。模擬過程中，為了消除頂邊界效應對模擬結果的影響, 三維模型區域的高度設置為內部最高建筑高度的兩倍以上，因此垂直方向上采取等距網格的形式設置9個網格, 分辨率設為3 m。基地的下墊面材質主要分為綠地、混凝土路面、透水磚路面、大理石鋪裝等幾種情況，依據道路及空間的鋪裝分布[8]，以及對場地內各植被樹種的定點分布，在ENVI-met中分別對其進行設定并將各景觀要素導入模型中，最終得到研究區域的模擬模型[9]。

3.4 ENVI-met模擬

本次研究選取從2022年1月18日作為模擬的起始時間，從7:00～18:00，時間步長為11 h。模型主要輸入參數包括基地地理信息、氣象條件、土壤條件和模式輸出參數等[10]。為了提高模擬的準確性，模擬的氣象數據來源于當日實測數據，同時以濟南氣象站獲取了當日空氣溫度、相對濕度、風向風速等氣象數據作為背景數據。

4 結果與分析

4.1 ENVI-met 模擬結果分析

根據對中海錦年福居康養中心的調研與現場訪問情況得知，養老院內共有136名老人，其中具備自理能力的老人占62.5%。結合該養老機構內作息時間表格以及對現場的觀察記錄顯示，機構內84.7%的自理老人在冬季的活動時間為上午8:00～10:00，以及下午14:00～16:00。在對老年人行為與其活動空間的實地調查中，分析出老人們對不同活動空間選擇的偏好性，其中57.4%的老人喜歡靜坐在廣場、草坪周邊的座椅上休息、曬太陽，21.6%的老年人喜歡前往健走道鍛煉，平均鍛煉時長約為30～40 min；11.5%的老人也會選擇交流活動區進行下棋、打撲克、收聽廣播、閱讀、種植蔬菜等活動。

4.1.1 溫度模擬結果與分析

在7:00～8:00時，研究區域內溫度最低可達-0.7 ℃，出現在測點1。此時研究區內溫度達到該時間段內0℃以上的區域主要分布在自理老人體驗區的草坪、園區入口處以及東南側，占總面積的7.8%。

在8:00～10:00內，研究區域內溫度范圍在-0.2～1.7 ℃。最高氣溫出現在測點2，最低氣溫出現在測點5。測點2在自理老人體驗區，最高氣溫與最低氣溫差值為1.9 ℃，從空間圍合方式的角度來看，較為空曠的小廣場、園區入口處由于缺少建筑構筑物、植被的遮擋，風速較大，溫度較低；林下休閑區由于四周多被綠籬、喬灌木等植被圍合，抵擋了冬季寒風，降低風速，使內部熱量散失較少。在綠化配置方面，落葉樹種在冬季發揮了透陽作用，陽光直射地面使得溫度升高，常綠樹種則起到了較強的遮陽作用，其圍合空間溫度低于前者。在下墊面材質方面，不同下墊面比熱容不同，熱量吸收不同[11]，從而地面溫度也有所區別，瀝青柏油路面和水泥路面相比于其他下墊面，在接收同樣的太陽輻射的情況下，由于其比熱容較小會迅速升溫，向周圍空氣傳遞熱量使近地面溫度較高；園區內水體分布的區域由于蓄水量減少，水體結冰，降溫效果較差。

在14:00～16:00內，研究區域內溫度范圍在1.1～3.1 ℃。隨著中午時段太陽高度角增加，溫度上升速率變快，這一時間段內的平均氣溫高于第一時段，最高氣溫出現在測點2，最低氣溫出現在測點5。此時段內建筑物和植被的遮擋下的近地表溫度較低。同時，通過模擬對比可發現，在1.5 m的高度，喬木林和草地可分別降溫0.9 ℃和0.2 ℃，且喬灌草結合的降溫效果比單喬木種植的區域更好，最高可降低空氣溫度1.1 ℃。

在16:00～18:00時，研究區域內溫度范圍在0.4～2.7 ℃，由于縱向高度阻擋了熱量的散失，測點3等被建筑圍合的空間周圍溫度較高。在開闊的水面處，由于表面無遮擋，風速較大，氣溫較低。

綜上所述如圖3，在冬季，綠化植被和水體對熱環境有保溫作用。常綠樹種能夠有效地阻擋冬季的寒風，減少植被圍合空間的通風，從而達到防止內部熱量散失的保溫效果。對于落葉喬木分布的區域，冬季缺少了樹冠和葉片對陽光進行遮擋，使地面上的太陽直射量增加，地面升溫同時使得氣溫上升。在寬闊的水體區域，通過良好的通風增加風速，使得水域周邊氣溫降低。道路、廣場的鋪裝也因為其材質不同模擬出不同的地表溫度數值，反射率越高的材料吸收熱量越少，周圍氣溫越低[12]。除了植被與水體，建筑的材料、布局形式也可以通過對太陽輻射角度及強度的調節來降低氣溫增加的速率，同時也可以通過圍合空間等形式減少白天日照下的氣溫散失，使夜間圍合空間內(如測點3)溫度高于其他區域。

圖3 5個測點的溫度實測值與模擬值對比

4.1.2 濕度模擬結果與分析

經模擬3個測試時間點的較高空氣濕度的分布地點均位于水體上方及植被茂密的區域，占總范圍的3.3%，靠近水體的區域由于水分蒸發使得空氣濕度增高，而植被密集的區域，植物的蒸騰作用能夠將植物體內的水分從葉片、枝干的皮孔處以氣體形態蒸散在空氣中，使得周邊的空氣濕度增加[13]。從植物配置方式來看，常綠樹種圍合區域的濕度大于落葉樹種密集分布的片區，且以上2區域濕度均大于草坪片區，植物為何程度越高，空氣濕度越大。由此得出，在冬季典型天氣，植被綠化和水體有明顯的增濕作用，但在該季節內園區內整體的空氣濕度均處于較低的水平。

4.1.3 風速模擬結果與分析

模擬結果顯示風速在不同測試點差異明顯，而在3個時間點的測試差異不明顯。由于建筑圍合遮擋了空氣流動，同一時段5個測試點的風速在建筑附近的區域較小。同理，植被密集的區域(測點4)，當風穿過植物時會受到植物樹冠的摩擦與阻攔而降低風速[14]，使得此處風速明顯小于空曠的廣場空間，而喬灌草搭配的種植模式較單一喬木林種植模式對風的阻擋作用效果更為顯著。在水體附近區域(測點3)，水面比陸面平滑，對空氣運動摩擦阻力小，使得水面風速明顯高于無遮擋的廣場、道路等空曠的空間，這說明風速與下墊面粗糙程度相關，有增大風速的作用。

4.1.4 熱舒適模擬結果與分析

本次研究中為了評價養老機構的室外熱環境，引入熱舒適性評價體系中國內外學者常用的指標——預測環境平均溫度。預測環境平均溫度 (PMV) 是范格爾(Fanger)教授基于穩態傳熱模型提出，常用來評價某種環境下熱舒適度偏離“熱中性”的程度，是國際標準組織公認的熱舒適評價指標[15]。PMV可綜合考慮太陽輻射、環境溫度、濕度、風速等相關氣象參數，并可將環境因子與人體消耗的能量、服裝熱阻等參數充分結合來衡量熱環境。一般PMV采用7級分度，取值范圍在-3～+3，其中取值為0時表示較為舒適[16]。由于PMV指數適用生理指標基礎為身體健康的正常青年人群體，此次選定的指標基于老年人群體進行修正。

選取3個時間點來模擬基地的熱舒適情況，PMV值介于-1～1之間的區域主要對應于場地中的測點1和測點4等植被圍合分布的空間，占總面積的15.4%；PMV值介于-2～-1之間的區域主要對應于場地中的測點1與測點5等區域，占總面積的12.2%，此處體感反應偏冷。而相對來說較為適宜的區域則處于自理老人活動區，PMV值介于0～1。總體而言，冬季整體的PMV都屬于偏冷的狀態，舒適感不佳。

4.1.5 調查問卷結果與分析

通過調查問卷的分析結果顯示，園內老人主觀表示在濟南冬季最舒適的空間在測點2處，其次是測點3和測點4，而對于測點1和測點5，老人普遍感覺不舒適且“不愿意停留”。

測點2內由各占1/2的廣場和綠化組成，在冬季陽光充足的天氣里，廣場上少量的大喬木搭配座椅形成了良好的休憩空間，有足夠的日照面積使得廣場空氣溫度較為溫暖，廣場由西南側喬灌木圍合，在一定程度上遮擋了冬季的寒風。測點3處有較大的水景，其周邊綠地的空氣濕度比其他空間更大，然而在冬季常出現結冰、水位下降的情況，觀賞價值下降，同時院內老人表示，園內冬季空氣濕度普遍較低，因而測點3處較高的空氣濕度并未增強體感上適宜性。測點4由于植被圍合度高，溫度風速狀況較為適宜，然而老人普遍認為此處陽光照射面積較小，活動空間小且缺乏特色性的休閑設施和座椅。測點5和測點1并非老人活動的主要區域，景觀要素的設置更多服務于場地功能，因此不做過多贅述。

4.2 ENVI-met模擬精度評價

ENVI-met建模在一定程度上會對實際環境進行簡化處理，例如此次模擬中，ENVI-met存在對建筑外立面材料的熱值穩定性等方面計算不足的因素，因此模擬結果與實際情況之間會存在一定的誤差[17]。本次研究中，采用了均方根誤差(RMSE)和平均絕對偏差(MAE)兩個指標作為實測數值和模擬數值的精度校驗指標。RMSE可以用來衡量實測數據與模擬數據之間的偏差, MAE是指實測數據與模擬數據的誤差絕對值的平均值[18]。

計算公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中,Xi為模擬數據,Yi為實測數據,N為實測和模擬的次數。

Willmott認為RMSE更能評價模型的模擬精確度[19]。通過對5個選定空間的監測點進行模擬，結果顯示，在7:00～18:00的時間段內，5個測點的溫度的均方根誤差為0.176～0.382 ℃之間，平均絕對偏差為1.244 ℃，目前公認為RMSE介于0.52～4.30 ℃、MAE介于0.27～3.67 ℃的范圍內為允許偏差范圍，除了溫度的偏差數據之外，濕度和風速的結果也在測點1、測點2、測點3與測點4中出現了較小偏差及較為一致的變化情況，其誤差均在允許的范圍內，表明了這幾個監測點的實測結果與ENVI-met模擬結果二者之間呈強相關性，而對于測點5的誤差分析中，溫度和風速的均方根誤差均超出了允許的范圍，筆者分析這是由于ENVI-met模型中的邊界設定與實際情況不符而導致的，模型中僅框選了基地范圍，而現場實測中基地的東北側和東南側邊界均為城市道路，基地東南方向分布了山體，近處受汽車尾氣排放影響，遠處受地形影響，因而導致實測溫度和風速與模型模擬的結果出現了較大的偏差。綜合來看，ENVI-met在濟南小尺度氣候進行熱環境模擬是可行的，然而也需考慮邊界對模擬結果的干擾。

5 結論與建議

5.1 結論

本研究首先對ENVI-met模擬結果的精度與實測結果進行對比并得出了精度準確的評價，以濟南市一個現代化的養老機構為例，使用ENVI-met軟件建模來模擬該養老機構的熱環境。結論如下：

(1)本次研究模擬中為了驗證ENVI-met的精度，采用了均方根誤差(RMSE)和平均絕對偏差(MAE)2個指標對此次模擬結果的精確度進行驗證與評價，結果證實ENVI-met模擬各個監測點的兩指標均在誤差范圍內，基本符合實地檢測的結果。因此，ENVI-met能較好地模擬并預測濟南地區小尺度景觀的熱環境情況。

(2)本次研究中，景觀空間格局、建筑布局以及其他綠地景觀要素((植物、鋪裝、地形、水體、園林小品)均影響了內部熱環境與熱舒適度。在冬季，植被綠化由于其蒸騰作用與葉片阻滯等原因，可以對小氣候起到降溫增濕、減緩風速的作用；水體由于其蒸發的作用，也可以起到降溫增濕的作用，寬廣的水面有利于加速空氣流動與循環，形成風口；白天建筑的圍合可以遮擋太陽輻射形成蔭蔽區，為老人提供遮蔭條件，而在夜晚，建筑圍合也可以阻隔白天的余熱散失使得氣溫身高。鋪裝、建筑、構筑物材料因為其材質對太陽輻射吸收與反射不同致使其吸收的熱量也不同，因此傳遞給大氣的熱量也不同，形成溫差。反射率越高的材料吸收熱量越少，周圍氣溫越低。

通過對本次研究的熱舒適進行模擬，分析可得，冬季該養老機構內，不同的空間對熱環境和熱舒適度的影響不同，功能配套處熱舒適性最差，自理老人體驗區熱舒適性較好。結合調查問卷中老人對該園區冬季的滿意度來看，在冬季園區整體環境的熱舒適度較差，缺乏能讓老年人在冬季進行0.5 h及以上戶外活動的空間，受訪者對空氣溫度、濕度、風速情況的滿意度均較低。

5.2 建議

ENVI-met模擬的結果為養老機構的室外景觀設計提供了小氣候方向的理論依據和優化策略。

(1)針對冬季低溫的地區，老年人群體體質較弱，活動量較小。因此應考慮在活動區域適當布局一定高度的綠化植被以抵御寒風，并優先考慮常綠植被的喬灌木搭配種植，增加樹冠密度。考慮到冬季日間太陽輻射低，太陽輻射不足會導致中國老人體內維生素D的缺乏[20]，因此園區內也應設置無遮擋的大面積戶外空間滿足老人的日照需求。

(2)道路、廣場的鋪裝材料應盡可能防滑、粗糙，降低因反光對老人視覺帶來的刺激[21]，可以選擇亮度低、比熱容大的鋪裝材質，同時也可以利用鋪裝材料的升溫速率差異來營造不同的休息和運動空間。

(3)針對北方冬季景觀的氣候特性，應對身體機能低于常人的群體打造舒適的景觀空間。如減少較大的水面景觀，可保障活動安全，降低冬季的風速[22]。考慮到雨雪天氣，也應設置具有遮擋作用的景觀亭、陽光房等，為半自理或失能老人提供抵御冬季寒風、滿足日照需求的場所[23]。同時，設置種植、健身等活動設施，不僅能豐富自理老人的日常活動，而且可以提供更多鍛煉的機會。