基于ENVI－met 的杭州夏季住宅熱環境研究?

楊詩敏 郭曉暉 包志毅 晏 海

浙江農林大學風景園林與建筑學院 杭州 311300

城市住宅熱環境與人們的生活息息相關[1－2]。ENVI－met 軟件是由德國Bruse 教授等人通過研究建筑外表面、 植被和空氣之間的熱應力關系開發的用于城市微氣候的模擬軟件[3]， 它采用三維非靜力流體學模型進行模擬， 能夠較好地模擬景觀綠化、 室外熱環境與建筑物之間的關系， 已被廣泛應用于研究風景園林微氣候[4－8]。 本研究圍繞兩個目標展開: 1) 使用ENVI－met 對實測數據進行驗證分析； 2) 研究杭州市典型住宅的夏季熱環境情況， 以探討住宅區的分布格局對其內部微氣候的影響。

1 研究對象與方法

1.1 研究區域概況

臨安區(30°23′N， 119°72′E) 位于浙江省杭州市西面， 屬中亞熱帶氣候， 四季分明， 年平均溫度約16.2 ℃， 年平均降雨量1 463.6 mm(1981—2010 年)。 測試地點筑境花園位于臨安區北部， 建成年份2005 年， 占地面積14.6 hm2， 容積率2.4%， 綠化率36%， 建筑組成有多層(12 ～15 層) 與低層(3～4 層) 兩種類型。 本研究以臨安筑境花園小區為例， 采用定點測量方式， 選擇不同建筑空間形式布置測點， 確定相關測點14處。 測點環境下墊面均為硬質鋪裝； 建筑3 面圍合的包括測點4、 8、 9、 11、 14， 其余均為建筑兩面圍合； 除測點1、 3、 10、 11 外， 其余測點均有綠化覆蓋； 測點環境基本為半遮蔭條件， 其中測點1、 3、 10、 11 無綠化遮蔭， 測點14 全遮蔭。

1.2 試驗方法

試驗于2018 年夏季， 選擇晴朗無風的典型氣象日進行， 日最高溫度35 ℃以上， 試驗時間段分別為8 ∶00—8 ∶30、 14 ∶00—14 ∶30、 21 ∶00—21 ∶30， 試驗記錄的熱環境參數為空氣溫度、 空氣濕度與風速， 為保證測量結果的典型性， 通過實測3 天獲得的算術平均值作為每個時間段的最終試驗結果[9]。 考慮人在居住環境中的戶外活動情況， 試驗測點均置于地面1.5 m 處， 試驗測量儀器均為手持儀器， 人工記錄數據。 實測后， 運用城市微氣候環境模擬軟件ENVI－met 對實測數據進行模擬驗證， 并且運用Excel 與SPSS 進行數據處理與分析， 運用Origin2017 進行圖表繪制。

1.3 模擬參數設置

通過實測場地內環境參數， 得到ENVI－met軟件建模所需的建筑高度、 植被分布、 下墊面情況等信息并導入其中。 實測研究區域的面積為730 m×400 m， 最高建筑物高度為25 m。 在ENVImet 軟件模型共設置360×200×20 個網格， 格點大小為5 m×5 m×5 m， 設置嵌套網格數為7， 以降低周圍環境對其影響； 設置 1 個接受點(receptor)。 模擬日期為2018 年6 月26 日， 時間步長(model timing) 為12 h， 從7 ∶00—19 ∶00，模擬氣象數據采用當日實測氣象: 風速為2.3 m/s， 風向為200°， 初始溫度為29.5 ℃， 相對濕度為78%。 BioMet 參數參考軟件默認國際通用的標準參數。

1.4 模型模擬結果評價

運用ENVI－met 軟件對該小區模型進行模擬，得到的結果采用國內外常用的誤差平方根(Root Mean Square Error， RMSE) 與平均絕對百分比誤差(Mean Absolute Percentage， MAPE) 對模擬準確性進行評價， 方程如下:

式(1) (2) 中，為模擬值；yi為實測值；n為實測次數。

1.5 熱舒適性評價體系

為了評價住宅熱環境， 引入熱舒適性評價體系中常用的指標為預測環境平均溫度。 預測環境平均溫度(PMV) 是丹麥的范格爾(Fanger) 教授提出的表征人體熱反應(冷熱感) 的評價指標， 代表了同一環境中大多數人的冷熱感覺[10－11]。 根據GB50736—2012 《采暖通風與空氣調節設計規范》 規定， 對我國大多數地區的室內條件推薦值為－1≤PMV≤1[12]。 通過文獻檢索，發現近年來針對中國及亞洲地區的研究未涉及室外熱環境PMV 等級明確的劃分， 只涉及高低的相對比較[5，13]。 ENVI－met 軟件提供舒適度參數PMV 的計算， 通過綜合空氣溫度、 平均輻射溫度MRT 等客觀環境因子， 充分結合人體代謝與穿衣熱阻綜合衡量微氣候環境。 因此， 用該軟件計算得出的相關參數可以代表熱舒適情況。

2 結果與分析

2.1 實測結果與分析

實測得到的溫度、 相對濕度和風速的統計結果見圖1。 由圖1 可知， 在3 個實測時段， 14 個測點在下午14 ∶00 時的溫度變化幅度大于8 ∶00時與21 ∶00 時， 其中測點3、 10 由于無有效遮蔭， 溫度高于平均值， 而測點14 由于建筑與綠化遮蔭在全天內的作用， 在下午14 時與晚上21 時的溫度為測量范圍內的最低值； 在14 個測點范圍內， 8 ∶00 時的相對濕度變化幅度最大， 下午與晚上的相對濕度變化幅度較小， 其中測點5、 6、7 由于在場地西側林蔭道范圍內， 上午8 時的相對濕度高出平均值3%左右； 3 個實測時段內， 風速的波動幅度較為一致， 下午14 時的風速較高于其他兩個時間段， 建筑間的街道出風口(測點1、9、 11) 風速高于平均值較為明顯。 這些觀測結果顯示了微氣候因子對環境影響的明顯差異， 同時展示了實際情況下杭州夏季住宅區的熱環境狀況。

圖1 實測溫度(a)、 相對濕度(b)、 風速(c) 統計結果

2.2 模型模擬結果評價

運用ENVI－met 軟件對該小區模型進行模擬，用國內外常用的誤差平方根(RMSE) 與平均絕對百分比誤差(MAPE) 對模擬準確性進行評價(圖2)。 結果表明， 在7 ∶00—19 ∶00， 溫度的誤差平方根為0.608 ℃， 平均絕對百分比誤差為2.33%； 濕度的誤差平方根為1.183%， 平均絕對百分比誤差為2.67%； 風速的誤差平方根為0.153 m/s， 平均絕對百分比誤差為12.88%。 表明實測值與模擬值之間偏差較小， 誤差均在可允許范圍內[4]。

圖2 實測溫度(a)、 相對濕度(b)、 風速(c) 與模擬值對比結果

2.3 ENVI－met 模擬結果與分析

2.3.1 溫度模擬結果分析

在8 ∶00 時(圖3a)， 研究區域內溫度范圍在28.51 ℃～29.41 ℃， 位于場地中央分隔東西區塊的瀝青道路路面溫度最高。 最高氣溫出現在測點10， 測點14 在場地東側綠化密集處， 由于其內栽植樹木的遮蔭作用， 溫度比路面溫度低， 而建筑本身升溫慢， 溫度較低。

在14 ∶00 時(圖3b)， 位于場地中央分隔東西區塊的瀝青道路路面溫度最高； 溫度較高的是場地四周， 這是因為場地內部建筑與植物能夠起到遮蔭作用， 降低整體氣溫達2.3℃， 這與勞釗明等的研究結果一致[13－14]。 最高氣溫出現在場地中部的測點10。 測點6 與9 的環境較為相似， 周圍都有綠化覆蓋， 但測點9 的溫度高于測點6，可見溫度的分布不能簡單地依靠綠化率判斷。

在21 ∶00 時(圖3c)， 研究區域內溫度范圍在31.75 ℃～32.22 ℃， 位于建筑圍合的空間內部溫度較高， 如測點2、 7、 9、 11， 這是因為夜晚建筑圍合使熱空氣不易于擴散。

綜合可得， 在白天， 一定的綠化覆蓋對熱環境有降溫作用， 但降溫效果需要綜合考慮植物種類與栽植方式、 周邊建筑布局等[15－17]。 場地建筑在白天的遮蔭作用在一定程度上能夠降低周邊氣溫， 但由于其熱量吸收， 夜晚釋放熱量又會使夜晚氣溫升高。

圖3 溫度分布模擬結果(a) 8 ∶00 時； (b) 14 ∶00 時； (c) 21 ∶00 時

2.3.2 風速模擬結果分析

由圖4 可知， 研究區域內， 風速在不同測試點有明顯的差異， 但在早、 中、 晚3 個時段內差異不大。 同一時段不同測試點的風速在建筑密集區較小， 這是因為建筑遮擋了空氣流動； 建筑物街道間風速大于建筑圍合區域， 建筑間的街道出風口風速增大(測點1、 9、 11)， 這是因為建筑間形成了夏季通風廊道， 出現了 “狹管效應”[18－20]， 可見適當增加建筑間距有利于改善熱環境； 位于場地中央貫穿東西的街道風速小于南北的街道， 這可能是因為本地區南北風較為盛行；有綠化地帶(測點14) 的風速小于周邊空曠地帶(測點11)， 這是因為植物的樹冠對風有一定的阻擋作用。

2.3.3 熱舒適模擬結果分析

圖5 為模擬的預測環境平均溫度PMV 的布局結果。 8 ∶00 時， PMV 在1.74 ～3.66， 建筑西側PMV 值普遍較低， 這是因為日出后， 太陽高度角較小， 未直射到所有區域， 使建筑在西側形成陰影， 環境較舒適。 14 ∶00 時， PMV 值在4.13 ～6.00， 較為炎熱， 而建筑間的道路形成夏季通風廊道， 由于通風性較好， PMV 值低于四周。 21 ∶00時， PMV 值在1.78～2.07， 熱舒適性高于中午。

圖4 風速分布模擬結果(a) 8 ∶00 時； (b) 14 ∶00 時； (c) 21 ∶00 時

圖5 PMV 分布模擬結果(a) 8 時； (b) 14 時； (c) 21 時

3 結論

本文以杭州市臨安區一個典型小區為例， 在夏季實測的基礎上， 使用ENVI－met 軟件建模并對實測數據進行驗證， 探討住宅區的分布格局對其內部微氣候的影響， 結論如下: 在一天中的不同時段內， 住宅區的分布格局對其內部熱環境的影響不同， 并且綠化覆蓋與遮蔭情況、 建筑布局等微氣候因子對內部熱環境與熱舒適度均有一定影響。 住宅區內一定的綠化覆蓋對熱環境有降溫作用， 但降溫效果需綜合考慮植物種類與栽植方式、 周邊建筑布局等。 建筑在白天的遮蔭作用能一定程度上降低周邊氣溫， 但夜晚釋放的存儲熱量又會使氣溫升高。 建筑間街道會形成夏季通風廊道， 適當增加建筑間距有利于改善熱環境。