綠化布局模式對濕熱地區城市住區室外熱環境影響分析

劉 揚（深圳市建筑設計研究總院有限公司， 廣東 深圳 518031）

我國南方地區以濕熱氣候為主，隨著城市化進程的加快，南方地區城市人口快速增加，城市規模不斷擴大，城市熱環境問題凸顯，對城市居民生活、健康和社會經濟產生一系列直接和間接的負面影響。具體表現為對城市人群的生理和心理健康產生負面影響、能耗增加、加劇空氣污染、促使光化學煙霧的形成[1]。居住區（以下簡稱住區）作為城市不斷擴大、人口日趨密集的現代人居環境形式，其室外熱環境的優劣越來越受到關注。探索合理的住區布局模式，改善濕熱地區人居環境，促進城市可持續發展，是當前亟待解決的問題。

綠化具有凈化空氣、蒸騰吸熱、遮陽降溫、隔聲降噪等生態功能，在改善人居環境方面起著不可或缺的作用。合理的綠化設計不僅可以美化環境，還可以調節住區微氣候，改善室外熱環境。利用有限的綠地面積，通過合理的綠化布局改善室外熱環境，對于城市住區設計具有重要的參考價值。

住區室外熱環境的研究方法主要有現場測試分析評價、熱紅外遙感分析評價與計算機模擬評價 3 種模式。隨著計算機模擬技術的成熟，采用計算機模擬的方法來研究室外熱環境逐漸成為主流[2]。ENVI-met 是 Bruse 和 Fleer 于 1998 年開發的一款對流傳熱輻射耦合模擬計算軟件，經過不斷完善，目前已廣泛應用于世界不同地區的城市微氣候研究。該模擬軟件基于熱力學和流體力學原理，包含了兩方程的湍流模型，并加入了植物對流動及湍流的影響。軟件采用一種簡化的輻射模型進行輻射換熱計算，并能夠通過計算反映固體內部的非穩態導熱過程，可以對城市小尺度區域表面和植物與空氣之間相互作用進行動態模擬[3]。

1 室外熱環境模擬氣象數據的選取

本文的研究對象為濕熱地區城市住區，因此在 ENVImet 模擬中選用濕熱地區代表城市深圳的氣象數據，模擬結果適用于與深圳氣候條件相似的濕熱地區其他城市。

根據《建筑用標準氣象數據庫》中提供的資料，選用深圳 7 月典型日氣象參數作為相關邊界條件的設置依據。空氣溫度及相對濕度均按表 1 進行設置，太陽輻射強度通過調整云量使計算得到的水平直射輻射與水平散射輻射與表 1 中的數據接近。風向及風速根據《民用建筑綠色性能計算標準》取深圳夏季盛行風 ESE（112.5°），10 m 高度平均風速為2.7 m/s。

表 1 深圳市 7 月典型日氣象參數

2 室外熱環境評價指標

在得到室外熱環境的多種參數后，需要一個綜合性指標以便對室外熱環境舒適性進行評價。

通用熱氣候指數（Universal Thermal Climate Index,UTCI）是在世界氣象組織（WMO）氣候學委員會的倡導之下，由歐洲科學與技術合作計劃 730 號行動將來自23 個國家的 45 位科學家召集起來，融合生理學、醫學、數學、氣象學及計算機科學等眾多領域最前沿的專業技術知識，共同建立的一個基于多結點模型的評價指標。該指標的多結點模型將人體明確分為具有熱調節功能的主動系統和人體內部傳熱過程的被動系統，主動系統用來模擬人體代謝、皮膚血液流動的減弱(血管收縮)和加強(血管舒張)、發汗、發抖等；被動系統需要考慮人體不同部位表皮、真皮、骨骼、肌肉、內臟等組分的差別, 模擬各區段中血液循環、新陳代謝、熱量傳導與累積等人體內部傳熱過程，在熱交換過程上，包含了表面對流、長短波熱輻射、皮膚表面水分蒸發、呼吸等因素。UTCI 結構復雜，考慮細致周全，擬真度高，可以廣泛應用于氣象服務、公眾健康預警、城市規劃、旅游娛樂等諸多領域。人體熱舒適與 UTCI 的關系如表 2 所示[4]：

表 2 人體熱感覺與通用熱氣候指數 UTCI 的關系

3 分析模型建立與參數設置

按照《城市居住區規劃設計標準》等要求，以典型的塔式住宅為例建立住區分析模型。建筑按行列式布局，高度均為 90 m。地面道路寬度均為 10 m，采用普通混凝土鋪裝（反射率 0.4，輻射率 0.9）。

根據常見綠化形式，對草地、灌木＋草地、喬木＋草地、喬木 4 種綠化模式下的室外熱環境進行模擬，相關模型如圖 1 所示。

圖 1 綠化布局分析模型

ENVI-met 中的植物模型主要模擬植物與周圍環境的熱質交換過程。植物在ENVI 中通過如下參數進行定義：高度 Zp、葉面積密度 LAD（Leaf Area Desity）、根面積密度RAD（Root Aera Density）、氣孔率、樹葉表面發射率及季節屬性（常綠或落葉）等。

在綠化形式方面，分別對草地、灌木、喬木 3 種基本類型下的工況進行分析。其中草地高度為 0.25 m，葉面積指數 LAD=0.3；灌木高度為 2 m，葉面積密度LAD=2.5。

考慮到喬木形態的差異，選擇了欒樹、藍花楹、梧桐樹、中棕櫚樹、大棕櫚樹、共 5 種濕熱地區常見樹種進行分析。綠化布局形式選擇喬木＋草地低密度沿道路分布。

在綠化密度方面，對喬木（梧桐樹）和灌木分別在中、高密度條件下的工況進行模擬，并加以對比分析。

在綠化位置方面，對喬木（梧桐樹）和灌木分別在沿道路分布、沿建筑分布條件下的工況進行模擬，并加以對比分析。喬木類型及參數如表 3 所示。

表 3 喬木類型及參數 單位：m

4 結果與分析

4.1 綠化形式對室外熱環境的影響分析

對灌木＋草地、喬木＋草地、喬木在低密度（沿道路）分布條件下的室外熱環境與僅有草地條件下的室外熱環境進行對比分析。圖 2 為不同綠化形式下 UTCI 平均值對比，圖3 為不同類型喬木在低密度（沿道路）布局條件下 UTCI 平均值對比。

圖 2 不同綠化形式下 UTCI 平均值對比

圖 3 不同類型喬木在低密度（沿道路）布局條件下UTCI平均值對比

對比各綠化形式下的 UTCI 值，晝間室外 UTCI 值從低到高的綠化形式分別為：喬木＋草地、喬木、草地、灌木＋草地。夜間室外 UTCI 值從低到高的綠化形式分別為：喬木、喬木＋草地、草地、灌木＋草地。綜合晝間與夜間工況，喬木＋草地的條件下室外熱環境最佳。灌木＋草地的條件下室外熱環境最差。

喬木的樹冠直徑、樹冠距地面高度、樹葉疏密程度對室外熱環境均有影響。對不同類型喬木對室外熱環境的影響進行對比可知，晝間室外 UTCI 值從低到高的布局形式分別為：梧桐樹＋草地、欒樹＋草地、中棕櫚樹＋草地、大棕櫚樹＋草地、藍花楹＋草地。夜間室外 UTCI 值從低到高的布局形式分別為：梧桐樹＋草地、大棕櫚樹＋草地、中棕櫚樹＋草地、藍花楹＋草地、欒樹＋草地。綜合晝間與夜間工況，梧桐樹＋草地的布局條件下室外熱環境最佳。

綜上，在濕熱地區住區綠化形式的選擇上，優先采用喬木＋綠地的形式，減少灌木的配置面積，可以有效改善室外熱環境。同時，選擇樹葉茂密、樹冠直徑較大且距地面較高的喬木對室外熱環境的改善效果最佳。

4.2 綠化密度對室外熱環境的影響分析

對喬木＋草地及喬木在不同密度條件下的室外熱環境進行分析，隨著喬木密度增加，室外遮陽面積增加，平均輻射溫度降低，近地面空氣溫度降低，但也會導致近地面風速降低。喬木＋草地及喬木在中密度條件下的 UTCI 值比在低密度條件下的 UTCI 值有明顯降低，但與高密度條件下的 UTCI值基本相同。因此，從改善室外熱環境的角度，綠化喬木達到中等密度即可。

對灌木＋草地在不同密度條件下的室外熱環境進行分析，隨著灌木密度增加，室外遮陽面積增加，平均輻射溫度降低，但會導致近地面風速大幅降低，近地面空氣溫度增加，UTCI 值增加。因此，增加灌木密度會導致室外熱環境的惡化，從改善室外熱環境的角度，應盡量減少灌木密度。圖 4 為喬木在不同綠化密度條件下 UTCI 平均值對比，圖 5為灌木在不同綠化密度條件下 UTCI 平均值對比。

圖 4 喬木在不同綠化密度條件下 UTCI 平均值對比

圖 5 灌木在不同綠化密度條件下 UTCI 平均值對比

4.3 綠化位置對室外熱環境的影響分析

對喬木及灌木在建筑前后及沿道路分布條件下的室外熱環境進行分析。由室外平均輻射溫度、風速、空氣溫度的對比可知，在種植密度不變的條件下，綠化位置的改變對室外平均輻射溫度及近地面空氣溫度基本沒有影響，但對近地面風速有一定影響，喬木沿道路分布時對風場阻礙作用較小，UTCI 值較低。圖 6 為不同綠化位置條件下UTCI 平均值對比。

圖 6 不同綠化位置條件下 UTCI 平均值對比

5 結 語

本文運用微氣候模擬軟件 ENVI-met，以深圳市典型住區為例，從綠化形式、綠化密度、綠化位置 3 個方面，對不同類型綠化布局條件下的室外熱環境進行模擬分析，得到以下結論。

（1）綠化布局對場地遮陽、通風及近地面熱交換均會產生影響。綠地可以有效降低近地面溫度但基本沒有遮陽效果。灌木有一定遮陽效果但對近地面風場阻礙較大。喬木遮陽效果相對最好且對近地面風場影響較小。喬木＋草地的組合形式對于改善室外熱環境效果最佳。

（2）喬木的樹冠直徑、樹冠距地面高度、樹葉疏密程度對室外熱環境均有影響。在景觀設計時，選擇樹葉茂密、樹冠直徑較大且距地面較高的樹種，可以更有效地改善室外熱環境。

（3）適當提高喬木種植密度可以改善室外熱環境，但當喬木密度達到一定值時，會導致室外近地面風速顯著下降。因此，從改善室外熱環境的角度，綠化喬木達到中等密度即可。

（4）相比草地和喬木，灌木對室外熱環境的改善作用最小。增加灌木密度會導致室外熱環境的惡化，從改善室外熱環境的角度，應盡量減少灌木的種植密度。

（5）在種植密度不變的條件下，綠化位置的差異僅對室外通風產生一定影響。喬木沿道路布局條件下室外通風效果較好，室外熱環境較佳。