绿化对室外热环境的影响—— 以上海某停车场为例

高潮 梁浩 于航

1同济大学机械与能源工程学院

2住房和城乡建设部科技与产业化发展中心

0 引言

随着城市化脚步的加快，城市下垫面材料更新速度与日俱增，大量的自然地表被沥青、水泥、混凝土地砖等材料所替代，这也在一定程度上改变了城市微气候格局 [1]。本文的研究场地为上海某高校停车场，整个场地均采用水泥作为铺装材料且几乎没有设置任何绿化。传统的停车场地面多采用上述材料作为地面铺装，而这些材料又具有低反射率的特点（特别是沥青），这在夏季强烈的日光直射下必将达到很高的地表温度，进而对室外热感觉产生不利影响[2]，甚至有可能破坏景观植物的根系[3]。

与传统建造模式不同，如今最为突出的停车场设计理念是生态和经济[4]，重点强调了下垫面绿化的作用。纵观大量的前人研究，下垫面绿化很有可能是提升室外热舒适品质的最有效的方式。例如，高大的植物的遮荫效应可以显著降低空气温度[5]，也有研究指出集中的种植树冠宽大浓密，树干较短的树木在降低环境平均辐射温度方面最为有效[6]。除了种植树木，选择合理的下垫面铺装材料也可对室外热舒适起到显著提升作用。有学者发现草坪也有着降低下垫面温度和环境平均辐射温度的能力[7-8]，所以许多设计师倾向于选择植草砖作为停车场铺装材料[9]。从这样的背景出发，本文旨在使用三维微气候模拟软件 ENVI-met 4.1 定量模拟计算采用种植树木和植草砖作为地面铺装材料的绿化方案对室外热环境的改善作用。

1 资料来源与方法

1.1 场地热环境实测

本次测试的场地是上海同济大学的西南停车场（121.30E，31.12N）。考虑到周边建筑对场地的热环境影响，根据前人经验[10]划定了模型边界范围，并用ArcMap 10.2软件生成了场地底图（图1）。根据底图中场地及周边建筑物、绿化、下垫面等的主要特征，等比例地建立了场地ENVI-met下垫面模型（图2）。

图1 ArcMap 10.2生成的场地建模底图

图2 场地ENVI-met模型平面图

整个场地为一边长56 m的正方形区域，为了更具代表性的测量场地热环境数据将场地分为4个小正方形，并依次在这四个小正方形的几何中心设置了4个观测点（图3）。第五个观测点则设置在整个场地的几何中心，这样每个时刻共可以收集5组数据，每组数据均包括地表温度，1.5m高空气温度，湿度与黑球温度等参数的测量值。测量日期为2017年7月23日，从早7：00到晚19：00每隔一个整点测量一次数据以获得上述参数的昼间变化规律。空气温湿度采用了北京天建华仪科技发展有限公司生产的温湿度自记仪测量（型号WSZY-1，测量空气温度精度为0.4℃，测量相对湿度精度为2%），地表温度则使用了该公司生产的温度自记仪测量（型号 WZY-1，精度0.3℃），黑球温度温度采用法国KIMO TM200黑球温度计（精度0.4℃）。

图3 观测点布置

1.2 场地微气候模型

选用基于流体力学和热力学[11]的三维、非静力、城市微气候数值模拟模型ENVI-met（版本4.1，Windows系统免费版http://www.envi-met.com）来模拟不同案例的热环境数据。该模型的空间尺度精度最小可达0.5 m，时间步长为1～5s，主要应用于城市尺度的下垫面，植被以及空气三者间相互作用的模拟。

根据研究区域内树木的实际规格，选用了ENVI-met 植物数据库中的 alba（高7 m，宽5 m），privet（高5 m，宽5 m），oleaeuropaea（高4 m，宽5 m），pine（高15 m，宽7 m）和dense grass等作为模型中的绿化模块。同时，在相应的位置设置 loam soil，concrete pavement和asphalt road等模块来代表场地实际下垫面特征。值得注意的是，ENVI-met要求整个模型的上部边界高度必须超过模型内最高建筑高度的2倍，而本文研究场地的最高建筑约80 m，又注意到整个研究区域的平面尺度为240 m×240 m，于是在x，y和z方向上分别设置了80，80和35个网格，网格分辨率为dx=3 m，dy=3 m和dz=5 m。这种设置方法刚好满足模型高度的条件，也最近似地表达了场地不同区域的尺寸特征。气象输入参数均为实验当天现场实测，具体见表1。

表1 初始输入参数

总共为研究场地建立两个ENVI-met模型，一个在场地内未设置任何绿化，另一个在考虑车位设计的情况下采用数据库中的 Koelreuteria paniculate（高10 m，宽13 m）作为绿化树木，并且在地面交错地设置了brick与 grass 模块代表植草砖。除此之外，两个模型的其他输入参数均与上述一致。模拟时长为2017年早7:00到晚19:00共13 h，每一个整点输出一次热环境参数模拟结果。

2 现状案例模拟结果精度评价

选用了目前国际上最常见的两种模型精度评价指标—均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）和平均绝对误差百分比（Mean Absolute Percentage Error，MAPE）来核实本次模拟的可信度，这两个指标定义如下：

式中：yi为某种参数的实际测量值，而y'i则为这一参数的模拟结果，n为测量次数。

表2记录了五个观测点1.5 m高空气温度与相对湿度的两个精度评价指标的计算结果。根据前人对ENVI-met模拟精度的研究，空气温度的RMSE范围为1.31～1.63[12]，近地面相对湿度的 MAPE 不超过5.00%[13]。从表4中不难看出没有一项计算结果超出前人的误差范围，说明本文建立的模型据具有足够的精度来模拟实际的场地热环境。

表2 各观测点RMSE与MAPE计算结果

3 绿化对场地热环境地改善作用

3.1 对环境温湿度及下垫面温度的影响

基于ENVI-met对两个案例的模拟结果，输出了（2017年7月23日）两种情形下1.5 m高处温度与相对湿度绝对差值云图（图4），可以清晰地看出在场地范围内出现了较大温度与湿度差值，且越靠近中心相差越明显。

图4 两种方案13∶00时刻的绝对差值云图

图5为两种方案全天时间温湿度线图，可以看出，清晨与傍晚时分两种方案的温湿度差异不是特别显著，但是正午时分可以明显的看出植物的降温增湿作用达到峰值，13:00时刻分别降温1.04℃、增湿3.27%，全天平均降温0.71℃、增湿2.35%。

图5 两种方案全天时间温湿度线图

图6 两种方案下垫面温度差值

图7 三种下垫面材料全天温度变化

场地的地面铺装换为植草砖材料后，相比于普通水泥材料其表面温度出现了明显的降低（图6），而且又设置了高大树木遮挡了大量太阳直射辐射，这使得降温作用更加明显。值得注意的是，植草砖材料表面可视为由地砖和植草的土壤表面这两种材料复合而成，所以分别计算了这两种材料全天表面的温度变化情况（图7）。同样地，植草砖材料的降温作用也在正午时分最为明显，其地砖表面相较于水泥可降温13.57℃，而植草的土壤表面的降温可达20.11℃，全天平均降温了12.67℃，印证了植草砖材料的良好降温效应。

3.2 对湿黑球温度（WBGT）的影响

湿黑球温度（以下简称 WBGT）作为室外热安全的评价指标，已被已被ISO7243标准体系认证[14]，在我国也有相关的应用[15]。WBGT是一个环境热应力指数，是由干球温度Ta、湿球温度Tw、黑球温度Tg按照如下关系复合而成：

综合考虑了黑球、湿球及空气温度，使得WBGT与空气温湿度、空气运动及太阳辐射等因素均相关，从而WBGT是一个与影响人体环境热应力的所有因素都相关的函数。对于不同活动量（以新陈代谢率为指标）下的人，ISO7243给出推荐WBGT阈值（表3）。

表3 ISO7243推荐的WBGT阈值

由于ENVI-met不能输出黑球温度数值，所以本次使用前人的经验公式来计算WBGT数值：

式中：ta为空气温度，℃；tmr为平均辐射温度，℃；qs为太阳短波辐射，W/m2；φ为相对湿度，%；V为风速，m/s。

式（4）中包含的所有自变量均可以 ENVI-met 模拟输出，不难算得两个案例在全天各时刻下的WBGT数值（图8）。

这里以新陈代谢率M＜117W/m2（相当于步行时的代谢率）并且热适应性好的人为例，以WBGT为指标，说明绿化对室外热安全性的影响。对于此类人群，WBGT阈值为33℃，从图8中不难看出无绿化情况下约9:30-13:40时间段内WBGT数值超过了阈值，而有绿化的情况下这一时间段缩短为10:20-13:00，可知绿化延长了全天处于热安全条件下的时间约1.5h，减少了室外过于炎热的环境带来的危害。

图8 两种方案WBGT全天变化

3.3 对标准有效温度（SET）的影响

标准有效温度（以下简称 SET）作为国内外广泛使用的热舒适评价指标，多用于评价室内的情况，但事实上SET并没有限制室内外的条件，所以同样也适用于室外环境。对于不同SET对应的温热感觉，生理现象及健康状态，ASHRAE给出了详细的定义（表4）：

表4 不同SET下的热感觉、生理现象及健康状态

本次采用清华大学林波荣[16]回归得到的经验公式计算SET：

式中：Ta为空气温度，℃；MRT为平均辐射温度，℃；qs为太阳短波辐射，W/m2；φ为相对湿度，%；V为风速，m/s；

图9 两种方案SET全天变化

根据两个案例模拟结果中上述变量输出值可分别计算出两种情况下的SET值全天变化情况（图9）。

可以明显地看出，无绿化情况下SET显著超过了有绿化的方案。从月7:30开始至15:30结束，共计约8h无绿化的案例下SET值超过了40℃的限值，甚至在8:30至13:30共计5h的时间段内，无绿化的环境下SET超过了45℃的最高限值，表明此时该环境存在着非常严重的热安全隐患，人体会出现体温上升、体温调节不畅、血液循环不畅等现象。相反，有绿化的案例下全天SET均未超过40℃的限值，与无绿化情况相比全天SET值平均降低6.12℃，在这样的环境下人体热感觉虽为不舒适，相应的热安全隐患大大减少。绿化之所以能显著的降低SET，一个很大的原因是绿化遮挡了绝大多数的太阳直射辐射，从式（5）中不难看出，太阳直射辐射qs对SET值起着很大的影响作用。另外，无论是现场观测还是ENVI-met模拟都可以观察得出，无绿化的场地从7:00至13:00时一直接受太阳直射辐射，因此这一时间段内SET值非常高，而13:00之后周边高层建筑的阴影遮挡了场地的大部分面积，接受到的辐射明显减弱，SET显著下降。然而对于有绿化的情况，植物始终遮挡了绝大部分的太阳辐射，这使得这种情况下SET值一直保持较低水平，说明绿化具有较强的降低热安全隐患的作用。

4 结论

针对场地在夏季条件下过于炎热的现状，本文设计了绿化改良方案，采取现场实测与ENVI-met模拟相结合的手段，发现绿化对该场地热环境的影响主要有以下方面：

1）绿化的降温增湿作用在全天温度峰值时刻最为明显，全天平均降温0.71℃，增湿2.35%。地面铺装改为植草砖后，与水泥相比全天平均降温12.67℃，效果显著。

2）绿化减少了环境WBGT超过阈值的时间（对于室外行人，可减少1.5h/天），降低了环境过热对人体的安全隐患。

3）未设置绿化的案例全天有约8 h的SET超过限值，增加绿化后植物遮挡大量太阳直射辐射，使得SET 显著降低，全天均处于限值以下，一定程度上提升了舒适度。