基于ENVI-met小学校园室外热舒适度研究——以合肥市为例

张少杰，舒 玲，肖铁桥，施晶晶,姜 龙

(安徽建筑大学 建筑与规划学院，合肥 230601)

小学生将在小学校园中度过60%的童年时光,其行为发展深受校园建筑及室外空间的影响。现阶段校园人性化设计中,良好的室外热舒适空间的重要性被不同程度忽视,因此,基于定量模拟方法进行的小学校园空间微气候及热舒适度研究具有意义。近年来，国内外学者对改善室外热舒适度策略的研究表明，植物蒸腾作用、建筑物和乔木的遮蔽、地表覆盖作用对热环境和人体热舒适有显著影响。

Antoniadis等[1]以希腊沿海两所小学校园为研究对象,通过生理等效温度(PET)来评估热感觉,地面材料的反射率、建筑物以及不同树种对热舒适的影响，得出增加树木和通风对降低PET值有显著作用。Ghaffarianhoseini等[2]通过ENVI-met数值模拟对热带地区吉隆坡学校热舒适条件进行评价，认为树木和相邻建筑遮蔽的空间能提供良好热舒适度条件，树木的种类、数量和位置进行有效设计能形成足够的阴影,来改善热环境。张安晓等[3]使用ENVI-met和DesignBuilder(建筑能耗分析软件)对一所中学的室外热舒适性和建筑制冷进行评估,并提出校园布局对室外热环境的影响,植被是改善热舒适度的有效设计策略。洪波等[4]通过室外热环境模拟平台(SPOTE)，研究6种建筑布局和不同树木布置的室外风环境和热舒适度，得出当建筑物长立面与盛行风平行时，边缘水平涡流的流动性增加,能创造出舒适的风热环境。

综上可见，国内外研究多集中于以成人生理参数为基础的较大尺度区域，以儿童生理参数为基础的小尺度校园研究较少。由于小学生与成人生理的差异和热感觉的不同，本研究结合小学生的生理参数，引入生理等效温度(PET)，利用ENVI-met软件对6类布局的校园进行微气候和生理等效温度(PET)模拟计算。比较分析不同布局校园室外热舒适度的差异以及PET与微气候的相关性,并在此基础上提出优化策略，以期为小学校园布局规划和景观营造提供参考。

1 研究地概况与研究方法

1.1 研究地概况

合肥地处中纬度地带(30°56′～32°33′N，116°40′～117°58′E),根据本气候分类系统，合肥属于Cfa气候区[5]，其降水量充沛，年均气温较高，风速季节性变化大。据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》记录,合肥市冬季主导风向为NNE(东北偏北风),夏季主导风向为S(南风)[6]。本研究基于合肥市夏季气候条件，2020年8月平均最高温度达到33.6 ℃，8月17日气温则高达37.4 ℃，且近三日天气均晴朗，故选取这一天作为研究日期。

1.2 研究方法

1.2.1合肥市小学校园布局分类

研究相同城市环境气候条件下,相似规模小学的不同建筑布局和空间形态对小学室外空间微气候和人体热舒适度的影响。利用Google Earth地图对合肥市区内有155所小学观测与记录,并参考相关学者对中小学校布局的研究[7-8]，将合肥市小学空间格局归纳为集中式、行列式和围合式3大类布局模式，按照每种布局建筑组合形式的差异,在此基础上细分为6小类(见表1),实际校园布局大多属于这6种布局模式,或是在这些模式上进一步发展与组合。依据建设规范和实地调研数据建立基本原型，合肥市小学教学楼多以4层建筑为主,建筑间距不小于25 m[9]，普通教室最小净高为3 m；校园内硬质区域占比较大，绿地面积仅满足基本绿地率指标，高大的乔木分布在校园四周,种植形式较为单一。

表1 合肥市小学布局形式

续表1

1.2.2模拟数据的待分析样点选择

基于小学室外空间的相关研究[10-11]，结合小学生行为活动特征,选择操场、建筑操场间和庭院3处使用效率较高的区域设置研究样点，操场样点位于操场中间，建筑操场间的样点选择在距离建筑外轮廓线6 m位置，庭院样点设置在庭院中部。庭院又分为有绿化和无绿化两种形式，其样点设在有绿化庭院(草坪+灌木)和无绿化庭院(混凝土铺装)内,最终，每种布局在操场、建筑与操场间、庭院区域共有4个研究样点。基于各样点行人高度(1.4 m)的微气候和热舒适度的输出结果,探究08∶00-19∶00典型时间段内不同布局校园样点热舒适度情况以及微气候与热舒适度的相关性(见表1)。

1.2.3室外热舒适度评价指标选取

人体对室外热环境的感觉主要受空气温度、湿度、风速等气象参数以及衣着、活动水平等个人参数的影响。热舒适度指数表征人体对复杂环境条件的热感觉,是评价热环境的重要指标[12]。目前生理等效温度(PET)、预计平均热感指数(PMV)、标准有效温度(SET*)和通用热气候指标(UTCI)4种指标被广泛应用于室外热舒适度评价,其中生理等效温度(PET)基于慕尼黑个人能量平衡模型[13]已被国内外学者多次验证使用,其方程式如(1)所示:

M+W+R+C+ED+ERe+ESw+S=0

(1)

其中M表示代谢率，W表示外部功，R表示身体净辐射，C表示对流热流，ED表示水蒸气扩散引起的潜热流量，ERe表示通过呼吸进行的热交换，ESw表示汗水蒸发而产生的热流，S表示储热。

由于热舒适度指标受地理位置和气候的影响，根据气候区域不同将热感觉划分为9个等级区间[14-15]，同气候区的人体热感觉差异较小。由于合肥与长沙均属于Cfa气候区,参考刘蔚巍[16]基于7800多个野外数据对长沙市室外热舒适度研究并修改了PET范围，采用修改后的长沙PET值范围作为评价合肥市室外热舒适度的标准(见表2)。

表2 PET值等级范围划分

1.2.4 ENVI-met模型建立及参数设置

ENVI-met是一个基于流体力学、热力学和城市气象学的三维模拟软件,已被广泛验证并用于城微气候评估[17],包括用于不同尺度校园的微气候研究[18-19]。为探讨不同小学校园热舒适度分布以及生理等效温度(PET)与微气候关系，使用ENVI-met(V4.4.5)对6类小学校园布局进行数值模拟,具体分为微气候模拟和Bio-MET热舒适度计算两个步骤。

研究地位于合肥市,经纬度设置为117.28°E，31.86°N,模拟日期为2020年8月17日。为兼顾实验效率和结果的准确性,模拟设置简单强制模式,模拟时间为04∶00-19∶00，持续15 h,前4 h为实验预热阶段,选择学生在校时间08∶00-19∶00作为研究时间段。ENVI-met软件模拟所需的气象数据来自合肥市气象站(站点:58321)，04∶00的温度作为模拟的初始温度，主要参数设置如表3所示。

表3 ENVI-met软件参数设置

校园相关参数按照实地调研和规范设定,外部环境上，考虑到相关规范对校园日照要求较为严格，外围建筑距离较远且新建校园多位于城市新区，故不对外部环境作单独考虑。校内参数选取上，建筑层数为4层,高度设置为16 m,楼间距为25 m，铺装材质选择混凝土和土壤；在植物配置上,选择数据库内的国槐作为校园乔木树种,是合肥市常见行道树;庭院绿化选择“草坪+灌木”的方案,按照相关规范进行种植设计。

影响人体热舒适的客观因素包括气候因素和生理因素,基于微气候数据和人体生理参数,利用ENVI-met的BIO-met软件计算得出生理等效温度(PET)分布情况，与成人的代谢基础相比，儿童新陈代谢率较高，有助于单位体重产生更多热量[20]，依据已有研究和软件限制,本研究使用10岁男孩生理参数计算生理等效温度(PET),其身体表面积1.14 m2,室外活动步行强度为1 m/s,服装热阻为0.3 clo，基础代谢率为51.1 w/m2，总代谢率为100.6 w/m2。使用ENVI-met计算热舒适度的基础路线图如图1所示。此外,考虑到网格限制和适用人群特性,选择1.4 m的行人高度作为研究分析高度。

图1 室外热舒适度评价基础路线图

2 结果与分析

2.1 不同布局样点的热舒适度研究

根据合肥市大多数小学课程表，小学生较长的室外活动时间为第一节课后，进行早操和升旗仪式的时间段(8∶50-9∶30)、午休期间(12∶00-14∶00)以及放学后(17∶00-18∶00)，结合各布局样点PET逐时数据，重点分析这3个时间段内不同活动区域的室外热舒适度情况。

从各样点PET值逐时变化情况来看(见图2)，PET值均在14∶00或15∶00达到峰值，随后逐渐降低，并在18∶00后低于46 ℃，热感觉从“极热”降为“热”，符合一天内气候变化规律。不同布局的热舒适度情况如下。

图2 不同布局各样点PET值随时间变化趋势

2.1.1集中式布局

集中式布局(A1)因建筑形体和布局较单一，室外多开敞空间，样点平均辐射温度、风速等微气候逐时数值接近,进而4个样点PET值和变化趋势和较为接近,峰值差异最小。在8∶00-18∶00各样点PET值均高于46 ℃，热感觉为“很热”，在18∶00后低于46 ℃，热感觉“热”；8∶50-9∶30操场和建筑操场间样点的PET值较小,有庭院绿化样点PET值较高，此时各样点的温湿度和平均辐射温度数值接近，原因是风受到庭院内植物的阻挡，较低的风速导致PET值较大；在12∶00-14∶00各样点PET差异不大；在17∶00-18∶00有庭院绿化样点PET值大幅度下降约15 ℃,并在18∶00时低于其他样点,原因是此时受树木遮挡作用,平均辐射温度辐射较低，而其他样点暴露于太阳辐射下，热舒适度值较高。

2.1.2行列式布局

行列式布局(B1、B2、B3)的室外空间更为多样化，各样点PET值逐时差异也较为显著。在14∶00时建筑操场间样点达到峰值，其余样点均在15∶00时达到峰值，人体热感觉为“很热”的等级。操场样点PET值相比于其他样点变化程度较为平缓。在8∶50-9∶30和12∶00-14∶00建筑操场间的PET值最低，庭院内的PET值最高，原因是操场区域风速较大，庭院风速最低，不能很好地散发热量，同时有庭院绿化的样点PET值比无绿化低约1～3 ℃；在17∶00，B2布局的庭院样点PET值最低，热感觉为“热”，原因是太阳方位角变化，此时庭院样点位于左侧建筑阴影内，平均辐射温度最低，B1和B3布局的庭院样点未受到建筑遮挡，热感觉仍为“很热”；在18∶00，B1布局中操场受到建筑右侧的遮挡，PET较低，且其余样点也均低于38 ℃，热感觉为“暖”；B2布局3个样点PET值低于38 ℃，B3布局仅建筑操场间样点低于38 ℃。总体来看，行列式布局中B3布局的热舒适度环境最差。

2.1.3围合式布局

两种围合式布局变化趋势接近，8∶00庭院内PET值最低，热舒适度为“暖”，第一节上课前，学生在庭院内进行活动；8∶50-9∶30和12∶00-14∶00庭院样点PET值最高，操场和建筑操场间PET值较低，此外有绿化的庭院PET值比无绿化低1～4 ℃；在17∶00-18∶00有庭院绿化样点PET值最低，无绿化庭院PET值最大，此时庭院绿化样点的温度和平均辐射温度均低于无绿化庭院，说明庭院的PET值大小与平均辐射温度有相关性。

总体来看，操场处于开阔区域，PET值变化稳定，其他样点受建筑阴影和树荫的影响，变化幅度较大，大部分时间段内操场样点的PET值低于庭院；空间较为封闭的庭院的绿化对热舒适度有显著降低作用；行列式中B3布局的校园室外热舒适度环境最差；在14∶00后行列式、围合式的操场建筑间样点PET值较低，此时学生可在操场建筑间活动，但大部分时间段PET值大于46 ℃，热感觉达到了最高等级，校园热环境恶劣。

2.2 生理等效温度(PET)与微气候的相关性分析

上述得知各样点的生理等效温度(PET)值与微气候因子之间有不同程度相关性，因此，本研究基于各样PET值和微气候数据，使用Pearson相关系数进一步分析PET与微气候因子的关联性，得出所有样点PET值均与平均辐射温度存在显著正相关，部分样点与风速、温度和相对湿度呈显著相关(见表4)。

表4 各样点生理等效温度(PET)与微气候因素的相关性分析

所有样点PET值与平均辐射温度均呈显著正相关，相关系数接近1且P<0.01，即平均辐射温度越高，PET值越大，热舒适度越趋于炎热状态。部分样点PET值与风速、温度和相对湿度有显著相关性。集中式布局各样点PET值仅与平均辐射温度呈显著相关性，与其他微气候因素相关性弱；行列式布局庭院内的逐时风速均小于0.5 m/s,呈无风状态，因此其样点PET值与风速的相关性并不明显，而操场建筑间样点逐时风速较大，PET值与风速呈显著负相关，说明良好的风环境能有效改善PET值。围合式庭院PET值与温度呈显著正相关性(0.703*，P<0.05；0.740**，P<0.01)，与相对湿度呈显著负相关，庭院PET值与风速呈不显著的负相关。

3 夏季高温地区小学校园室外热舒适度优化策略

基于上述研究，得知所有样点PET值与平均辐射温度呈显著正相关，部分样点与温度呈显著正相关，与风速和相对湿度呈显著负相关。植物的种植、建筑布局、地面铺装能在一定程度上改变太阳辐射通量、风速、风向和温湿度，进而影响人体热舒适度，因此，基于这三种影响因素，对夏季高温地区小学校园室外热舒适度的改善提出以下策略。

3.1 植物改善策略

植物作为改善室外热舒适度的最小干预措施，通过遮阳和蒸发蒸腾作用来调节微气候。依据上文模拟结果，有绿化的庭院热舒适度优于无绿化庭院，乔木对热舒适度的改善效果也明显优于草坪和灌木。因此，在小学校园景观设计中选择悬铃木、广玉兰、国槐、女贞、香樟等高叶面积指数(LAI)和大冠幅乔木来遮挡阳光辐射，从而降低地表温度，改善和调节室外热舒适度。此外，增加校园植物的覆盖率也能有效降低室外热舒适度，现有小学校园仅满足单一的绿地率，乔木多种植于校园四周，应增加乔木及灌木种植面积，丰富校园植物的种类，并搭配观花观叶类植物，提高小学校园活力；由于校园面积有限，除增加地面覆盖率外，增加垂直绿化和屋顶绿化也能起到调节温度、改善热环境的作用。

3.2 建筑布局改善策略

建筑能影响校园的风环境和天空开阔度(SVF)，削弱太阳辐射，进而影响室外热舒适度。一是建筑布局顺应夏季主导风向，且与主导风向呈一定夹角，能形成有效通风。其次，建筑底层需局部架空或在建筑迎风处和出风处设置开口；此外，风速离散度与平均建筑高度显着正相关，串联行列式布局迎风面的建筑宜低于下风向建筑高度和长度，并联行列式的布局可采用交错布局形式，这种形式与B3行列式布局相比，其风速离散度和平静风区更低。二是降低天空开阔率(SVF)，减少太阳直接辐射。充分利用建筑和乔木树冠作为遮挡，根据夏季建筑阴影的变化情况，合理布置课间活动的区域，并通过建造遮荫构件等干预措施来增加活动区域的遮荫时间

3.3 路面铺装改善策略

“凉爽路面”作为缓解热岛效应和改善热舒适度的措施，通过反射太阳辐射和蒸发冷却来降温，路面铺装材质主要分为两种：高反射率材料和透水材料。高反射率材料通过反射太阳辐射，且向周围释放的长波热量更少，因此较高反射率的铺装对温度的冷却效益较好。总结校园常用铺装反照率从大到小依次为：瓷砖路面>花岗岩路面>混凝土路面>草地>荷兰砖路面>沥青路面，路面材质的反射率越高，其表面温度越低，对热舒适度能起到缓解效果。透水材料由于孔隙率较大，在下雨时能储存雨水，并在雨后炎热时段通过蒸发冷却地表温度，对空气温度和热舒适度有一定影响。此外，透水铺装能补给地下水、减少地表径流和吸收噪音等作用。因此选择校园铺装时，合理利用高反射率铺装和透水铺装来改善室外热舒适度。

3.4 合理布置室外活动区域

在这6种小学校园中，封闭庭院空间的风速较小，导致热舒适度较差，在早上8∶00之前B1、C1、C2布局种庭院的PET较低，在17∶00-18∶00，B2、C1、C2布局中有绿化的庭院受到建筑和植物的遮挡，加之植物蒸腾作用，此时PET值最低，小学生可在庭院内活动；建筑右侧拐角处和建筑操场间风速较大，并在下午受到西侧建筑的遮挡，平均辐射温度较低，有良好的风热环境，可在此处增加活动区域以及布置活动设施。

4 结语

以合肥市典型小学布局为原型建立了6种模型，通过数值模拟比较分析6类小学校园布局室外热舒适度情况。大多时间段内样点PET值都大于46 ℃，热感觉均达到“很热”等级，校园热环境恶劣；集中式布局各样点逐时PET值接近，在8∶50-9∶30和12∶00-14∶00间，行列式和围合式布局建筑操场间的PET值最低，庭院内的PET值最高；在17∶00时B2、C1、C2布局中有绿化的庭院PET值最低。不同布局各样点均与平均辐射温度呈显著正相关，说明影响热舒适度的最主要因素则是平均辐射温度，与其他风速、温度和相对湿度存在不同程度的相关性。

最后，从四方面提出了校园室外热舒适度优化策略：第一，选择高叶面积指数(LAI)和冠幅较大的乔木，并增加植物的覆盖面积；第二，建筑布局应顺夏季主导风向，适当降低天空开阔率(SVF)；第三，路面铺装选择高反射率材料和透水材料；最后，根据校园室外风热情况合理布置室外活动区域。