绿化布局模式对湿热地区城市住区室外热环境影响分析

刘 扬（深圳市建筑设计研究总院有限公司， 广东 深圳 518031）

我国南方地区以湿热气候为主，随着城市化进程的加快，南方地区城市人口快速增加，城市规模不断扩大，城市热环境问题凸显，对城市居民生活、健康和社会经济产生一系列直接和间接的负面影响。具体表现为对城市人群的生理和心理健康产生负面影响、能耗增加、加剧空气污染、促使光化学烟雾的形成[1]。居住区（以下简称住区）作为城市不断扩大、人口日趋密集的现代人居环境形式，其室外热环境的优劣越来越受到关注。探索合理的住区布局模式，改善湿热地区人居环境，促进城市可持续发展，是当前亟待解决的问题。

绿化具有净化空气、蒸腾吸热、遮阳降温、隔声降噪等生态功能，在改善人居环境方面起着不可或缺的作用。合理的绿化设计不仅可以美化环境，还可以调节住区微气候，改善室外热环境。利用有限的绿地面积，通过合理的绿化布局改善室外热环境，对于城市住区设计具有重要的参考价值。

住区室外热环境的研究方法主要有现场测试分析评价、热红外遥感分析评价与计算机模拟评价 3 种模式。随着计算机模拟技术的成熟，采用计算机模拟的方法来研究室外热环境逐渐成为主流[2]。ENVI-met 是 Bruse 和 Fleer 于 1998 年开发的一款对流传热辐射耦合模拟计算软件，经过不断完善，目前已广泛应用于世界不同地区的城市微气候研究。该模拟软件基于热力学和流体力学原理，包含了两方程的湍流模型，并加入了植物对流动及湍流的影响。软件采用一种简化的辐射模型进行辐射换热计算，并能够通过计算反映固体内部的非稳态导热过程，可以对城市小尺度区域表面和植物与空气之间相互作用进行动态模拟[3]。

1 室外热环境模拟气象数据的选取

本文的研究对象为湿热地区城市住区，因此在 ENVImet 模拟中选用湿热地区代表城市深圳的气象数据，模拟结果适用于与深圳气候条件相似的湿热地区其他城市。

根据《建筑用标准气象数据库》中提供的资料，选用深圳 7 月典型日气象参数作为相关边界条件的设置依据。空气温度及相对湿度均按表 1 进行设置，太阳辐射强度通过调整云量使计算得到的水平直射辐射与水平散射辐射与表 1 中的数据接近。风向及风速根据《民用建筑绿色性能计算标准》取深圳夏季盛行风 ESE（112.5°），10 m 高度平均风速为2.7 m/s。

表 1 深圳市 7 月典型日气象参数

2 室外热环境评价指标

在得到室外热环境的多种参数后，需要一个综合性指标以便对室外热环境舒适性进行评价。

通用热气候指数（Universal Thermal Climate Index,UTCI）是在世界气象组织（WMO）气候学委员会的倡导之下，由欧洲科学与技术合作计划 730 号行动将来自23 个国家的 45 位科学家召集起来，融合生理学、医学、数学、气象学及计算机科学等众多领域最前沿的专业技术知识，共同建立的一个基于多结点模型的评价指标。该指标的多结点模型将人体明确分为具有热调节功能的主动系统和人体内部传热过程的被动系统，主动系统用来模拟人体代谢、皮肤血液流动的减弱(血管收缩)和加强(血管舒张)、发汗、发抖等；被动系统需要考虑人体不同部位表皮、真皮、骨骼、肌肉、内脏等组分的差别, 模拟各区段中血液循环、新陈代谢、热量传导与累积等人体内部传热过程，在热交换过程上，包含了表面对流、长短波热辐射、皮肤表面水分蒸发、呼吸等因素。UTCI 结构复杂，考虑细致周全，拟真度高，可以广泛应用于气象服务、公众健康预警、城市规划、旅游娱乐等诸多领域。人体热舒适与 UTCI 的关系如表 2 所示[4]：

表 2 人体热感觉与通用热气候指数 UTCI 的关系

3 分析模型建立与参数设置

按照《城市居住区规划设计标准》等要求，以典型的塔式住宅为例建立住区分析模型。建筑按行列式布局，高度均为 90 m。地面道路宽度均为 10 m，采用普通混凝土铺装（反射率 0.4，辐射率 0.9）。

根据常见绿化形式，对草地、灌木＋草地、乔木＋草地、乔木 4 种绿化模式下的室外热环境进行模拟，相关模型如图 1 所示。

图 1 绿化布局分析模型

ENVI-met 中的植物模型主要模拟植物与周围环境的热质交换过程。植物在ENVI 中通过如下参数进行定义：高度 Zp、叶面积密度 LAD（Leaf Area Desity）、根面积密度RAD（Root Aera Density）、气孔率、树叶表面发射率及季节属性（常绿或落叶）等。

在绿化形式方面，分别对草地、灌木、乔木 3 种基本类型下的工况进行分析。其中草地高度为 0.25 m，叶面积指数 LAD=0.3；灌木高度为 2 m，叶面积密度LAD=2.5。

考虑到乔木形态的差异，选择了栾树、蓝花楹、梧桐树、中棕榈树、大棕榈树、共 5 种湿热地区常见树种进行分析。绿化布局形式选择乔木＋草地低密度沿道路分布。

在绿化密度方面，对乔木（梧桐树）和灌木分别在中、高密度条件下的工况进行模拟，并加以对比分析。

在绿化位置方面，对乔木（梧桐树）和灌木分别在沿道路分布、沿建筑分布条件下的工况进行模拟，并加以对比分析。乔木类型及参数如表 3 所示。

表 3 乔木类型及参数 单位：m

4 结果与分析

4.1 绿化形式对室外热环境的影响分析

对灌木＋草地、乔木＋草地、乔木在低密度（沿道路）分布条件下的室外热环境与仅有草地条件下的室外热环境进行对比分析。图 2 为不同绿化形式下 UTCI 平均值对比，图3 为不同类型乔木在低密度（沿道路）布局条件下 UTCI 平均值对比。

图 2 不同绿化形式下 UTCI 平均值对比

图 3 不同类型乔木在低密度（沿道路）布局条件下UTCI平均值对比

对比各绿化形式下的 UTCI 值，昼间室外 UTCI 值从低到高的绿化形式分别为：乔木＋草地、乔木、草地、灌木＋草地。夜间室外 UTCI 值从低到高的绿化形式分别为：乔木、乔木＋草地、草地、灌木＋草地。综合昼间与夜间工况，乔木＋草地的条件下室外热环境最佳。灌木＋草地的条件下室外热环境最差。

乔木的树冠直径、树冠距地面高度、树叶疏密程度对室外热环境均有影响。对不同类型乔木对室外热环境的影响进行对比可知，昼间室外 UTCI 值从低到高的布局形式分别为：梧桐树＋草地、栾树＋草地、中棕榈树＋草地、大棕榈树＋草地、蓝花楹＋草地。夜间室外 UTCI 值从低到高的布局形式分别为：梧桐树＋草地、大棕榈树＋草地、中棕榈树＋草地、蓝花楹＋草地、栾树＋草地。综合昼间与夜间工况，梧桐树＋草地的布局条件下室外热环境最佳。

综上，在湿热地区住区绿化形式的选择上，优先采用乔木＋绿地的形式，减少灌木的配置面积，可以有效改善室外热环境。同时，选择树叶茂密、树冠直径较大且距地面较高的乔木对室外热环境的改善效果最佳。

4.2 绿化密度对室外热环境的影响分析

对乔木＋草地及乔木在不同密度条件下的室外热环境进行分析，随着乔木密度增加，室外遮阳面积增加，平均辐射温度降低，近地面空气温度降低，但也会导致近地面风速降低。乔木＋草地及乔木在中密度条件下的 UTCI 值比在低密度条件下的 UTCI 值有明显降低，但与高密度条件下的 UTCI值基本相同。因此，从改善室外热环境的角度，绿化乔木达到中等密度即可。

对灌木＋草地在不同密度条件下的室外热环境进行分析，随着灌木密度增加，室外遮阳面积增加，平均辐射温度降低，但会导致近地面风速大幅降低，近地面空气温度增加，UTCI 值增加。因此，增加灌木密度会导致室外热环境的恶化，从改善室外热环境的角度，应尽量减少灌木密度。图 4 为乔木在不同绿化密度条件下 UTCI 平均值对比，图 5为灌木在不同绿化密度条件下 UTCI 平均值对比。

图 4 乔木在不同绿化密度条件下 UTCI 平均值对比

图 5 灌木在不同绿化密度条件下 UTCI 平均值对比

4.3 绿化位置对室外热环境的影响分析

对乔木及灌木在建筑前后及沿道路分布条件下的室外热环境进行分析。由室外平均辐射温度、风速、空气温度的对比可知，在种植密度不变的条件下，绿化位置的改变对室外平均辐射温度及近地面空气温度基本没有影响，但对近地面风速有一定影响，乔木沿道路分布时对风场阻碍作用较小，UTCI 值较低。图 6 为不同绿化位置条件下UTCI 平均值对比。

图 6 不同绿化位置条件下 UTCI 平均值对比

5 结 语

本文运用微气候模拟软件 ENVI-met，以深圳市典型住区为例，从绿化形式、绿化密度、绿化位置 3 个方面，对不同类型绿化布局条件下的室外热环境进行模拟分析，得到以下结论。

（1）绿化布局对场地遮阳、通风及近地面热交换均会产生影响。绿地可以有效降低近地面温度但基本没有遮阳效果。灌木有一定遮阳效果但对近地面风场阻碍较大。乔木遮阳效果相对最好且对近地面风场影响较小。乔木＋草地的组合形式对于改善室外热环境效果最佳。

（2）乔木的树冠直径、树冠距地面高度、树叶疏密程度对室外热环境均有影响。在景观设计时，选择树叶茂密、树冠直径较大且距地面较高的树种，可以更有效地改善室外热环境。

（3）适当提高乔木种植密度可以改善室外热环境，但当乔木密度达到一定值时，会导致室外近地面风速显著下降。因此，从改善室外热环境的角度，绿化乔木达到中等密度即可。

（4）相比草地和乔木，灌木对室外热环境的改善作用最小。增加灌木密度会导致室外热环境的恶化，从改善室外热环境的角度，应尽量减少灌木的种植密度。

（5）在种植密度不变的条件下，绿化位置的差异仅对室外通风产生一定影响。乔木沿道路布局条件下室外通风效果较好，室外热环境较佳。