基于ENVI-met模型的绿化布局模式对洛阳城市生活性街道热环境的影响研究

史雅君,王燕飞,葛霄汉,顾子暔

(1.河南科技大学 土木建筑学院,河南 洛阳 471000;2.河南科技大学 土木建筑学院河南生态与智慧人居环境营造工程技术中心,河南 洛阳 471000)

随着我国城市化建设的高速发展,大量不透水地面替代自然下垫面,对地表能量交换产生影响,使得城市气候发生了巨大变化[1]。街道作为城市景观空间类型的重要组成部分且覆盖城市建设用地面积的1/4[2],其微气候能够对行人及周围居民产生重要影响。

城市绿地是城市结构中自然生产的动力,通过影响大气、水热循环等过程达到有效调节城市微气候的作用[3]。近几年,国内外针对街道环境与热舒适性之间的关系展开了大量研究,表明街道绿化与街道热舒适具有较强的相关性。刘滨谊[4]运用垂直实验的研究方法,测量空气温度及相对湿度等微气候影响因素,研究表明树冠表面与任性活动空间的温差值最大为10 ℃。Boukhabla Moufida[5]研究发现有无绿化温差值可达6.57 ℃,空旷处风速明显大于0.76 m/s,且太阳辐射总量超过800 W/m2。以上针对街道热环境的研究多在特定气候条件下开展,不同的城市区域地理纬度不同、气候不同,研究所得策略的普适性不可一概而论。目前,关于洛阳地区街道微气候的相关研究较少,因此,本文对洛阳地区生活性街道内的绿化布局模式进行单因子变量研究,采用UTCI热舒适评价指标对区域热舒适环境进行分析,提出具有可操作性的气候适宜性规划设计策略。

1 研究方法

ENVI-met是一款城市微气候模拟软件,主要对城市中小尺度空间表面-植物-地面之间相互作用进行动态模拟[6]。本文利用ENVI-met软件模拟不同绿化要素(温度、湿度、风速、太阳辐射热量等)对街道微气候的影响,运用建模、参数、计算、后处理等步骤对模拟数据进行可视化分析[7]。

1.1 模拟参数设置

研究模拟日期为2022年8月12日,气象参数来自河南科技大学开元校区土木建筑学院楼顶气象站,数据频率为15 min 1次,记录时长为24 h。模拟前对软件进行8 h预热,其模型空间高度应设置为最高建筑的2倍,该高度下模拟数据更加准确及稳定。模拟参数如表1所示。

表1 模拟参数设置

1.2 模型验证

为验证模型的准确性,需对实测地块安徽路进行ENVI-met建模校验,各监测点位置见图4。模型验证方法采用RMSE(均方根误差)和MAPE(平均绝对百分比误差)两类指标对模型的准确性、精确度进行评价。通过对各监测点气象数据实测值与模拟值的误差分析结果可知,实测空气温度及相对湿度与ENVI-met模拟值误差较小,可以较好地反映街道环境真实情况,且两者均在5%的误差范围内(见图1、图2及表2)。由此可推断ENVI-met模拟结果能够对室外微气候环境做出客观分析评价,具有科学性、有效性。

a 实测温度 b 实测湿度

a 模拟温度 b 模拟湿度

表2 研究区4个测点气象要素实测值与模拟值均方根与平均百分比误差

2 城市生活性街道调研及模型建立

2.1 研究区域

洛阳城市生活性街道以一板两带式断面形式为主,街道两旁建筑类型以多层居住区为主,其中树池式绿化形式占比最多。

本文以生活性街道概念为基础,选取涧西区安徽路为主的450 m×200 m的地块作为研究对象(见图3、图4),该区域具备生活性街道的典型特征。研究区域内建筑界面规整,街道两侧住宅均为6～7层,靠近牡丹广场及涧西区人民医院。街道内种植的植物均为本地常见的乔木树种二球悬铃木,冠幅主要集中在8～10 m,乔木种植间距约为8 m。

图3 安徽路区位图

图4 安徽路各测点平面图

2.2 理论模型建立

表1已对模型参数设置进行介绍,理论模型研究范围为350 m×220 m,街道网格数目设置为175×110×24,网格精度为2 m×2 m×2 m。按照《洛阳市城市建筑规划管理技术规定》,建筑单体参数设置为56 m×14 m×24 m(长×宽×高)。机动车道为灰色水泥路,人行道地面铺装为玄武岩砖。

绿化布局方式可以通过垂直结构和水平结构两个层面进行抽象化描述[8]。绿化布局模型共设立7种(见表3、表4),为表述方便,后文均以模型编号进行表述。

表3 垂直结构层面(不同绿化带布局)模型构建

表4 水平结构层面(不同种植密度)模型构建

2.3 热舒适性指标

热舒适性指的是受访者在某地某时对热环境的一种意识状态或主观感受。人体对热舒适性的满意度受微气候环境影响的因素包括空气温度(Ta)、平均辐射温度(Tmrt)、相对湿度(RH)和风速(V)等[9]。人体自身的热平衡对热舒适性也会产生影响,如人体活动量、衣着等。综合国内外有关室外热舒适性评价指标的研究文献,不同因素及适用环境的热舒适评价指标体系对比如表5所示,本文采用UTCI热舒适性评价指标体系。

表5 不同评价指标体系对比

3 城市生活性街道热环境研究分析

3.1 温湿度分析

模拟测试点设置5处,在街道西侧、东侧各设1处,街道中心区域截面设置3处。通过对7种理论模型的逐时空气温度变化看,空气温度数据统一提取当日15:00,高度为1.4 m的数据(见图5)。由图5可知,按照空气温度从低到高的顺序,整体区域变化幅度较为明显,其中垂直结构层面为A2

a 空气温度 b 相对湿度

通过对各点相对湿度模拟结果分析,按照相对湿度从低到高的顺序,垂直结构层面为A1

3.2 UTCI通用热气象指数热舒适性评价

将空气温度、空气湿度作为街道热环境比较参数,对街道热环境进行客观评价。

15:00、高1.4 m处的UTCI水平分布如图6所示。7个模型的空气温度的加权平均值主要集中于43 ℃左右,B1～B4种植密度的加权平均值分别为43.73、43.79、43.91、43.99,A1～A3为43.67、43.44、43.08。A3与A1、A2热舒适度差异较大,最大差值为0.59,B1～B4的最大差值为0.26。整体而言,高种植密度及路侧绿化式布局形式对室外空间舒适度有很大的改善。

图6 15:00、高1.4 m处的UTCI水平分布图

4 结论与展望

本文研究了街道绿化布局模式对热舒适性的影响,构建了种植密度及绿化带布局两类绿化影响要素。得出以下结论:(1)在水平结构层面,当乔木种植密度较高时,对空气温度及人体热舒适改善较为显著,但应注意乔木种植密度要适度,避免乔木遮阴面积重叠。(2)在垂直结构层面,灌木、乔木对于空气温度、湿度影响较大,草地对微气候影响最小。路侧绿化式布局模式(即增加灌木绿化带数量)下空气湿度明显高于其他模式。在乔木遮阴率不变的情况下,灌木覆盖率与湿度提升成正比,路侧绿化式布局模式对人体热舒适度改善明显。(3)灌木绿化带数量的增加使得街道内风速降低,阻碍街道通风,部分测试点温度出现小幅度上升,因此灌木高度、叶面积及合理的种植设计也较为重要,合理的灌木配置可提升区域人体热舒适度。综上,高种植密度、合理的绿化带布局形式及街道内良好的通风是提高街道居民人体热舒适度的重要途径。

目前本文只考虑了多层建筑下的绿化布局模式对微气候的的影响,街道两侧建筑类型选取较为单一,后续工作应对不同建筑高度及街道绿化要素对热舒适性的影响进行探讨与补充。