基于ENVI-met模型的校園肌理形態對室外微氣候的影響研究
——以安徽建筑大學為例

張少杰，周子慧，水滔滔，何晴晴

(1.安徽建筑大學 a.建筑與規劃學院，b.環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601;2.安徽省BIM工程中心，安徽 合肥 230601;3.安徽省裝配式研究院，安徽 合肥 230601)

快速城市化進程催生了大量的高密度城市建成區，因此對城市微氣候的研究愈加被當代學者所重視.而在眾多影響城市微氣候的因素中，物質空間肌理形態對微氣候的影響作用十分顯著.通過對校園肌理形態參數對外部空間微氣候影響的研究，可以獲得兩者相互影響規律，建立起校園肌理形態要素與外部空間微氣候間相互影響的物理機制，進而以此來指導校園設計、更新或改造[1-3].

Fazia等利用ENVI-met討論了街道縱橫比和方向對人體舒適度的影響[4]，Gusson等利用ENVI-met 對地區進行微氣候模型構建，并對比了兩者的建筑密度和建筑類型對微氣候的影響[5]，Lyu等利用ENVI-met 證明使用SVF(包括建筑高度、布局和密度)等綜合參數可以反演城市形態對熱舒適的局部影響[6]，Jin等研究了街道的微氣候、建筑物采暖對周圍熱環境的影響以及街道的形態特征與微氣候和人類舒適度之間的關系[7].Wei等通過ENVI-met結合實測氣象數據值分析了影響室外熱環境時空分布的不同因素[8].丁沃沃等分析了嚴寒地區城市氣候和城市形態參數之間的關聯機理，研究了溫度、風速與建筑密度的關系[9].丁波榮等對哈爾濱街區形態要素與溫度的相關性進行了分析[10]，黃葉梅等利用ENVI-met分析城市道路肌理在中微觀層面的微氣候狀況[11].杜思宏等利用ENVI-met定量研究了沈陽街區城市形態指標與空氣溫度、地表溫度及平均風速的相關性[12].

城市形態和城市微氣候二者關系的連接點是城市形態的指標參數，研究形態參數的合理閾值是確立設計原則、修訂城市建設規范的重要基礎[13].在對城市肌理形態要素定量研究時，單純提高反射率不一定能改善室外熱環境[14]，而迎風面建筑密度(λF)可以作為淺街谷風環境的研究補充[15].在城市中心區可通過增加高層建筑的底層架空空間以及加強公共活動空間的地面滲透性能來改善街區室外熱環境[16].張叢驗證可通過模擬軟件推算不同水體布局模型導致的廣場微氣候因子的變化情況[17]，黃葉梅等驗證了ENVI-met可用于研究空間形態與尺度人體舒適性的影響[18].鄧寄豫提出從街區肌理形態層面對街區物質空間形態的相關參數與控制因素進行解析與分類量化[19].

城市空間肌理是由路網結構與街區尺寸等結構要素和城市建筑單體、綠化、水體、不同材質的地表面等肌理元素組成.當前針對城市空間肌理形態對微氣候影響的定量研究表明，影響微氣候的城市空間肌理形態參數，主要包括建筑密度、建筑高度、天空開闊度、綠地率等.現階段的城市空間肌理形態與微氣候關聯性的研究多針對城市的大尺度空間，而對于校園等小尺度空間的關注與研究較少.本研究通過研究校園肌理形態參數對外部空間微氣候的影響，可以更深入地理解校園肌理形態對空間微氣候的影響規律，從而提出有效的優化策略，并以此來指導校園設計、更新或改造.

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

研究區域位于安徽省合肥市蜀山區，屬于夏熱冬冷地區.夏季平均氣溫為27.5～28.5 ℃；冬季月平均氣溫為 1.5～5.0 ℃.城市主導風向為東南風，其中夏季東南風，冬季偏北風，年平均風速為1.6～3.3 m/s.研究區域位于安徽建筑大學南校區內，為學校主要教學區域，場地面積約83 622 m2.路網為中心環路與四周正交道路相結合.主要建筑有主教樓、東西輔樓、機電樓、逸夫樓和圖書館，其中主教樓為底層架空建筑；下墊層種類主要包括花崗巖硬質鋪裝、草地和水體.

1.2 研究方法

1.2.1 ENVI-met模型構建

以2021年4月29日為例進行模擬前的氣象參數設定，由位于安徽建筑大學校內型號為 PC-8的物聯網氣象站獲得4月29日當天的溫度、濕度、風速、風向等初始數據，其他未列出參數均按照軟件默認設置.模擬時間設定為日出前5點至日落后20點，共15 h.主要參數設置詳見表1.

表1 4月49日初始氣象參數統計表

所選區域為梯形，下底約為 1 100 m，場地寬約為 800 m.由于建筑模型不可緊貼邊界，所以模型場地尺度設定為 1 160 m×860 m.模型平面上單位網格尺寸設為 5 m×5 m，網格數共 232×172個.高度層面，場地內最高建筑高度為 78 m，由于模型高度需為實際高度的兩倍，故將高度單位網格設為 4 m，網格數為 39個.在最終構建的模型中，網格分辨率為 5 m×5 m×4 m，網格數為 232×172×39個.

1.2.2 數據分析方法

1.2.2.1 基于實測數據的 ENVI-met 模擬數據校驗

關于數值模擬結果驗證的相關研究很多，將 ENVI-met模擬結果與實測數據的曲線相比較，或者利用其他軟件的模擬結果進行對比驗證，結果表明ENVI-met數值模擬技術可有效預測城市空間的微氣候情況.本文選擇國際廣泛應用的均方根誤差(RMSE)和平均絕對百分比誤差(MAPE)兩個指標作為模擬數值精度的驗證指標，選擇模型決定系數(Determinate Coefficient,R2)作為評價模型優劣的指標.

1.2.2.2 模擬數據的待分析樣點選擇

本研究根據下墊層的不同種類選擇了三個測點，分別設置儀器于中心廣場(測試點1)、操場草坪(測試點2)和水體旁(測試點3)，具體位置如圖1所示.

圖1 三個測點現場照片

借助研究區域的CAD作為數值模擬的底圖，利用ENVI-met 建立研究區的建筑模型、植被模型和下墊層模型，并借助氣象站的初始數據作為輸入條件，模擬研究區域 8：00—18：00的微氣候變化狀況.將模擬數據和實測數據進行比較，分析本研究 ENVI-met 模型的精確度.其后通過更改校園肌理形態參數，定量分析校園肌理形態對校園室外空間微氣候影響的物理機制.

2 結果與分析

2.1 模型精度驗證

根據實測氣象數據和模型模擬輸出的微氣候數據繪制出相關圖表，如圖2所示.根據前人的研究，對于模擬結果的誤差分析，溫度的 RMSE值在1.31～1.63 ℃之間，相對濕度的 MAPE 值不超過5%，即可認定實測與模擬數據之間的誤差在有效范圍內.對研究區 3個測試點氣象數據實測值與模擬值的誤差分析表明，空氣溫度和相對濕度模擬值與實測值之間的均方根誤差(RMSE)、平均絕對百分比誤差(MAPE)基本符合相關指標，如圖3所示，故模型精度滿足研究要求.

圖2 各測點溫度、濕度對比

圖3 各測點模擬與實測溫度、濕度散點圖及決定系數R2值

2.2 容積率對微氣候影響的模擬研究

2.2.1 空氣溫度

構建容積率為 0、3.07、5.76的場地數值模型，利用 ENVI-met分別對其進行模擬.根據模擬結果(圖4)，進一步說明合理增加場地容積率可以降低場地的平均氣溫.將場地容積率為 0、3.07、5.76 的模型所模擬空氣溫度的極值以及具體的溫度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，研究區域的平均空氣溫度隨著場地容積率的增加而降低，同時場地內的溫度波動略有增大，場地熱環境穩定性有所降低.

圖4 不同容積率下的場地模擬空氣溫度極值

2.2.2 相對濕度

根據模擬結果，如圖5所示，隨著場地容積率的增加，場地濕度極值變化不明顯.將場地容積率為 0、3.07、5.76的場地模型所模擬相對濕度的極值及具體的相對濕度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，場地容積率的變化對場地平均相對濕度影響不大.

2.2.3 風速

根據模擬結果，如圖6所示，將場地容積率分別為 0、3.07、5.76的場地模型所模擬的風速極值以及具體的風速模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，當建筑為普通建筑時，平均風速會隨著場地容積率的增加而有所降低；但當建筑為底層架空建筑時，其所在區域風速明顯增大，通風效果明顯增強.

圖6 不同容積率下的場地模擬風速極值

2.2.4 平均輻射溫度

根據模擬結果，如圖7所示，增加場地最北側的建筑后，其所在區域平均輻射溫度明顯降低，推測出現此現象的原因為底層架空建筑的遮擋減少了太陽直接輻射，從而導致平均輻射溫度明顯降低.將場地容積率分別為 0、3.07、5.76的場地模型所模擬的平均輻射溫度極值以及具體的平均輻射溫度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，隨著場地容積率的增大，其平均輻射溫度會有所降低.

圖7 不同容積率下的場地模擬平均輻射溫度極值

2.3 硬質鋪裝覆蓋率對微氣候影響的模擬研究

2.3.1 空氣溫度

構建硬質鋪裝覆蓋率為 0、20%、33%的數值模型，利用 ENVI-met 分別對三個模型進行模擬.根據模擬結果，如圖8所示，增加了硬質鋪裝的區域，其氣溫與此前相比上升了約 1 ℃.而當場地硬質鋪裝覆蓋率達到 33%時，場地外部空間氣溫為 25.71～29.71 ℃，場地平均氣溫保持上升趨勢.根據相應的溫度模擬圖可知，場地內新增鋪裝區域空氣溫度上升約0.9 ℃.

圖8 不同硬質鋪裝覆蓋率下的場地模擬空氣溫度極值

將場地硬質鋪裝覆蓋率為 0、20%、33%的模型所模擬空氣溫度的極值以及相應的溫度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，研究區域的平均空氣溫度隨著場地硬質鋪裝率的增加而升高，同時場地內的溫度波動略有增大，場地外部空間熱環境的穩定性有所降低.

2.3.2 相對濕度

根據模擬結果，如圖9所示，增加了硬質鋪裝的區域，其相對濕度與此前相比降低了約6%.而當場地硬質鋪裝覆蓋率達到33%時，場地外部空間相對濕度為27.71%～42.55%，場地平均相對濕度維持下降趨勢.根據相對濕度模擬圖可知，場地內新增鋪裝區域相對濕度與此前相比下降了約5%.

圖9 不同硬質鋪裝覆蓋率下的場地模擬相對濕度極值

將場地硬質鋪裝覆蓋率為 0、20%、33%的場地模型所模擬相對濕度的極值以及相應的濕度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，研究區域的平均相對濕度隨著場地硬質鋪裝率的增加而降低.

2.3.3 平均輻射溫度

根據模擬結果，如圖10所示，增加了硬質鋪裝的區域，其平均輻射溫度與此前相比上升了約0.7 ℃.當場地硬質鋪裝覆蓋率達到 33%時，場地外部空間平均輻射溫度為 29.61～61.34 ℃，場地平均熱輻射溫度保持上升趨勢.根據相應的平均輻射溫度模擬圖可知，場地內新增鋪裝區域平均輻射溫度上升約 0.6 ℃.

圖10 不同硬質鋪裝覆蓋率下的場地模擬平均輻射溫度極值

將場地硬質鋪裝覆蓋率為 0、20%、33%的模型所模擬平均輻射溫度的極值以及相應的平均輻射溫度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，研究區域的平均輻射溫度會隨著場地硬質鋪裝率的增加略有升高，但影響效果不明顯.

2.4 綠地率對微氣候影響的模擬研究

2.4.1 空氣溫度

構建綠地率為 0、25%、45%的數值模型，利用 ENVI-met分別對三個模型進行模擬.根據模擬結果，如圖11所示,將場地綠地率為 0、25%、45%的模型所模擬空氣溫度的極值以及相應的溫度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，研究區域的平均空氣溫度隨著綠地率的增加而有所下降，同時場地內由植被覆蓋面積變化而引起的氣溫波動較小，場地外部空間熱環境較穩定.此外，由模擬圖可知,植被對場地外部空間高溫區域的冷卻效果較明顯.

圖11 不同綠地率下的場地模擬空氣溫度極值

2.4.2 相對濕度

根據模擬結果，如圖12所示，將場地綠地率為 0、25%、45%的模型所模擬相對濕度的極值以及相應的濕度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，研究區域的平均濕度隨著場地綠地率的增加而增加，植被對場地外部空間的濕度影響較為明顯.

圖12 不同綠地率下的場地模擬空氣濕度極值

將場地綠地率為 0、25%、45%的模型所模擬平均輻射溫度的極值以及相應的平均輻射溫度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，研究區域的平均熱輻射溫度隨著場地綠地率的增加而降低，植被對場地外部空間的平均輻射溫度影響效果明顯.

2.4.3 平均輻射溫度

根據模擬結果，如圖13所示，當場地綠地率增加，場地外部空間平均輻射溫度保持下降趨勢，其中新增植被的區域其平均熱輻射溫度與此前相比下降約 17 ℃.將場地綠地率為 0、25%、45%的場地模型所模擬平均輻射溫度的極值以及相應的平均輻射溫度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，研究區域的平均熱輻射溫度隨著場地綠地率的增加而降低，植被對場地外部空間的平均輻射溫度影響效果明顯.

圖13 不同綠地率下的場地模擬平均輻射溫度極值

2.5 水體覆蓋率對微氣候影響的模擬研究

2.5.1 空氣溫度

構建水體覆蓋率為0、10%、20%的數值模型，利用 ENVI-met分別對三個模型進行模擬.根據模擬結果，如圖14所示，當場地水體覆蓋率為10%時，場地外部空間氣溫為25.23～29.37 ℃，場地中新增水體所在區域的氣溫較此前降低約1 ℃，場地室外空間平均氣溫略有下降.繼續增加水體面積，當場地水體覆蓋率達到 20%時，場地外部空間氣溫為25.21～29.34 ℃，新增水體所在區域氣溫下降約1 ℃，場地平均氣溫維持下降趨勢.

圖14 不同水體覆蓋率下的場地模擬空氣溫度極值

將場地水體覆蓋率為0、10%、20%的模型所模擬空氣溫度的極值以及相應的溫度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，研究區域的平均空氣溫度隨著場地水體覆蓋率的增加而有所下降，且水體對外部空間中的高溫區域有較明顯的冷卻效果.同時場地內由水體面積變化而引起的氣溫波動較小，場地外部空間熱環境較穩定.

2.5.2 相對濕度

根據模擬結果，如圖15所示，當場地水體覆蓋率增加為10%時，場地外部空間相對濕度為27.82%～42.71%.根據對應的濕度模擬圖可知，場地中新增水體所在區域的相對濕度較此前增加約 6%，場地室外空間平均相對濕度略有增加.當場地水體覆蓋率達到 20%時，場地外部空間相對濕度為27.90%～43.23%，而新增水體所在區域相對濕度相較此前增加約 5%，場地平均濕度呈增長趨勢.

圖15 不同水體覆蓋率下的場地模擬相對濕度極值

將場地水體覆蓋率為 0、10%、20%的模型所模擬相對濕度的極值以及相應的濕度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，研究區域的平均濕度隨著場地水體覆蓋率的增加而增加，水體對所在區域濕度的影響較大.

2.5.3 平均輻射溫度

根據模擬結果，如圖16所示，將場地水體覆蓋率為 0、10%、20%的模型所模擬平均輻射溫度的極值以及相應的平均輻射溫度模擬圖進行對比分析.結果表明，在其他肌理形態參數不變的情況下，場地外部空間的平均輻射溫度受場地水體影響較小.

圖16 不同水體覆蓋率下的場地模擬平均輻射溫度極值

3 結論

本文重點關注校園肌理形態參數對校園外部空間微氣候的影響.利用ENVI-met作為微氣候研究的數值模擬軟件，通過對模擬結果進行分析，得出以下結論：

1)場地容積率對場地微氣候的影響主要體現在對其風速和平均輻射溫度的影響上.容積率對校園外部空間微氣候的影響：隨著場地容積率的增大，其外部空間平均氣溫略有升高、濕度幾乎無變化,平均風速呈下降趨勢，而當新增建筑為底層架空建筑時，其所在區域平均風速明顯增大，通風效果明顯增強.此外，研究表明場地的平均熱輻射溫度受容積率影響較大.

2)硬質鋪裝覆蓋率對場地微氣候的影響主要體現在對其氣溫以及相對濕度的影響上.硬質鋪裝覆蓋率對校園外部空間微氣候的影響：隨著硬質鋪裝面積的增加，場地外部空間的平均輻射溫度及平均風速所受影響較小，而場地外部空間平均氣溫以及平均相對濕度所受影響較大.

3)綠地率對場地微氣候的影響主要體現在對其氣溫以及平均熱輻射溫度的影響上.綠地率對校園外部空間微氣候的影響：隨著植被面積的增加，場地外部空間的平均相對濕度及風速所受影響較小，而場地外部空間的平均氣溫和平均熱輻射溫度所受影響較大.

4)水體覆蓋率對場地微氣候的影響主要體現在對其氣溫以及相對濕度的影響上.水體覆蓋率對校園外部空間微氣候的影響：隨著水體面積的增加，場地外部空間的平均輻射溫度及風速所受影響較小，而場地外部空間的平均氣溫和平均相對濕度所受影響較大.

針對夏熱冬冷地區，可通過合理增加場地容積率、降低硬質鋪裝率，將植物更多栽種于場地外部高溫區域等規劃手段有針對性地提高校園室外空間的環境質量.