夏热冬暖地区高校校前广场微气候改

improvement effect of each reconstruction strategy on the thermal comfort of the square in winter and summer was analyzed.
Key words front square of the school; outdoor thermal comfort; PET; ENVI-met
1引言
受全球和城市气候变化的影响，城市热岛（UHIs）的严重程度日益加重。

特别是在气候炎热的地区，室外过高的温度会导致一系列健康问题，如头晕、呼吸急促。

因此，人们更多的时间待在室内，在产生更多的建筑能耗的同时，久坐行为也会对人体健康产生负面影响[1]。

提高室外热舒适可以促进户外活动，改善身心健康，降低碳排放对于实现城市的可持续发展至关重要。

温度、相对湿度、风速、太阳辐射等环境因素，都会影响室外空间的热舒适[2]。

在现有的不可调节的城市背景下，三种减热策略，即增加植被、提高反射率和增加水体可以有效改善城市的小气候 [3]。

研究表明，植物可以提升热舒适。

不同种植设计和选定的树种对夏季和冬季的室外热舒适有积极的影响；水体对降低空气温度有积极的影响，在不缺水的地区进行空间设计时可更多的利用水体；而在高温干旱地区，高反照率的铺装是取代水体的常用减热措施，高反照率的铺装可大大降低地面的温度[4]。

高校校园的主要人群是学生，创造一个健康的校园对学生的身心健康十分重要。

校前广场展示校园形象并为学生提供室外活动、非正式学习等功能。

舒适的校前广场可促进学生更多地玩耍及各种实践活动。

研究表明，足够的室外活动对学生的整体表现有促进作用，如改善情绪、减少压力、提高自信等。

摘要 后疫情时代，部分高校实施封闭式管理，校园环境质量
的好坏密切影响着师生的身心健康。

以往高校校园空间比较注重轴线布局的形式感，对空间的舒适性关注不够，也忽视了景观要素对室外热环境的影响，未充分发挥校景观要素在生态建设方面的作用，对场地的热舒适潜力挖掘不足。

在既有校园空间中，校园前广场作为校园的重要空间节点，其形象在师生意识中已根深蒂固，在不影响校园前广场形象的前提下，有必要对其当前的热舒适性进行研究，并通过热缓解策略发掘其热舒适的提升潜力。

本文通过ENVI-met 模拟软件对不同改造情景下的校前广场进行微气候模拟，并分析各改造策略在冬夏两季对广场热舒适的改善效果。

关键词 校前广场；室外热舒适；PET；ENVI-met 中图分类号 TU244文献标识码 A
DOI 10.19892/ki.csjz.2023.01.11
Abstract In the post-epidemic era, some colleges and universities implement closed management, and the quality of campus environment has a close impact on the physical and mental health of the teachers and students. In the past, campus space in colleges and universities often paid more attention to the sense of form of axis layout, paid less attention to the comfort of space, ignored the impact of landscape elements on outdoor thermal environment, failed to give full play to the role of campus landscape elements in ecological construction, and failed to tap the potential of thermal comfort of the site. In the existing campus space, the square in front of the campus is an important spatial node of the campus, and its image has been deeply rooted in the consciousness of the teachers and students. On the premise of not affecting the image of the square in front of the campus, it is necessary to study its current thermal comfort and to explore its thermal comfort improvement potential through thermal mitigation strategies. In this paper, the ENVI-met simulation software was used to simulate the microclimate of the square in front of the school under different reconstruction scenarios, and the
作者简介：杨嘉豪（1997-），男。

研究方向：室外热环境。

通信作者：赵阳（1969-），男，副教授、副院长。

研究方向：建筑设计与城市设计。

作者单位：广州大学建筑与城市规划学院
夏热冬暖地区高校校前广场微气候改造策略研究
——以广州大学校前广场为例
Research on Microclimate Transformation Strategy of University Front Square in Hot Summer and Warm Winter Region: A Case of the Front Square of Guangzhou University
杨嘉豪 赵 阳 季可夫 刘 旺
Yang Jiahao, Zhao Yang, Ji Kefu, Liu Wang
2研究地区与研究方法
2.1研究区域
本文以广州大学校前广场为研究对象。

广州地处亚热带沿海，属海洋性亚热带季风气候，以温暖多雨、光热充足、夏季长、霜期短为特征。

全年平均气温20~22℃。

一年中最热的月份是7月，月平均气温达28.7℃。

最冷月为1月份，月平均气温为9~16℃。

平均相对湿度77%。

全年中，4—6月为雨季，7—9月天气炎热，多台风，10月、11月和3月气温适中，12月—次年2月为阴凉的冬季。

广州大学校前广场东西两侧为行政楼，中央为开阔的草坪，与北面图书馆构成景观轴线，体现学校庄严的形象。

2.2现场测量
考虑不同空间对微气候的影响，在广州大学校前广场选定4个实测点（见图1）。

在2022年1月12日当地时间7:00—21:00，对该广场实地测量，实测仪器型号及其参数见表1。

我们观察到，广州典型冬日的天气特征是低温、低太阳辐射和弱风条件。

2.3研究方法
2.3.1 ENVI-met 软件介绍
ENVI-met 作为当前主要的小气候预测工具，可以产生有价值的小气候模型，模拟可持续城市设计的多种假设，并通过短时间的计算处理简化的城市环境和微尺度热舒适之间的相互作用。

以往的研究表明ENVI-met 最适合模拟真实案例并进行详细分析。

ENVI-met 在模拟小气候变量和估计城市室外环境中植被、建筑物和表面材料的影响方面更高效、更准确。

2.3.2 ENVI-met 模型精度验证
过去相关研究中，ENVI-met 软件已被验证，但模型是对实际环境一定程度的简化，因此模拟与实际相比存在一定的误差[5]。

本文采用相关系数R 2、平均绝对误差（mean absolute error，MAE）和均方根误差（root mean square error,RMSE）评价模型的精度。

目前，MAE 介于0.27~3.67℃、RMSE 介于0.52~4.30℃是可以接受的[6]。

各监测点的变化规律均为空气温度先升后降，相对湿度先降后升。

当地时间15:00时空气温度达到当日最高值，13:00时相对湿度达到当日最低值。

四个监测点大气温度与相对湿度的实测值与模拟值相关性系数R 2分别介于0.777~0.886和0.707~0.902，RMSE 值分别介于0.911~2.290℃和0.728~2.269%，MAE 值分别介于0.550~1.057℃和0.655~1.988%，这说明用ENVI-met 模型比较可靠，可以用于本次研究。

2.3.3室外热舒适度评价指标
室外热舒适是由诸多因素综合作用的结果，包括气象因素（如空气温度、风速等）、个体因素（如心理因素、适应性等）。

热舒适评价指标将诸多因素的作用结果量化为单一的标准，便于对研究结果的理解和比较分析。

当前主流的热舒适指标如预测平均热感觉（prediction of average thermal sensation index, PMV）、生理等效温度（physiological equivalent temperature, PET），以及通用热气候指数（universal thermal climate index, UTCL）等，已得到学者广泛的认可。

本文选择考虑因素相对全面，且对室外热舒适评价更为准确的生理等效温度PET 作为评价指标。

PET 采用了9级分度，在PET 值处于18~23时人体感受到舒适；PET 值大于23时，随着PET 值的增加人体感受逐渐由暖至热；PET 值低于18时人体感受逐渐由凉到冷[7]。

3情景设置及模拟结果
基于研究场地现状情况，引进高反照率铺装、水体、植物结合现状绿地及建筑构建了7种不同的模型，如图2所示。

其中case 1为初始模型用于比较；case 2是将case 1的中央大面积草坪替换为与周边同种材质的等面积的铺装，该铺装反照率为0.3；case 3将case 1的中央大面积草坪替换为等面积的水体（水体参数为软件默认参数）；case 4是将场地铺装更换为反照率为0.4的花岗岩路面；case 5是将场地铺装更换为反照率为0.5的混凝土
表1 实测仪器
测试仪器测试参数仪器量程仪器精度记录时间间隔Kestrel 5500风速0~5 m/s ±0.05 m/s 机记5 min/次HOBO Rro 空气温度-40~70℃±0.5℃机记5 min/次HOBO Rro 相对湿度0~100%±2.5%机记5 min/次TBQ-2L 太阳辐射仪
太阳辐射
280~3 000 nm
10.436 V/Wm
-2
手记2 min/
次
图1 实测点位置（图片来源：作者自绘）
路面；case 6
和case 7在场地中引入软件自带的合欢和皂荚树（case 6与case 7引入植物的位置为原场地闲置花坛，且花坛布置在景观轴线两侧）。

其中合欢模型高为12 m，宽为11 m，占用网格数为11×11×12，叶片短波反照率为0.6，叶面积密度为0.7；皂荚模型高为15 m，宽为11 m，占用网格数为11×11×15，叶片短波反照率为0.18，叶面积密度为0.5。

以实测数据为冬季背景气象参数，广州夏季典型气象日气象参数为夏季背景气象参数，通过ENVI-met 软件模拟获得各情景的冬季和夏季的PET、温度、相对湿度变化情况如图3所示。

4讨论与分析
4.1铺装反照率
在冬季，不同反照率的铺装对场地的PET 值影响不大，随着反照率的增加，场地温度随之增加。

在夏季，随着铺装反照率的增加，PET 值、温度均呈下降趋势，对场地的
热舒适有一定程度的改善。

这是因为高反照率材料可将入射的太阳辐射重新辐射至天空，场地内的行人可以感受到更多的辐射。

在冬季，太阳辐射弱、温度低，随着铺装反照率的提升，反射的辐射增加，提升了场地的热舒适；但高反照率的材料对室外热舒适的影响有限，在夏季，太阳辐射强、温度高，反射的辐射远大于冬季，在反射辐射量较小时，高反照率铺装可以改善室外热舒适，而在反射量过多时，高反照率铺装的降温效果相比其反射的太阳辐射而言可能会造成行人的不舒适。

此外，大面积的铺装与草坪在冬夏两季对场地的热舒适影响效果接近。

4.2水体
在冬季，大面积的水体与铺装和草坪对室外热舒适的影响较为接近。

冬季温度较低，大面积水体的降温增湿能力较弱；在夏季，大面积的水体明显降低了场地的PET 值，相较于其他改造策略，大面积水体在高温时降温效果最优，随着水的蒸发，场地的湿度也大幅度提升。

气温/℃
相对温度/%
相对温度/%
气温/℃
（a）冬季
（d）夏季
（b）冬季温度
（e）夏季温度（f）夏季湿度
（c）冬季湿度
P E T /℃
P E T /℃
case1
case2case3case4case5case6case7
case1case2case3case4case5case6case7
case1case2case3case4case5case6case7
case1case2case3case4case5case6case7
case1case2case3case4case5case6case7
case1case2case3case4case5case6case7
2826242220
181********
171615
141312
706866
6462605856
343332
3130292827
8280787674727068666462605856
52504846444240383634323028262422
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
时间/h
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
时间/h 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
时间/h
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时间/h
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时间/h
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 时间/h
图3 模拟结果整合（图片来源：作者自绘）
图2 模拟情景设置（图片来源：作者自绘）
case1case2case3case4
case5
case6case7
4.3乔木
在冬季，太阳辐射较弱，植被冠层对太阳辐射的遮挡对场地热舒适的影响不大，但乔木的树冠会影响风环境，叶面积密度较高的乔木可以有效降低气流速度，营造更舒适的室外环境；在夏季，太阳辐射强，乔木冠层遮挡太阳辐射，减少了到达地面的太阳辐射，大幅度降低了温度，增加了场地的舒适度。

在本研究中模型体积更小但叶片短波反照率高和叶面积密度更高的合欢树相比于皂荚树在两季对室外热舒适的提升效果更好。

因此，相比于乔木的高度与冠幅，乔木的叶片短波反照率与叶面积密度对室外热舒适的影响更为明显，高叶片反照率的叶片可以反射更多的太阳辐射，而高的叶面积密度可以遮挡更多的太阳辐射。

此外，乔木的生理活动对室外的热舒适有一定的影响，其蒸腾作用释放的水蒸气与周围环境进行热量交换，降低周围温度；呼吸作用产生的水提升场地的相对湿度。

4.4草
在冬季，太阳辐射较低，草坪相较于所选三种不同反照率的铺装可以提供相对略高的温度及略低的湿度，根据PET值变化情况可知在冬季铺装与草坪的效果基本相同；在夏季，草坪相较于铺装可以降低一定的温度，但草的生理活动所导致场地增加了一定的湿度，两种因素相互影响下夏季低反照率的铺装和草坪对于场地的热舒适影响区别不大。

5结语
通过模拟研究可以看到，铺装、草坪与水体对冬季的室外热舒适影响较小，但水体在夏季能有效地降低空气温度，进行热缓解改造时应更多考虑水体的使用；乔木在冬夏两季均可明显地改善场地的室外热舒适，而高叶片反照率、高叶面积密度的乔木对夏季室外热舒适的改善效果更好，在进行校前广场改造时应更多地考虑乔木的运用。

因此，在夏热冬暖地区，对夏季室外热舒适有明显改善的热缓解策略对冬季室外热舒适不造成负面影响，在进行热缓解策略的选择时应着重考虑该策略对夏季室外热舒适的影响。

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发概念要在我国落地，还需要相关的工作体系在实践中得到针对性的研发，以解决诸多可预期乃至不可预期的新生矛盾。

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3.2启示
以里瑟菲尔德项目为代表的一系列可持续住区的开发，证明了“系统品质的改进将引发个体价值的提升”这一商业逻辑，以及“系统品质的改进需个体的积极参与”这一必要条件。

“以更高的标准满足更加多元的需求”是德国曾经发生的历史，也是我国正在发生的时代趋势。

因此，在产品开发的整体思路上，我国高品质城市住区的开发可以更加积极地考虑突破既有的用户范畴，避免孤立地服务于内部居民需求的局限，更加主动地关注于促进周边区域环境品质与公众利益的提升，从而实现城市与企业、住户与公众等多元利益主体的共赢。

需要指出，兼顾城市与自然型住区的开发策略的基本思路是“开放”与“功能混合”。

这恰恰会在传统的封闭型住区的优势方面引发巨大的挑战。

如若处理失当，非常容易导致“弊大于利”局面的出现。

因此，这一开（上接第21页）。