《Sustainable Cities and Society》：Three-dimensional thermal optimization of green infrastructure at an urban open space in Changsha, China: A design-stage evaluation framework using numerical simulation
编辑推荐：
•提出了一个用于开放空间绿色基础设施热评估的设计阶段框架。•绿色基础设施的冷却效应表现出显著的季节性和微气候扰动特征。•绿色基础设施重塑了不同季节和活动时段下的室外热舒适。•三维冷却当量能量随高度呈非线性下降趋势。•优化后的绿色基础设施布局显著提升了实际广场项目中的热效益。引
- •
提出了一个用于开放空间绿色基础设施热评估的设计阶段框架。
- •
绿色基础设施的冷却效应表现出显著的季节性和微气候扰动特征。
- •
绿色基础设施重塑了不同季节和活动时段下的室外热舒适。
- •
三维冷却当量能量随高度呈非线性下降趋势。
- •
优化后的绿色基础设施布局显著提升了实际广场项目中的热效益。
引言
快速的城市化推动了社会经济发展，但也加剧了全球气候挑战，尤其是城市热岛效应。城市热岛效应是指城市地区陆地表面或气温高于周边乡村地区的现象，其对城市能源消耗和经济活动产生重大影响。作为一种基于自然的设施，绿色基础设施可通过蒸腾作用和遮荫效应缓解城市热环境，从而改善局部热环境。通过调节三维空间中的微气候，绿色基础设施可以改善局部热量条件和热舒适度，并为节能和人类福祉产生更广泛的协同效益。这些效益使绿色基础设施成为城市公共空间规划和设计中的关键要素，对城市可持续发展和生态系统服务供给具有重要影响。
城市广场是城市中最重要的大型开放空间之一，长期以来一直是户外活动、集会和公共生活的主要场所。为了容纳活动和人群疏散，其不透水地表比例通常远高于其他城市开放空间（如公园）。这些地表特征显著降低了热舒适度，而人群聚集和长时间停留会进一步加剧热应激风险。研究表明，较高气温显著增加了城市广场各季节的热感。因此，改善城市广场热舒适度并减轻其对局部热环境的负面影响已成为城市规划与管理的重要关注点。已有研究表明，广场几何形态和绿色基础设施组成均能显著影响广场微气候和室外热舒适。在城市广场中，绿色基础设施通常包括树木、灌木和草地，其热性能不仅取决于植被数量，还与树冠结构和空间配置密切相关。这些特征共同调节遮荫、蒸腾和气流，从而产生不同的微气候和热舒适效应。研究发现，在中国寒冷气候城市中将广场植被覆盖率从40%提高至70%，可使生理等效温度降低约1.5°C。因此，在高热应激空间（如城市广场）中合理规划绿色基础设施，不仅应降低整体热应激，还应确保热效益覆盖公众活动空间，尤其是暴露度高、使用时间长或对热脆弱人群潜在使用率高的区域。
尽管绿色基础设施在城市开放空间中的热效益已得到充分证实，但现有评估往往聚焦于单一指标、空间维度或特定季节。这种孤立的评估可能仅提供部分设计信息，因为局部热环境的改善不一定与整个空间三维热调节的一致变化相对应，而不同季节的效益之间也可能存在权衡。在局部尺度上，增加或优化绿色基础设施可显著改善广场特定区域的热舒适度。在整个空间尺度上，绿色基础设施的改造可在三维空间内产生空间异质性的冷却效应，并改变整体热环境及其三维冷却当量能量。与此一致，研究表明在亚热带城市中，相邻区域的绿色基础设施可显著降低周围三维环境的冷热能源需求。然而，这些视角很少在统一框架内整合，该框架可在局部和整体空间尺度以及不同季节间评估绿色基础设施的热性能。这限制了对不同热效益之间潜在不一致性或权衡的识别及其在绿色基础设施优化实践中的协调应用。
除评估视角的局限外，城市开放空间中基于绿色基础设施的热优化还受限于其偏重建成后改造的现状。尽管现有开放空间的热适应策略已被广泛探索，但许多新建开放空间仍优先考虑娱乐需求和视觉形态而非热性能。城市广场的建成热改造常受到时间滞后、经济成本和政策壁垒的制约。此外，许多研究依赖假设性的绿色基础设施改造策略，对其可行性和实际应用价值评估有限，这削弱了其在工程实践和城市更新中的适用性。即使在设计阶段引入模拟，热评估通常也仅用于比较预设方案，而未形成从热缺陷诊断到针对性绿色基础设施重构再到性能评估的清晰路径。这一差距凸显了将热评估和绿色基础设施优化前移至设计阶段的必要性，以便更主动地应对城市开放空间的热应激问题并实现更大的实际价值。
为弥补上述不足，本研究开发了一个多视角热评估框架，用于在设计阶段优化城市广场的绿色基础设施设计，使绿色基础设施效应可从局部热舒适到整体空间三维热性能进行系统评估。采用ENVI-met模拟软件，我们评估了中国某大型体育广场的原始设计方案，并提出优化后的绿色基础设施配置以提升其整体热效益。具体而言，本研究回答以下三个研究问题：（1）如何构建绿色基础设施规划框架以支持城市开放空间的局部热环境优化？（2）绿色基础设施的热效益在不同空间尺度（局部与整体）、季节及不同热评估视角下如何变化？（3）这些诊断结果能否转化为可实施的绿色基础设施配置方案，在建造前改善预期热性能？
章节摘要
材料与方法
方法框架将设计方案构建与ENVI-met模拟相结合，从冷却效应、室外热舒适和三维热调节等多个维度评估绿色基础设施的热性能，并据此指导绿色基础设施优化与适应性活动管理。
绿色基础设施冷却效应的水平分布特征
空间比较以14:00为代表性时段，此时热负荷强且绿色基础设施调节效应显著。在所有季节中，绿色基础设施均在室外广场产生了显著的冷却效应。在14:00、行人高度（1.2 m）条件下，夏季平均绿色基础设施冷却效应为0.39 ± 0.42°C，过渡季为0.44 ± 0.33°C，冬季为0.31 ± 0.26°C。尽管总体冷却效应较为一致，但其空间分布范围因季节和风向而异。夏季
绿色基础设施对室外广场的三维热调节作用
研究发现，绿色基础设施在冷却效应、热舒适和三维热性能方面对室外广场热环境的调节作用各不相同。所提框架的贡献不在于单一评估方法本身，而在于跨空间尺度和季节整合这些互补视角，并利用综合信息支持绿色基础设施优化。值得注意的是，该框架进一步将这种耦合评估从热诊断延伸至
结论
绿色基础设施对城市开放空间热环境调节起着关键作用，关乎人类健康与能源使用。现有的绿色基础设施热评估往往局限于单一热视角或与后续设计实施相脱节，限制了其对建设前优化提供系统性指导的能力。为弥补这一不足，本研究提出了一个面向设计阶段的绿色基础设施多维热评估框架。基于
CRediT作者贡献声明
高剑锋：综述与编辑、原创草稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、形式化分析、数据管理、概念构思。马维娜：综述与编辑、调查研究。孙程：综述与编辑、监督指导、资源获取、项目管理、经费获取。董琦：综述与编辑、软件、资源获取。张路辰：综述与编辑、资源获取、调查研究。谢文龙：综述与编辑，
利益冲突声明
作者声明不存在已知可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究受国家重点研发计划（编号：2025YFE0125700）资助。
高剑锋|马维娜|孙程|董琦|张路辰|谢文龙|Michele Bonino
