基于多种机器学习方法的地中海气候下城市住宅庭院几何形态与室外热舒适度的微气候模拟

《Case Studies in Thermal Engineering》：Microclimate Modeling of Urban Residential Courtyard Geometry and Outdoor Thermal Comfort in a Mediterranean Climate Using Multiple Machine-Learning Approaches

　　

庭院作为半围合且集中的室外空间，是全球本土城市景观中重要的设计元素。这些区域普遍存在的热条件显著影响其质量和功能。本研究旨在预测城市庭院的几何参数如何影响使用者的室外热舒适度（Outdoor Thermal Comfort， OTC）。研究人员测量了气候参数以验证本研究中使用的软件。随后，利用Grasshopper平台内的Ladybug和Honeybee插件，针对八个城市庭院样本，分别在冬夏两季的十种不同几何配置情景下，进行了基于通用热气候指数（Universal Thermal Climate Index， UTCI）的热舒适度模拟。此外，研究人员开发了三种监督机器学习模型，以评估几何参数的重要性。预测精度最高的模型（决策树）阐明了影响UTCI温度变化的几何参数的重要性及最佳范围。分析表明，高宽比（Height-to-width ratio， H/W）小于0.5且植被覆盖率在15%至32%之间的宽阔庭院表现出最高的热舒适度水平。相反，高宽比超过1.5且植被覆盖率在15%至45%之间的深邃庭院在夏季表现出最低的热舒适度水平。研究人员确定了适用于两个季节的两种最佳配置：一种以低反照率（0.15-0.20）、H/W比为0.5和18%植被覆盖率为特征；另一种以中等反照率（0.20-0.30）、H/W比为0.5和25%植被覆盖率为特征。这些发现为城市设计者和规划者通过有效的几何策略改善城市庭院微气候提供了见解。

本研究探讨了城市庭院几何形态对室外热舒适度的影响，旨在为地中海气候区的城市设计提供科学依据。研究背景源于人口增长、城市扩张和全球变暖背景下，对开放空间设计中热舒适度影响的日益关注。室外热舒适度是决定公共空间使用率与成功与否的关键因素，而城市区域的几何形态（如街区结构、建筑形式和城市空间设计）显著影响微气候和热环境。作为半围合且集中的室外空间，庭院在全球各地的本土城市景观中是重要的设计元素，它们能够调节极端温度、强风和噪音，同时捕捉阳光和微风，提升使用者的室内外舒适度。然而，现有研究存在显著不足：多数聚焦于单体建筑尺度的庭院而非更广泛的城市背景；通常仅报告庭院整体的平均热舒适度水平，忽略了舒适度的空间差异；且主要关注干热气候，对地中海气候区城市庭院的关注不足。

本研究发表在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊上，由Payam Majidi和Nazanin Nasrollahi（伊朗伊拉姆大学）完成。研究旨在填补上述空白，具体目标包括：探究城市庭院几何形态与室外热舒适度的相互作用；预测并优先排序对OTC最有效的几何参数；预测城市庭院中最常见的UTCI值；预测参数对UTCI值的交互影响；以及检验几何参数变化如何影响UTCI值的分布。

为开展研究，研究人员采用了以下关键技术方法：首先，选取伊朗萨南达季市（地中海气候Csa区）作为研究区域，通过实地考察、Landsat航拍照片、详细规划图分析，从100个庭院中筛选出8个具有代表性的城市尺度庭院样本。其次，利用Ladybug和Honeybee插件在Grasshopper框架内进行数值模拟，计算基于UTCI的热舒适度。模拟考虑了冬夏两季，每个庭院样本分析了10种不同的几何配置情景，并在每个庭院中选择了四个特定分析点（阳光直射点、树荫点、建筑附近点、庭院中心点）。第三，使用现场测量的空气温度和相对湿度数据（通过STANDARD ST-174B数据记录仪采集）对模拟软件进行验证，确保了模型的可靠性。第四，基于模拟结果构建数据集，利用R编程语言开发并比较了三种监督机器学习模型（决策树、随机森林、线性回归），以预测和评估几何参数的重要性，其中决策树模型因其最高精度被选为最终分析工具。模型性能通过决定系数（R²）和均方根误差（RMSE）进行评估。

研究结果通过多个部分呈现：
1. **软件验证**：现场测量数据与模拟输出对比显示，空气温度和相对湿度的R²值分别为0.89和0.98，RMSE分别为0.72和1.49，验证了模拟软件的准确性。
2. **UTCI结果**：
* **UTCI的逐时变化**：夏季，不同庭院及不同点位的UTCI存在波动。总体而言，8号城市庭院的平均UTCI最低。具体到点位，夏季4号庭院的树荫点（点2）、6号庭院的建筑附近点（点3）和8号庭院的中心点（点4）记录了最低的UTCI值。热图显示，在最热的夏季时段，2号和6号庭院的UTCI最低（20-25 °C）。
* **不同朝向城市庭院的OTC**：UTCI值在一天中随庭院朝向变化。总体上，南北朝向的点1（阳光直射点）处于舒适区的小时数最多，而东南-西北朝向的点2（树荫点）在白天处于舒适区的小时数最少。树荫下的舒适温度受庭院朝向显著影响，在西北-东南朝向的庭院中，夏季OTC可降低多达5 °C。
* **全天候最常见的UTCI值**：密度曲线图显示了庭院中两种主要的温度状态（双峰分布）：凉爽/遮荫模式和温暖/日照模式。不同点位的OTC水平存在差异，点2和点3的OTC水平持续低于其他点位，昼夜温差高达9 °C。研究确定了两个季节均表现最佳的两种庭院配置：样本1（反照率0.15-0.20，H/W比0.5，植被覆盖率18%）和样本2（反照率0.20-0.30，H/W比1，植被覆盖率25%）。
3. **机器学习模型预测**：决策树模型在预测UTCI值和几何参数重要性方面表现最优（R²=0.92，RMSE=0.18）。模型预测显示，增加植被覆盖率可使OTC降低多达3.2 °C，增加建筑立面反照率可使OTC降低多达5.8 °C。然而，同时增加植被覆盖率和庭院地面材料反照率与OTC升高相关。部分依赖图表明，立面反照率是控制城市庭院舒适温度的强独立因素，但其与UTCI的关系并非简单线性，而是复杂且影响其他变化。
4. **几何参数重要性排序**：根据决策树模型预测，影响庭院平均OTC的关键几何参数按重要性排序为：庭院地面材料反照率、相邻建筑立面材料反照率、植被覆盖率、高宽比（H/W）。对于树荫下的舒适温度，关键参数排序为：H/W比、植被覆盖率、庭院地面材料反照率、庭院朝向、周围建筑立面材料反照率。
5. **几何参数的交互效应**：
* **朝向与植被的交互效应**：两者对平均UTCI值有显著影响，可导致多达4 °C的变化。例如，在南北朝向庭院中，植被覆盖率从10%增加到30%可改善UTCI值4 °C，但增加到40%反而会使UTCI升高2 °C。
* **朝向与H/W比的交互效应**：交互作用图显示，H/W比为2.0时效果最优，可将UTCI从26-27°C降至24°C。但H/W比增至2.5会使UTCI回升至25°C。
* **植被与地面反照率的交互效应**：植被覆盖率从40%增至60%可显著降低平均UTCI，最大降幅达3 °C。但当植被覆盖率超过55%时，会出现反效果导致温度升高。
* **建筑立面反照率与地面反照率的交互效应**：部分依赖分析显示两者与UTCI存在非线性关系。当两者反照率从极低值（约0.05）同步增至约0.10时，平均UTCI下降4 °C。但从0.10增至0.20时，平均UTCI值显著上升。超过临界阈值（约0.25-0.30）后继续增加，UTCI值则持续下降。

在讨论部分，研究人员总结了主要发现并将其与先前文献进行了比较。研究证实了城市庭院几何形态对微气候的影响，其中地面反照率、植被覆盖率和高宽比是决定UTCI舒适温度分布的最关键参数。通过决策树学习模型确定的最佳比例为：反照率0.20，植被覆盖率45%，H/W比1.5。实施这些比例可使夏季平均OTC降低2.5-4 °C，同时使冬季条件提升2-4 °C。研究强调了在中等反照率范围内存在的临界区或悖论效应，指出同时增加地面和立面反照率在特定范围内可能导致升温而非降温。与先前研究相比，本研究的创新在于利用机器学习模型对多个参数的协同效应进行了量化，并探究了庭院内不同具体位置的热舒适条件。研究还指出，尽管随机森林模型更复杂，但针对本数据集，经过良好调优的决策树模型表现更优。同时，研究人员承认了本研究的局限性，包括研究背景特定、未模拟人类活动、未使用计算流体动力学分析风流等，并提出了未来的研究方向。

研究结论部分总结如下：
* 高宽比低（小于0.5）且植被覆盖率在15%至32%之间的庭院具有最高的室外热舒适度水平。相反，高宽比超过1.5且植被覆盖率在25%至45%之间的庭院在夏季表现出最低的热舒适度水平。
* 增加庭院内的植被覆盖可使热舒适度降低多达4.2 °C。此外，提高建筑立面的反照率可使OTC降低多达5.8 °C。
* 植被覆盖率和庭院地面表面的反照率与UTCI测量的热舒适度水平存在直接的协同关系。
* 反照率在0.15至0.20之间的表面颜色区域在阳光直射下可将UTCI水平提高多达12.5%。
* 反照率为0.10的树荫区域，在夏季可将热舒适度水平提高18.5%，在冬季提高14.2%。
* 反照率在0.25至0.30之间的立面材料在夏季可使庭院的平均热舒适度降低2.5 °C，并在冬季导致庭院不同区域的UTCI水平分布多样化。
* 优化庭院的几何参数（高宽比、植被、材料）可将有效温度改变7-10 °C。
* 总体而言，研究结果表明，增加反照率并不一定能改善OTC或冷却潜力。在半开放的城市空间中，两者同时增加——特别是在中等范围（0.15-0.25）内——甚至可能导致升温反应而非降温。

基于以上发现，研究人员提出了关键设计建议，包括：为庭院不同区域战略性地选择材料以缓解因表面温度分布差异引起的热应力；当存在大量植被时，避免在庭院地面使用高反照率材料，以防止这些几何因素对OTC产生反协同效应；在高宽比超过1.5的情况下，建议将植被覆盖率保持在25%或以下，以确保寒冷季节的OTC；为在南北朝向获得最佳OTC，建议将高宽比保持在1.8至2.2的范围内。这些建议为城市设计者和规划者优化几何配置、改善城市庭院微气候提供了证据基础。