严寒地区校园平台夏季室外热环境的垂直热分层与朝向效应

《Sustainability》：Vertical Thermal Stratification and Orientation Effects on Summer Outdoor Thermal Conditions of Campus Terraces in Severe Cold Regions

　　

优化室外热环境对于可持续城市发展和空间韧性至关重要。现有城市微气候研究通常采用1.5 m行人高度代表室外热条件。然而，这一广泛接受的假设在具有平台诱导的复杂三维环境的多层校园空间中尚未得到验证，尤其是在严寒气候区。本研究调查了中国长春的垂直热分层以及朝向、地表材料和高度相对影响。四个层面的现场测量与针对六个独立验证点校准的ENVI-met模拟相结合。在夏季高峰时段，朝向主导热状况，其影响超过材料和高度。峰值热负荷从低处的南向垂直转移到高处的西向，在14:00时与始终最凉爽的东向平台相比，产生最大1.66 °C的气温差。垂直温度剖面不遵循简单趋势，而是随周围几何形状变化。在半围合建筑中，约3.5 m处出现中层热陷阱，此处气温达到峰值后向屋顶方向下降。此外，理想化模型显示随高度单调降温，证实局部遮挡导致了观测到的热量积聚。在夏季高峰时段，地表材料对这些充分混合的三维空间内环境气温的直接作用极为有限。混凝土、沥青、木材和草坪之间的差异保持在0.1 °C以下，比朝向驱动的对比小约两个数量级，因为湍流混合和立面辐射压倒了局部地表热通量。研究结果凸显了在单一高度评估热条件的不足，并挑战了传统假设，即在多层环境中材料替代是主要的热缓解措施，以及建筑朝向在微气候调节中仅起次要作用。所有定量输出均源于理想庭院形状和无云夏季情景，反映的是机制性微气候模式而非全球适用的预测指标。在将这些结论推广到其他季节或建筑类型之前，必须进行局部验证。对于多层校园的可持续夏季热调节，本研究强调朝向和适应性遮阳作为主要设计措施，而材料配置仅作为辅助微调。

论文解读：严寒地区校园平台夏季室外热环境的垂直热分层与朝向效应

一、研究背景与问题

随着城市化和气候变暖的加速，城市室外热环境已从区域性舒适问题演变为公共健康风险。严寒城市面临独特挑战：传统设计长期优先考虑冬季保温和防寒，但近年升温趋势和高密度建设使夏季热风险日益突出。大学校园作为高密度公共空间，其平台、走廊和多层开放区域是日常教学和社交的关键场所，热环境失调直接影响空间利用率和健康相关行为。然而，现有城市微气候研究普遍采用1.5 m行人高度代表室外热条件，这一假设在多层平台诱导的复杂三维空间中未得到验证。研究指出三个关键局限：(1) 垂直约束——单高度测量无法捕捉随高度变化的辐射交换、天空视野因子和风场结构重组引起的非线性热分布；(2) 材料缓解策略——材料替代作为标准优化策略，但其隐含的地表热量有效传递到人员活动气层的假设在三维空间中可能不成立，垂直风混合会系统稀释材料感热；(3) 朝向处理——朝向通常被视为辅助变量，但在三维建筑环境中，朝向决定太阳辐射的时间序列和累积暴露强度，可能成为主导控制因素而非次要修正变量。因此，亟需系统理解高度、材料和朝向在三维空间中的耦合效应。

二、研究开展与结论

研究人员在长春（K?ppen Dwa气候）开展研究，以吉林建筑大学逸夫楼（典型庭院式教学楼）为核心案例，设置四个高度（1.5 m、3.5 m、5.5 m、13.5 m）的监测点（数据集A），在四个典型晴朗夏日（2024年6月17、19、24、25日）08:00-17:00进行连续测量。同时，在东北师范大学、吉林农业大学和吉林建筑大学三个校区设置六个独立验证点（数据集B），用于验证ENVI-met 5.6.1模型。研究采用同步垂直差分法分析垂直热分层，使用RMSE和MAPE评估模型精度，并构建标准化理想建筑模型（34 m×30 m×12 m，三层，每层4 m）进行控制变量情景模拟，系统隔离高度、材料和朝向的影响。主要结论包括：朝向主导夏季热状况，其影响超过材料和高度；垂直温度剖面非单调，约3.5 m处出现中层热陷阱；地表材料对气温的直接作用可忽略（差异<0.1 °C）；朝向引起的温差比材料差异大两个数量级。研究发表于《Sustainability》。

三、关键技术方法

本研究采用现场测量与数值模拟相结合的方法。现场测量使用JTR09辐射仪、TES-1361温湿度计、AVM-05风速计、HOBO气象站和JT2020热指数仪，所有仪器经交叉校准并符合ISO 7726标准，数据记录间隔10分钟。数值模拟使用ENVI-met 5.6.1软件，采用标准k-epsilon湍流模型，网格分辨率在验证阶段为4 m×4 m×4 m，在理想模型阶段细化为2 m×2 m×0.5 m（垂直方向0.5 m）。模型验证采用RMSE和MAPE指标，温度RMSE范围0.58-1.05，MAPE 2.19%-3.77%；湿度RMSE 0.59-2.61，MAPE 2.60%-7.31%。情景模拟设置四种地表材料（木材、混凝土、沥青、草坪）和四个朝向（东、南、西、北），基准比较时刻为14:00。样本队列来源：数据集A来自吉林建筑大学逸夫楼，数据集B来自三所大学六个独立点。

四、研究结果

4.1 微气候参数垂直分层特征

基于数据集A的统计分析显示，气温、相对湿度、风速和短波太阳辐射均随高度呈现显著差异。1.5 m高度出现最高瞬时温度34.97 °C，但3.5 m高度具有更高的中位温度31.60 °C，且从11:00至16:00持续维持较高水平。相对湿度在屋顶层（13.5 m）波动最大（方差69.03）。风速在1.5 m和13.5 m处变异性高（方差0.31和0.38），中间层相对稳定。短波辐射中位值在屋顶最高（0.58 kW/m2）。通过逐步回归建立PET模型（调整R2=0.896-0.984），发现气温和太阳辐射是主要驱动因素，湿度影响随高度递减。

4.2 ENVI-met模型验证

使用数据集B对模型进行独立验证，六个监测点的模拟与实测温度高度吻合。温度RMSE范围0.58-1.05，MAPE 2.19%-3.77%；湿度RMSE 0.59-2.61，MAPE 2.60%-7.31%。所有误差均在可接受范围内（RMSE<4.84，MAPE<10%），表明模型对三维空间微气候具有高预测精度，人行高度精度优于屋顶平台，温度预测优于湿度。

4.3 地表材料对气温的影响

理想模型模拟显示，不同材料对应的气温在垂直方向呈单调递减趋势（底层最高、顶层最低），但同一水平面上不同材料引起的空气温差极小。以南向平台为例，0.5 m高度木材表面温度最高33.74 °C，草坪最低33.65 °C，最大温差小于0.1 °C。其他朝向呈现相同规律。材料替换对气温的直接调节作用可忽略，原因在于湍流混合和立面辐射交换掩盖了地面材料的微小热通量差异。

4.4 朝向的主导作用

在0.5 m和4 m平面，所有材料均呈现南向最热、西向次之、北向居中、东向最冷的规律。以混凝土为例，0.5 m高度南向33.67 °C，西向33.42 °C，北向32.59 °C，东向32.13 °C，最大朝向温差1.54 °C。在8 m高度，主导朝向发生垂直迁移，西向超过南向成为最热区域（西向32.62 °C，南向32.50 °C）。东向平台在所有高度保持最冷，最大温差达1.55 °C。朝向驱动的温差稳定在1.0-1.6 °C，比材料差异大一个数量级以上。

五、讨论与结论

讨论部分指出，中层热陷阱的形成源于受限通风和辐射能量滞留的耦合效应。1.5 m地面受建筑阴影保护，3.5 m层暴露于强烈短波辐射但天空视野因子受限，长波辐射难以消散，而水平通风被建筑围合削弱，形成局部热积聚区。5.5 m层因遮阳装置和更好的交叉通风，温度低于3.5 m。理想模型（无局部遮挡）显示单调降温，证实局部几何形态是热峰值的关键。材料作用弱化的原因在于三维空间中垂直通风结构使湍流混合迅速稀释地表感热，且立面辐射能量贡献远超地面材料热通量差异。研究强调朝向应提升为三维空间热环境设计的一阶控制参数，材料仅作为二阶微调变量。

研究结论部分的核心发现：(1) 夏季高温时段，平台朝向的主导作用显著超过材料和高度，峰值热负荷从低处南向垂直迁移到高处西向，东向平台始终最冷，最大温差1.55 °C；(2) 垂直热环境分层明显，中层热陷阱约在3.5 m处，屋顶层温度下降，非单调分布由局部空间几何决定；(3) 不同地表材料对平台气温影响极小，仅占朝向温差的极小部分，湍流混合和立面辐射是衰减主因。理论上，研究挑战了1.5 m单高度代表整体热环境的假设，确立垂直分层为多层围合空间的不可忽略结构特征，将朝向从辅助参数提升为夏季热设计的主要控制因素。实践上，建议高频率活动优先布置于东向平台，西向平台应优先设置可调节或季节性遮阳设施，材料选择仅作为表面温度调节和触感舒适度的辅助手段。未来研究需在多建筑形态、季节变化和更高精度传感器阵列下验证这些机制的普适性。