香港中文大學未來城市研究所      藍洪寧

上海朗綠建筑科技股份有限公司      楊玉錦

摘    要：數值模擬是室外微氣候研究領域的一種重要研究手段，其可與理論推導、實驗測試相結合，以經濟、方便的方式獲得較為可靠的結果，而ENVI-met作為常用的三維城市微氣候仿真軟件，其研究成果逐年遞增。居住小區作為城市居民的一種新的居住形式，其微氣候與居民的生活健康息息相關，如何更好的改善居住小區室外熱環境顯得尤為重要。針對國內外居住小區微氣候研究，本文以三維城市微氣候仿真軟件ENVI-met為例，介紹其發展與國內外應用背景，分析其研究進展及方向，并對現存問題進行討論，以期更全面了解其未來應用前景。

關鍵詞：ENVI-met；居住小區；數值模擬；微氣候

       1   居住小區微氣候研究中的數值模擬工具及其不足

       居住小區綠地具有調節溫濕度、緩解熱島效應等重要功能,合理實施居住小區室外綠地空間建設,是改善城市人居環境的有效途徑^[1]。探討居住小區微氣候屬性特征與熱環境調控效應之間的關聯,以科學指導居住小區室外環境建設工作,已逐漸成為相關學科的關注熱點^[2-3]。

       實測和模擬是目前量化研究居住小區微氣候的兩種常用手段。在工程研究與應用領域，數值模擬以其便捷性、經濟性更受青睞。現有相關數值模擬工具種類較多，根據其模型類型可分為集總參數工具和分布參數工具^[4]。集總參數工具主要依據能量收支平衡建立的簡化模型將研究區域作為整體進行評價，如區域熱島強度評價；分布參數軟件工具則主要基于計算流體力學（CFD）等理論對不同的空間位置分別求解。由于分布參數模擬可以求得具體位置的環境參數信息，因此對規劃設計更具指導意義，在《綠色建筑評價標準》中被廣泛應用。

       目前工程領域中，在模擬計算時往往只考慮建筑物形態，對居住小區內的多種下墊面類型，如草地、樹木、水池、噴泉及建筑等地面材質缺乏考慮。而事實上，“植物的蒸騰作用和水的吸熱（噴泉的蒸發吸熱）對于熱環境影響顯著”[5]，因此不能被隨意簡化或省略。

       目前工程領域常用的CFD軟件如Fluent和PHOENICS，對綠化亦具備一定分析能力，其將喬木等植被對氣流的阻礙和衰減作用，通過多孔介質條件進行設定，利用孔隙率來體現植物特性。但該方法只考慮到了流體影響，對實際熱環境特別是人體熱舒適度產生較大的影響的高度動態變化的太陽輻射等輻射因素很難在此類軟件模擬中進行耦合。此外，植物蒸騰作用等不能在這類軟件模擬結果中體現，相關結果可能存在較大誤差。

       由于常用的CFD軟件在動態輻射和流體計算的耦合上以及植物模型的處理上存在明顯不足，而居住小區中的綠地率高達30%以上，因此目前工程常用CFD軟件事實上難以對建成環境給出理論上可靠的預測。

       2   城市微氣候仿真軟件ENVI-met介紹

       由德國美因茨大學地理系Michael Bruse教授團隊開發的ENVI-met軟件是目前全球應用最為廣泛的城市微氣候模擬研究工具。該軟件基于計算流體力學和熱力學的相關理論，結合了氣候學、農業科學等相關學科知識，主要用于模擬城市區域中小尺度下墊面、植被、建筑和大氣的相互作用。與通用CFD軟件相比，ENVI-met準確把握了風和太陽這一微氣候中的兩個主要驅動力，將輻射模型較好的與湍流模型關聯，實現了動態的耦合分析。此外，ENVI-met由于其包含了較為完整的建筑材料庫、植物模型庫，具備污染物模擬、室外熱舒適度計算等實用功能，同時對模型、網格等CFD模擬中容易導致不收斂的因素做了強制簡化、魯棒性較強，因此適合居住小區微氣候的模擬研究。

       ENVI-met軟件自1998年開發至今已有21年時間，其最新版本為ENVI-met Winter1819，版本號為4.4.2。軟件主要包含建模工具SPACE和MONDE、參數設置工具ENVIGuide、材料庫Database、三維植物庫Albero、求解器ENVI-met、熱舒適度計算器Biomet和后處理器LENOADO等，見圖1，同時，其基于Rhinoceros & Grasshopper平臺的Dragonfly插件可以通過調用ENVI-met進行參數化性能模擬。軟件可實現城市熱島、污染物擴散沉積、空間輻射、植物熱濕作用、立體綠化、水體噴泉、各類下墊面等對微氣候影響作用的模擬，適宜的時間步長為1~5s，水平分辨率為0.5~5m。

圖1   軟件模塊

       目前，國際上使用ENVI-met的研究方向主要分為三種：軟件準確性研究、城市熱環境模擬研究和城市風環境及大氣污染物分布研究，具體分析如下。

       2.1   軟件準確性研究

       該研究主要針對空氣溫濕度、風速等氣象參數，將研究區域環境參數的實測值與軟件模擬值進行比對，以驗證ENVI-met模擬結果的準確性。Lahme等^[6]將選定區域內幾個典型位置處溫度的實測值和模擬值進行比較后發現軟件在沒有嵌套網格的情況下依然具有很高的準確性。Peter等^[7]認為ENVI-met在CFD類軟件一般要求的網格獨立性測試表現失敗，但網格獨立性造成誤差的數量級小于相關緩解策略帶來的變化，因此缺乏網格獨立性未必導致研究的失效。S.Tsoka^[8]參考了Scopus數據庫中多達189篇使用ENVI-met作為研究工具的論文，對其數據分析結果進行了統計，總結得出ENVI-met是一個有效的微氣候研究工具。

       2.2   城市居住區熱環境模擬研究

       Bruse^[9]運用軟件模擬了城市整體和局部更新的環境效果，同時引入dPET以綜合表述環境變化對人體熱感覺的影響。一部分研究指出增加街道峽谷高寬比，減小天空視角系數可降低輻射量從而改善舒適性^[10-14]。在建筑形態研究方面，Berkovic等^[15]研究了圍合型院落比例和開口等因素對院落內熱環境的影響，結果表明熱舒適性與平均輻射溫度關系明顯，后者主要由庭院內陰影面積決定。相當一部分研究集中關注綠地對微氣候的影響，包括綠化量和綠化形式。Huttner等^[16-17]研究表明在熱壓情況下樹木灌溉不足反而會惡化高溫和輻射下的熱環境。綠地遮蔭降溫作用在部分研究中得到了驗證^[18]。Lee H等^[19]使用ENVI-met研究了德國西南弗萊堡地區樹木和綠地對居住區熱應力的改善作用。Vanessa^[20]的研究則認為植物對微氣候的影響僅限于植物周邊環境，對城市環境改善有限。采用ENVI-met作為模擬工具的研究成果，為城市居住區熱環境的進一步改善策略提供了具體的參考依據。

       2.3   城市風環境及大氣污染物分布研究

       ENVI-met與通用流體力學軟件的區別在于其不僅能實現對城市風環境的模擬，還能設置不同類型的污染源，同時兼顧植物對污染物的沉降吸附作用，因此能較為準確地反映污染物在大氣中的分布情況。Krüger等^[21]研究了街道氮氧化物的擴散與街道朝向和風向之間的關系，結果表明污染物濃度與街道通風效果顯著相關。Jesionek等[22]發現垂直于風向的街道污染物濃度低，街道高寬比越大污染物濃度越高，植物對顆粒物的沉降有明顯作用。

       3   ENVI-met在我國居住小區微氣候研究領域的應用

       3.1   不同發展階段

       2004年林波榮在博士論文中^[1]提及ENVI-met軟件。雖然其并未采用ENVI-met進行案例研究，但在理論上詳盡地探討了綠化模擬評價的原理方法，包括部分ENVI-met內核原理，證明作者對軟件有過深入了解。王振^[23]在博士論文應用ENVI-met對夏熱冬冷地區街區層峽進行了模擬計算，該文是國內最早公開發表的將ENVI-met 作為研究工具的論文。2009年楊小山對室外熱環境進行了模擬分析^[24]，驗證了ENVI-met在華南濕熱地區的適用性和穩定性，并形成了較完善的ENVI-met應用研究模式。2013年陳鋮^[25]對軟件中垂直網格、嵌套網格和邊界條件設置進行了校驗。2015年張偉^[26]結合了城市形態和園林形態評價指標使用ENVI-met對抽象理想居住小區模型進行了分析對比研究，并在國內首次完整展示了ENVI-met的全部主要功能。

       此后，國內學者使用ENVI-met的應用研究成果數量不斷增加。Dian Z等^[27]使用ENVI-met對西安典型居住小區的建筑密度、建筑形式、植被系統設計進行了研究。李晗等^[28]使用模擬手段對住宅小區建筑布局形式對微氣候影響進行了分析，結果表明不同建筑布局的微環境存在較大差異，圍合式和行列式建筑布局比點群式更易產生熱島效應。根據中國知網的統計結果，2010~2018年以ENVI-met為主題的中文文章已多達108篇，其中超過72%是在2016~2018年期間發表。而根據S.Tsoka對Scopus數據庫280篇英文文獻統計，超過77%的文章是在近五年內完成，其中三分之一來自亞洲，而在亞洲至少60%的研究文章來自中國。

       3.2   當前應用方向及現存問題

       目前我國以ENVI-met作為研究工具的微氣候研究主要方向有：（1）城市熱島分析與街區尺度的熱舒適度研究；（2）城市街道污染物擴散傳播肌理研究；（3）城市形態與城市微氣候的關聯性研究；（4）城市大型園林景觀設計對城市物理環境的改善作用量化研究；（5）ENVI-met與建筑能耗模擬軟件的結合應用；（6）居住區熱環境的改善策略研究。在這些研究中ENVI-met多被認為是有效的分析研究工具，為相關研究帶來了巨大幫助。

       城市微氣候是大氣環境和室內環境的聯系體，因此室外微氣候模擬研究獲得建筑周邊環境數據對室內建筑環境的模擬計算輸入取值至關重要。城市遠郊氣象站的典型氣象年數據可能難以反映建筑周邊實際常年環境。目前已有研究者嘗試將ENVI-met與建筑能耗模擬軟件結合^[29]。藍洪寧^[30]使用ENVI-met、PHOENICS和EnergyPlus對廣州騎樓室內熱環境進行模擬，發現有無室外熱環境下室內熱環境數據存在明顯差異且不能忽略。

       筆者團隊自2012年開始研究ENVI-met，除將其作為微氣候模擬應用工具外，對其模擬內核進行過深入解析，并與軟件開發者團隊有著長期密切合作。在國內外交流中，我們也發現了很多ENVI-met軟件自身不足及使用者操作中常存在的問題，在此進行總結梳理，以期幫助研究者避免錯誤或誤區。

       3.2.1   軟件選用不當

       ENVI-met是專為小尺度微氣候研究建立，其主要內核模型架構和經驗參數均來自于已有微氣候研究成果，不確保適用于大尺度區域。軟件最小水平分辨率為0.5m，最大水平分辨率為10m。實際對街道尺度建模宜在5m以下，以確保空間形態和計算模型的平衡性。當尺度超出微氣候研究范圍（水平尺度0.1m~1km）時，大氣系統對環境的影響會隨著模擬區域的擴大而明顯，此時選用小尺度模型非但優勢不明顯，還會產生過大的計算量。若研究模擬范圍內存在山體、海洋等區域氣候因素，微氣候模型也無法對山谷風、水陸風等形成和作用機理完整考慮。因此模擬研究開始前，研究者需要對照基本概念定義研究范圍，選擇合適的工具、方法。

       3.2.2   幾何模型和軟件模型理解缺失

       不少此前從未使用過CFD軟件的跨專業研究者，未了解計算流體力學基本原理，將三維簡化模型和計算模型劃等號。典型錯誤出現在使用ENVI-met研究垂直綠化、屋頂綠化的文章中——將幾何模型中位置靠近建筑表皮的植物作為屋頂或垂直綠化進行所謂立體綠化的環境影響模擬。這類文章數量眾多、結論荒謬，對基本原理的無視令人觸目驚心。根據國外研究統計，采用該錯誤方法得出的屋頂綠化對空氣溫度峰值改善的中位數高達1.5℃，而正常模擬研究得到的地面綠化的改善效果中位數僅為0.65℃，最大值也未超過1.0℃。即如前述立體綠化模擬方法成立，則會到一條明顯不符合實際的結論：樹木種在屋頂比種在地面更好，其對人行高度的溫度改善作用將增大到2.3倍以上。國內一些研究者以同樣完全錯誤的方法，號稱屋頂綠化能讓地面降溫最大0.55℃，平均降溫強度可達0.25℃，并延伸認為街區尺度屋頂綠化產生的“冷島”可從屋面擴散到地面空間。甚至有部分研究者無視模擬中顯而易見的問題，對結果強加解釋^[31]。

       根據筆者不完全統計，僅存在這一類錯誤的國內論文數量已超過2位數，占過去8年內軟件相關文章總數的10%！在所統計的41篇犯該類錯誤的英文文獻中，國內研究者也占據絕對多數，且這類研究多數由國家自然科學基金支持。這種情況值得警惕和反思。不過，2018年11月ENVI-met發布了立體綠化模擬模塊，該模塊可模擬包括容器式、藤蔓式等各種類型建筑垂直綠化及屋頂綠化。

       3.2.3   缺乏驗證環節

       目前很多國內研究文章的研究欠缺軟件工具驗證部分。研究者對ENVI-met軟件的驗證問題也普遍較為困惑。城市微氣候模擬結果不但與城市下墊面的情況有關，也極大地受城市所在地理位置的氣候影響。而ENVI-met所采用的計算模型或經驗參數雖然均有驗證，但一些計算模型的簡化是否能滿足城市微氣候模擬的多樣需求、在某地測試總結得到的經驗參數是否適合其他不同氣候區域，都是值得關注的問題。ENVI-met的模擬結果在我國東南、南方區域的亞熱帶濕熱氣候區已經通過了驗證，在廣州^[32]、深圳^[33]、南京^[34]等地的對比實測中表現較好，在一些北方城市也有部分季節的驗證研究^[26,35]。部分研究者還對ENVI-met在一些具體研究領域的適用性做了分析，證明利用ENVI-met模擬三維植被溫度場分布^[36]、地表溫度^[37]、喬木對室外熱環境^[38]及污染物^[39]影響的可行性。

       3.2.4   忽略不同版本的算法調整

       ENVI-met軟件每年冬夏各發布一個變化較大的新版本，歷次算法微調或重要新功能均在冬季版發布。研究者需要關注并對比不同版本的計算差異。如其2018年冬季版本將默認二氧化碳本底濃度從350ppm調高至400ppm，給出了新的墻壁粗糙長度計算方法并設為默認；默認湍流模型從Mellor-Yamada的修正版本改為了Bruse/ENVImet的修正版本。研究者在同一個項目需避免跨版本，并盡量選擇穩定可靠的軟件版本。當必須跨版本操作時，除了注意核對自定義設置，還要特別關注一些此前未關注參數的程序默認值是否發生變化。

       3.2.5   模擬與實測的關系

       一些研究者提出模擬值與實測值始終無法完全對應，這在微氣候研究中其實是很正常的現象。可能的原因有：（1）模擬中參數選用不當、模擬范圍選取不當、邊界條件設置不當等；（2）模擬是在對已知條件簡化的背景下得到值，而測量是在遠比已知情況復雜的實際背景下得到的值，且受到儀器和操作誤差影響，實測值未必可靠；（3）軟件自身不支持該情況的模擬，如ENVI-met非多項模型，當氣溫降低過快或過低，模擬得到的相對濕度超過100%。但依據現行的《民用建筑綠色性能模擬標準》，可認為這時出現凝結。

       為了提高輸入條件的準確性，當有場地入流側實測數據時，可通過full forcing導入測試數據，將壁面邊界條件設為forced。在實測結論和模擬值的對比時，應對某一參數的的不同變化趨勢進行比較，而不是絕對值直接比較，亦可借助SPSS等分析軟件進行統計比較。必要時要進行補測以幫助判定。

       4   總結與展望

       居住小區綠化植被豐富、空間多樣，常用CFD軟件難以對室外物理環境做出全面、有效預測。三維城市模擬軟件ENVI-met綜合了大氣環境和下墊面作用將太陽直射輻射、散射輻射與CFD模擬較好耦合，除了下墊面和建筑表面參數外，還可以考慮植物、水體等景觀要素的多重影響，可用于包括居住小區在內的城市室外風環境、熱島強度、室外幕墻光污染等數值模擬計算，已在國內外有著廣泛應用，幫助產生了大量研究成果。

       我國研究者對該工具的使用雖然起步較晚，但發展迅速，且研究方向多樣。在軟件的本地有效性驗證方面，華南地區、東南地區的研究者開展大量工作證明了軟件的地區適用性。ENVI-met亦通過了國內研究者對其計算地表溫度、污染物分布、三維植被溫度場分布等參數的可行性研究。

       ENVI-met工具在當前的應用研究中也暴露出大量的問題，反思其形成根源，與很多跨專業研究者的基礎背景不扎實有較大關系。一些問題的不斷重復暴露也反映出目前整個微氣候研究領域由于學科背景分散，文章缺乏嚴格的專業審核，研究成果層次不齊。微氣候研究領域是綜合性的交匯領域，研究者應狠抓理論基本功，不應過分依賴軟件工具，而要科學對待數值模擬結果，掌握分析判斷能力。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年5月刊總第21期。
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