重庆礼嘉智慧公园旱喷广场夏季旱喷降温增湿效应研究
时间：2023-02-25 19:15:05 来源：千叶帆 本文已影响人
张海滨 张 琳 孙佳奇
ZHANG Haibin1,2* ZHANG Lin1 SUN Jiaqi1
（1.重庆大学建筑城规学院，重庆 400030；
2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400030）
( 1.School of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing, China, 400030; 2.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Chongqing University, Chongqing, China,400030 )
旱喷作为一种城市中常见的小型水体，不仅具有良好的观赏性，还能较好地调节城市局地热环境。以重庆礼嘉智慧公园旱喷广场为研究对象，根据距离、下垫面、启闭状态的不同，选取16个测点，对其周围的干球温度、相对湿度、黑球温度等气象因子进行旱喷降温增湿效应的实测分析。结果显示，夏季旱喷对周围环境12 m范围有明显的降温增湿效果，其平均干球温度最大降5.94℃，平均相对湿度最大增10.34%，黑球温度最大降9.49℃。距离旱喷越近，越靠近下风向区域，旱喷的降温增湿效果越明显。不同的下垫面和环境配置对旱喷降温增湿的效果不同，辅助旱喷降温能力由强到弱为：草坪+乔木＞花岗石铺地＞煤矸石+花坛；
提升旱喷周围增湿能力由强到弱为：草坪+乔木＞煤矸石+花坛＞花岗石铺地。旱喷关闭后105 min内，对周围的温湿度仍有较大影响，降温增湿速度也会发生显著变化。探究夏季旱喷降温增湿的效果及其影响因素，旨在为后续城市中旱喷的相关设计实践提供理论依据和技术支撑。
旱喷；
实测；
降温增湿；
重庆城区；
夏季
2020年，中国明确了2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的战略目标[1]。城市园林建设中水体作为城市“冷岛”[2]，对城市热环境有明显的降温增湿作用，能够有效改善城市热环境，助力城市减碳[3-4]。喷泉作为一种小尺度水体，不仅具有很好的观赏效果和艺术效果，还能改善城市局部空间的热环境[5-8]。
喷泉广场作为城市景观设计要素之一，既能满足使用者的亲水需求[9]，又能通过声音和形态设计成为独特的观赏景观。目前国内外与喷泉景观设计相关的研究较多，但是专门针对喷泉降温增湿作用的研究相对较少。1998年，Nishimura等[10]首次提出喷泉景观有降温和提高行人热舒适度的潜力，并通过风洞实验证实了可以通过人工方法来控制水景的降温效果，但是并未对室外喷泉场地进行系统性实测研究，结论不具有代表性。2000年左右，朱颖心[11]团队发现喷泉对室内微气候和人体热舒适影响有利，可以降低室内空调能耗，但结论仅适用于室内喷泉，未涉及室外喷泉场地。2004年开始，唐敏[12]、杨凯[13]、魏梓兴[14]等在研究大尺度水体的微气候效应时发现喷泉可以强化湖泊、河流等水体的微气候效应，但未针对喷泉自身的微气候效应展开研究。同时期张志勤[15]、曹丹[16]、Xue[17]等开始利用数值模拟的方法对室外景观喷泉热环境效应展开研究，将水珠与空气的热质交换方程和拉格朗日方法结合建立了模拟喷泉周围热环境的数值模拟平台，并对住区的喷泉热环境进行了数值模拟，探索了风向、距离和喷水粒径等对喷泉热作用的影响。该研究建立了数值模拟喷泉的方法，但是该方法仅通过计算机模拟，其结论相对于实测研究有一定的误差。Lee等[18]通过室内实验探索了喷泉开启时，水蒸气直径、风速对其水颗粒扩散范围的影响。同时Sudprasert[19]、Seputra[20]等人开始研究室内喷泉水景对人体热舒适度的影响，届时喷泉热环境相关研究又从室外转到室内。2013年，陆婉明[21]和林生凤[6-7]等对含喷泉在内的各种小型水体微气候效应的影响范围和影响程度进行了对比研究，但未针对喷泉进行各影响因素分析。之后国内学者如於仲义[22]、齐新叶[23]等开始聚焦于环境工程领域中湖湾区喷泉的复氧控藻技术效能实验研究和喷泉热泵冷却节能系统研究，而与喷泉热环境更进一步的相关研究则处于停滞状态。可见现有与喷泉热环境相关的研究还主要停留在数值模拟和室内实验阶段，户外实测案例较少，且对城市公园内旱喷泉的降温增湿作用研究更少。
重庆位于中国西南部，属亚热带季风性湿润气候，夏季气候炎热，降水较多且风速较小。以2020年为例，重庆夏季日平均气温为28.5℃，居于全年最高位置；
日平均湿度为71.65%且日平均风速为1.83 m/s，可见重庆夏季气候炎热湿润。再结合其山地的特殊地理特征，夏季极易形成散热不易的局部高温闷热气候。已有研究表明喷泉能改善热环境，而旱喷是一种特殊的喷泉形式，对局部热环境温湿度会产生一定影响。此外旱喷在重庆城区内数量较多，广泛分布于城市商场、广场和公园等休闲娱乐区域，其中城市公园中旱喷附近下垫面种类较城市商场和广场更为丰富，旱喷开启时间更长。本研究聚焦城市公园内的旱喷广场热环境情况，以重庆礼嘉智慧公园入口处的旱喷广场为例，通过实测夏季热环境的温湿度参数，探究重庆城区公园内旱喷的降温增湿效果，以期为城市公园内旱喷的优化设计提供理论依据。
1.1 研究对象概况
重庆礼嘉智慧公园位于重庆两江新区，总占地面积约3 km2，内含不同主题的智慧场馆，绿化水体景观丰富。位于南门的旱喷广场为本次的实测对象，旱喷广场南北方向20 m范围内无建筑物，东西方向100 m范围内无建筑，旱喷周围只有少量的草坪花坛、煤矸石铺地和若干蓝花楹（Jacaranda mimosifolia），并且有较大面积的花岗石硬质地面（图1）。公园内的旱喷共由24个喷嘴组成，喷嘴间距为1.5 m，每个喷嘴直径为2.5 cm，喷水高度为1.3 m，测试过程中全部喷嘴正常开启且垂直射流高度保持不变（图2）。
1.2 测试仪器
各参数所采用的测量仪器及其精度如表1所示，所有仪器在使用前均经过标定，精度满足测试要求。另测试时在温湿度仪器上方贴有纸片对直射阳光进行遮挡。为避免地面反射辐射、长波辐射和散射辐射对测试结果的影响，这里仅对各测点和参照点之间的温湿度参数相对差值进行比较和分析。
表1 测量参数仪器表Tab.1 Instrument table for measuring parameters
1.3 测试方法
为排除极端天气因素对实测结果的影响，测试均选择在晴朗高温的天气进行[24]（表2），测试时间为10:00-16:40，其中11:40-13:25旱喷中途关闭。测试方法为温湿度记录仪、热指数仪和黑球温度自记仪自动记录，风速仪手动测量，并将仪器放置在三脚架上距离地面垂直高度1.5 m处的位置。
表2 各实测日天气情况Tab.2 Weather conditions of each measured day
1.4 测点选择
本次实测共在旱喷周围设置16个测点（图3，表3），相邻测点间隔3 m；
各测点编号根据测点位置的东西南北方位和距离远近确定。例如N代表北侧测点，E代表东侧测点，S代表南侧测点。字母后面的数字代表同一方位上测点距离旱喷的远近，例如1代表最近，5代表最远。各测点与旱喷边界的距离、方位和下垫面类型均有不同。此外，在离旱喷50 m左右的无植被遮挡的开阔位置处，距离地面垂直高度1.5 m的位置放置了一个热指数仪，测量的数据作为对比参照值。
图3 旱喷周围测点布置图Fig.3 Distribution diagram of measured points around dry fountain
表3 测点周围环境基本特征表Tab.3 Basic characteristics table of environment around measured points
2.1 旱喷对周围热环境的总体影响
为了避免实测结果的偶然性，将各测点三天内实测数据的算术平均值作为最终结果进行统计分析，图4为各测点气象参数变化图。对比三类实测数据发现，旱喷有良好的降温增湿效果，最大可降温5.94℃，增湿10.34%，黑球温度降低9.49℃。降温最大值出现在午后的15:00左右，也是室外温度最高时刻。增湿最大值则出现在早上10:00左右，黑球温度最大降低值出现在中午12:30（表4）。各测点的逐时风速走势差异较大，且测点与参照点风速差异较小，因此旱喷对风速影响不明显。
表4 参照点与旱喷周围测点的全天温湿度差值对比Tab.4 Comparison of all-day temperature and humidity difference between reference point and measured point around dry fountain
图4 各测点气象参数变化图Fig.4 Variation diagram of meteorological parameters at each measurement point
2.2 距离方位对旱喷降温增湿作用的影响分析
与旱喷边界的距离、方位不同，旱喷对周围环境的降温增湿作用也不同。南侧和北侧前9 m内的下垫面均为花岗岩硬质铺砖，因此将南北侧与旱喷边界距离相同测点的实测数据作为样本进行比较。图5显示，各方位旱喷周围6 m范围内，旱喷降温幅度与距离表现出显著的负相关关系，即与旱喷距离每增加3 m，平均降温幅度下降0.89℃。其中，距离旱喷边界3 m时其降温变化幅度最大，比边界处降温幅度下降1.58℃。而9 m处平均降温幅度比6 m处高，这与乔木的遮阴降温有关。同时旱喷周围6 m范围内，旱喷增湿幅度也随着距离的增加而减小，具体的定量关系为：距旱喷边界每增加3 m，平均增湿幅度下降1.2%。而9 m处平均增湿幅度比6 m处高，这与前面降温幅度变化的原因相同。其中，距离旱喷6 m处的增湿幅度变化最大，较3 m处的增湿幅度下降1.82%。
图5 不同距离、方位各测点降温增湿幅度Fig.5 Cooling and humidifying range of measured points at different distances and drientations
旱喷广场周围方位不同，附近的风速也不同。已有研究表明风向风速对旱喷周围热环境影响较大[15]。现将下垫面均为花岗石铺砖的东、南和北侧前6 m范围内不同方位的相对湿度和干球温度进行对比。南侧风速较东侧和北侧的风速更大，同时南侧的降温幅度和降温波动范围也最大。此外，南侧的增湿幅度和增湿波动范围也最大，可见旱喷附近风速越大的方位，其降温增湿效果越好。
2.3 下垫面对旱喷降温增湿作用的影响分析
由前面的分析可知，东侧和北侧同一下垫面测点的风速及降温增湿幅度差别较小。因此将东侧和北侧相同距离处不同下垫面的降温增湿幅度进行对比分析。表5显示，距旱喷9 m和12 m处的干球温度走势较为接近，经比较发现草地+蓝花楹组合的降温增湿幅度最大，且降温增湿波动幅度最大。煤矸石+花坛组合的降温幅度最低，降温大小关系为草地+蓝花楹＞花岗石+空旷地＞煤矸石+花坛。各对照组测点的增湿大小关系为草坪+蓝花楹＞煤矸石+花坛＞花岗石+空旷地，其中草坪+蓝花楹组合与煤矸石+花坛的相对湿度差值远大于前者。
表5 不同下垫面测点的温湿度差Tab.5 Temperature and humidity difference of different underlying surface measured points
2.4 启闭状态对旱喷降温增湿作用的影响分析
在对礼嘉公园旱喷广场实测过程中，11:40-13:25旱喷呈关闭状态，图6为旱喷关闭前后周围同一下垫面（花岗石铺砖）各测点与参照点的逐时温湿度差。结果显示旱喷从关闭到开启的时间段内，周围的干球温度均低于参照值，平均温差为4.88℃，即旱喷对周围温度的影响在其关闭105 min后仍旧存在。其中，旱喷关闭20 min内，周围降温情况延续关闭前的下降状态，平均下降0.74℃，20 min后，降温下降速度减缓，逐渐开始上升，并且持续时间为1 h，平均上升0.71℃，这是由旱喷关闭前在地面留下的大面积水体蒸发吸热所致[25]。当旱喷再次开启后5 min内，旱喷周围温度下降幅度速度延续开启前的状态，5 min后降温幅度急剧上升，即旱喷开始发挥降温效果。而旱喷周围环境的增湿幅度在其关闭的全部时间段内均保持下降趋势，距离6 m范围内各方位平均下降6.41%。而在旱喷再次开启的5 min后，周围增湿幅度急剧上升，即旱喷开始发挥其增湿效果。此外，在旱喷关闭后20 min内，周围的黑球温度降低趋势持续，且黑球温度平均降低0.4℃，20 min后，黑球温度降低值急剧上升，持续时间为30 min，平均上升2.8℃，这是由于旱喷关闭前在地面留下的大面积水体蒸发吸热所致。当旱喷再次开启的5 min后，旱喷周围的黑球温度降低值急剧上升，即旱喷开启发挥其降温作用（表6）。
表6 旱喷启闭前后周围温湿度差变化Tab.6 Variation of temperature and humidity difference around dry fountain before and after opening
图6 旱喷启闭前后参照点与各测点的温湿度差Fig.6 Temperature and humidity difference between reference point and measured points before and after opening
实测结果表明旱喷确实对周围热环境有明显的降温增湿效果，根据分析结果可对旱喷场地采取下列优化措施：（1）室外气温越高，旱喷的降温效果越明显，因此旱喷应在室外气温较高时开启，充分发挥其对周围热环境的气候调节作用。（2）旱喷能明显改善下风向的热湿环境，且距离旱喷越近，改善作用越明显，因此可在距离旱喷较近的下风向区域布置遮阳休息设施，并在附近设置乔木和草坪等植被，为室外人群营造较为凉爽的休息区域。（3）夏季旱喷中途关闭时间最好不要超过30 min，即充分发挥旱喷关闭后地面水体的蒸发效果后，立即开启旱喷设施，5 min后旱喷的降温增湿速度会迅速提升。
夏季旱喷对周围环境有明显的降温增湿作用，方位、距离、下垫面以及旱喷启闭状态都会影响旱喷周围环境温湿度的变化，具体如下：（1）夏季开启旱喷能使周围热环境干球温度最大降低5.94℃，平均相对湿度最大提高10.34%，黑球温度最大降低9.49℃。（2）旱喷的降温增湿效应随着距离的增大而逐渐减弱，距离旱喷6 m范围内，距离每增加3 m，降温幅度下降0.89℃，增湿幅度下降1.2%。此外，风速较大且位于下风向南侧的降温增湿效果更好。（3）不同下垫面组合对旱喷周围热环境的降温作用影响大小为：草坪+乔木＞煤矸石+花坛＞花岗石+空旷地，增湿作用影响大小为：草坪+乔木＞煤矸石+花坛＞花岗石地面。（4）旱喷对周围温湿度的影响在其关闭105 min后仍旧存在，这与地面残留水体的蒸发吸热、增湿有关。
本研究是在重庆地区进行的，因此结论有一定的气候限制性。同时实测过程中太阳辐射遮挡不充分，因此实验结果重在比较各测点之间的相对值，存在一定误差，需要在以后的实测研究中进一步改进。但可以确定的是旱喷在夏季有强烈的降温增湿作用，对于改善夏热冬冷地区的室外热环境有积极的推动作用。在城市开放空间设计中，建议适当采用旱喷这种景观形式，在丰富空间氛围的同时，起到改善局部热环境的作用。
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