重慶禮嘉智慧公園旱噴廣場夏季旱噴降溫增濕效應(yīng)研究

張海濱 張 琳 孫佳奇

ZHANG Haibin1,2* ZHANG Lin1 SUN Jiaqi1

（1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400030；2.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 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 )

旱噴作為一種城市中常見的小型水體，不僅具有良好的觀賞性，還能較好地調(diào)節(jié)城市局地?zé)岘h(huán)境。以重慶禮嘉智慧公園旱噴廣場為研究對象，根據(jù)距離、下墊面、啟閉狀態(tài)的不同，選取16個測點，對其周圍的干球溫度、相對濕度、黑球溫度等氣象因子進(jìn)行旱噴降溫增濕效應(yīng)的實測分析。結(jié)果顯示，夏季旱噴對周圍環(huán)境12 m范圍有明顯的降溫增濕效果，其平均干球溫度最大降5.94℃，平均相對濕度最大增10.34%，黑球溫度最大降9.49℃。距離旱噴越近，越靠近下風(fēng)向區(qū)域，旱噴的降溫增濕效果越明顯。不同的下墊面和環(huán)境配置對旱噴降溫增濕的效果不同，輔助旱噴降溫能力由強到弱為：草坪+喬木＞花崗石鋪地＞煤矸石+花壇；提升旱噴周圍增濕能力由強到弱為：草坪+喬木＞煤矸石+花壇＞花崗石鋪地。旱噴關(guān)閉后105 min內(nèi)，對周圍的溫濕度仍有較大影響，降溫增濕速度也會發(fā)生顯著變化。探究夏季旱噴降溫增濕的效果及其影響因素，旨在為后續(xù)城市中旱噴的相關(guān)設(shè)計實踐提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

旱噴；實測；降溫增濕；重慶城區(qū)；夏季

2020年，中國明確了2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。城市園林建設(shè)中水體作為城市“冷島”[2]，對城市熱環(huán)境有明顯的降溫增濕作用，能夠有效改善城市熱環(huán)境，助力城市減碳[3-4]。噴泉作為一種小尺度水體，不僅具有很好的觀賞效果和藝術(shù)效果，還能改善城市局部空間的熱環(huán)境[5-8]。

噴泉廣場作為城市景觀設(shè)計要素之一，既能滿足使用者的親水需求[9]，又能通過聲音和形態(tài)設(shè)計成為獨特的觀賞景觀。目前國內(nèi)外與噴泉景觀設(shè)計相關(guān)的研究較多，但是專門針對噴泉降溫增濕作用的研究相對較少。1998年，Nishimura等[10]首次提出噴泉景觀有降溫和提高行人熱舒適度的潛力，并通過風(fēng)洞實驗證實了可以通過人工方法來控制水景的降溫效果，但是并未對室外噴泉場地進(jìn)行系統(tǒng)性實測研究，結(jié)論不具有代表性。2000年左右，朱穎心[11]團隊發(fā)現(xiàn)噴泉對室內(nèi)微氣候和人體熱舒適影響有利，可以降低室內(nèi)空調(diào)能耗，但結(jié)論僅適用于室內(nèi)噴泉，未涉及室外噴泉場地。2004年開始，唐敏[12]、楊凱[13]、魏梓興[14]等在研究大尺度水體的微氣候效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)噴泉可以強化湖泊、河流等水體的微氣候效應(yīng)，但未針對噴泉自身的微氣候效應(yīng)展開研究。同時期張志勤[15]、曹丹[16]、Xue[17]等開始利用數(shù)值模擬的方法對室外景觀噴泉熱環(huán)境效應(yīng)展開研究，將水珠與空氣的熱質(zhì)交換方程和拉格朗日方法結(jié)合建立了模擬噴泉周圍熱環(huán)境的數(shù)值模擬平臺，并對住區(qū)的噴泉熱環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬，探索了風(fēng)向、距離和噴水粒徑等對噴泉熱作用的影響。該研究建立了數(shù)值模擬噴泉的方法，但是該方法僅通過計算機模擬，其結(jié)論相對于實測研究有一定的誤差。Lee等[18]通過室內(nèi)實驗探索了噴泉開啟時，水蒸氣直徑、風(fēng)速對其水顆粒擴散范圍的影響。同時Sudprasert[19]、Seputra[20]等人開始研究室內(nèi)噴泉水景對人體熱舒適度的影響，屆時噴泉熱環(huán)境相關(guān)研究又從室外轉(zhuǎn)到室內(nèi)。2013年，陸婉明[21]和林生鳳[6-7]等對含噴泉在內(nèi)的各種小型水體微氣候效應(yīng)的影響范圍和影響程度進(jìn)行了對比研究，但未針對噴泉進(jìn)行各影響因素分析。之后國內(nèi)學(xué)者如於仲義[22]、齊新葉[23]等開始聚焦于環(huán)境工程領(lǐng)域中湖灣區(qū)噴泉的復(fù)氧控藻技術(shù)效能實驗研究和噴泉熱泵冷卻節(jié)能系統(tǒng)研究，而與噴泉熱環(huán)境更進(jìn)一步的相關(guān)研究則處于停滯狀態(tài)。可見現(xiàn)有與噴泉熱環(huán)境相關(guān)的研究還主要停留在數(shù)值模擬和室內(nèi)實驗階段，戶外實測案例較少，且對城市公園內(nèi)旱噴泉的降溫增濕作用研究更少。

重慶位于中國西南部，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，夏季氣候炎熱，降水較多且風(fēng)速較小。以2020年為例，重慶夏季日平均氣溫為28.5℃，居于全年最高位置；日平均濕度為71.65%且日平均風(fēng)速為1.83 m/s，可見重慶夏季氣候炎熱濕潤。再結(jié)合其山地的特殊地理特征，夏季極易形成散熱不易的局部高溫悶熱氣候。已有研究表明噴泉能改善熱環(huán)境，而旱噴是一種特殊的噴泉形式，對局部熱環(huán)境溫濕度會產(chǎn)生一定影響。此外旱噴在重慶城區(qū)內(nèi)數(shù)量較多，廣泛分布于城市商場、廣場和公園等休閑娛樂區(qū)域，其中城市公園中旱噴附近下墊面種類較城市商場和廣場更為豐富，旱噴開啟時間更長。本研究聚焦城市公園內(nèi)的旱噴廣場熱環(huán)境情況，以重慶禮嘉智慧公園入口處的旱噴廣場為例，通過實測夏季熱環(huán)境的溫濕度參數(shù)，探究重慶城區(qū)公園內(nèi)旱噴的降溫增濕效果，以期為城市公園內(nèi)旱噴的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象概況

重慶禮嘉智慧公園位于重慶兩江新區(qū)，總占地面積約3 km2，內(nèi)含不同主題的智慧場館，綠化水體景觀豐富。位于南門的旱噴廣場為本次的實測對象，旱噴廣場南北方向20 m范圍內(nèi)無建筑物，東西方向100 m范圍內(nèi)無建筑，旱噴周圍只有少量的草坪花壇、煤矸石鋪地和若干藍(lán)花楹（Jacaranda mimosifolia），并且有較大面積的花崗石硬質(zhì)地面（圖1）。公園內(nèi)的旱噴共由24個噴嘴組成，噴嘴間距為1.5 m，每個噴嘴直徑為2.5 cm，噴水高度為1.3 m，測試過程中全部噴嘴正常開啟且垂直射流高度保持不變（圖2）。

1.2 測試儀器

各參數(shù)所采用的測量儀器及其精度如表1所示，所有儀器在使用前均經(jīng)過標(biāo)定，精度滿足測試要求。另測試時在溫濕度儀器上方貼有紙片對直射陽光進(jìn)行遮擋。為避免地面反射輻射、長波輻射和散射輻射對測試結(jié)果的影響，這里僅對各測點和參照點之間的溫濕度參數(shù)相對差值進(jìn)行比較和分析。

表1 測量參數(shù)儀器表Tab.1 Instrument table for measuring parameters

1.3 測試方法

為排除極端天氣因素對實測結(jié)果的影響，測試均選擇在晴朗高溫的天氣進(jìn)行[24]（表2），測試時間為10:00-16:40，其中11:40-13:25旱噴中途關(guān)閉。測試方法為溫濕度記錄儀、熱指數(shù)儀和黑球溫度自記儀自動記錄，風(fēng)速儀手動測量，并將儀器放置在三腳架上距離地面垂直高度1.5 m處的位置。

表2 各實測日天氣情況Tab.2 Weather conditions of each measured day

1.4 測點選擇

本次實測共在旱噴周圍設(shè)置16個測點（圖3，表3），相鄰測點間隔3 m；各測點編號根據(jù)測點位置的東西南北方位和距離遠(yuǎn)近確定。例如N代表北側(cè)測點，E代表東側(cè)測點，S代表南側(cè)測點。字母后面的數(shù)字代表同一方位上測點距離旱噴的遠(yuǎn)近，例如1代表最近，5代表最遠(yuǎn)。各測點與旱噴邊界的距離、方位和下墊面類型均有不同。此外，在離旱噴50 m左右的無植被遮擋的開闊位置處，距離地面垂直高度1.5 m的位置放置了一個熱指數(shù)儀，測量的數(shù)據(jù)作為對比參照值。

圖3 旱噴周圍測點布置圖Fig.3 Distribution diagram of measured points around dry fountain

表3 測點周圍環(huán)境基本特征表Tab.3 Basic characteristics table of environment around measured points

2 實測結(jié)果分析

2.1 旱噴對周圍熱環(huán)境的總體影響

為了避免實測結(jié)果的偶然性，將各測點三天內(nèi)實測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，圖4為各測點氣象參數(shù)變化圖。對比三類實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，旱噴有良好的降溫增濕效果，最大可降溫5.94℃，增濕10.34%，黑球溫度降低9.49℃。降溫最大值出現(xiàn)在午后的15:00左右，也是室外溫度最高時刻。增濕最大值則出現(xiàn)在早上10:00左右，黑球溫度最大降低值出現(xiàn)在中午12:30（表4）。各測點的逐時風(fēng)速走勢差異較大，且測點與參照點風(fēng)速差異較小，因此旱噴對風(fēng)速影響不明顯。

表4 參照點與旱噴周圍測點的全天溫濕度差值對比Tab.4 Comparison of all-day temperature and humidity difference between reference point and measured point around dry fountain

圖4 各測點氣象參數(shù)變化圖Fig.4 Variation diagram of meteorological parameters at each measurement point

2.2 距離方位對旱噴降溫增濕作用的影響分析

與旱噴邊界的距離、方位不同，旱噴對周圍環(huán)境的降溫增濕作用也不同。南側(cè)和北側(cè)前9 m內(nèi)的下墊面均為花崗巖硬質(zhì)鋪磚，因此將南北側(cè)與旱噴邊界距離相同測點的實測數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行比較。圖5顯示，各方位旱噴周圍6 m范圍內(nèi)，旱噴降溫幅度與距離表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即與旱噴距離每增加3 m，平均降溫幅度下降0.89℃。其中，距離旱噴邊界3 m時其降溫變化幅度最大，比邊界處降溫幅度下降1.58℃。而9 m處平均降溫幅度比6 m處高，這與喬木的遮陰降溫有關(guān)。同時旱噴周圍6 m范圍內(nèi)，旱噴增濕幅度也隨著距離的增加而減小，具體的定量關(guān)系為：距旱噴邊界每增加3 m，平均增濕幅度下降1.2%。而9 m處平均增濕幅度比6 m處高，這與前面降溫幅度變化的原因相同。其中，距離旱噴6 m處的增濕幅度變化最大，較3 m處的增濕幅度下降1.82%。

圖5 不同距離、方位各測點降溫增濕幅度Fig.5 Cooling and humidifying range of measured points at different distances and drientations

旱噴廣場周圍方位不同，附近的風(fēng)速也不同。已有研究表明風(fēng)向風(fēng)速對旱噴周圍熱環(huán)境影響較大[15]。現(xiàn)將下墊面均為花崗石鋪磚的東、南和北側(cè)前6 m范圍內(nèi)不同方位的相對濕度和干球溫度進(jìn)行對比。南側(cè)風(fēng)速較東側(cè)和北側(cè)的風(fēng)速更大，同時南側(cè)的降溫幅度和降溫波動范圍也最大。此外，南側(cè)的增濕幅度和增濕波動范圍也最大，可見旱噴附近風(fēng)速越大的方位，其降溫增濕效果越好。

2.3 下墊面對旱噴降溫增濕作用的影響分析

由前面的分析可知，東側(cè)和北側(cè)同一下墊面測點的風(fēng)速及降溫增濕幅度差別較小。因此將東側(cè)和北側(cè)相同距離處不同下墊面的降溫增濕幅度進(jìn)行對比分析。表5顯示，距旱噴9 m和12 m處的干球溫度走勢較為接近，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)草地+藍(lán)花楹組合的降溫增濕幅度最大，且降溫增濕波動幅度最大。煤矸石+花壇組合的降溫幅度最低，降溫大小關(guān)系為草地+藍(lán)花楹＞花崗石+空曠地＞煤矸石+花壇。各對照組測點的增濕大小關(guān)系為草坪+藍(lán)花楹＞煤矸石+花壇＞花崗石+空曠地，其中草坪+藍(lán)花楹組合與煤矸石+花壇的相對濕度差值遠(yuǎn)大于前者。

表5 不同下墊面測點的溫濕度差Tab.5 Temperature and humidity difference of different underlying surface measured points

2.4 啟閉狀態(tài)對旱噴降溫增濕作用的影響分析

在對禮嘉公園旱噴廣場實測過程中，11:40-13:25旱噴呈關(guān)閉狀態(tài)，圖6為旱噴關(guān)閉前后周圍同一下墊面（花崗石鋪磚）各測點與參照點的逐時溫濕度差。結(jié)果顯示旱噴從關(guān)閉到開啟的時間段內(nèi)，周圍的干球溫度均低于參照值，平均溫差為4.88℃，即旱噴對周圍溫度的影響在其關(guān)閉105 min后仍舊存在。其中，旱噴關(guān)閉20 min內(nèi)，周圍降溫情況延續(xù)關(guān)閉前的下降狀態(tài)，平均下降0.74℃，20 min后，降溫下降速度減緩，逐漸開始上升，并且持續(xù)時間為1 h，平均上升0.71℃，這是由旱噴關(guān)閉前在地面留下的大面積水體蒸發(fā)吸熱所致[25]。當(dāng)旱噴再次開啟后5 min內(nèi)，旱噴周圍溫度下降幅度速度延續(xù)開啟前的狀態(tài)，5 min后降溫幅度急劇上升，即旱噴開始發(fā)揮降溫效果。而旱噴周圍環(huán)境的增濕幅度在其關(guān)閉的全部時間段內(nèi)均保持下降趨勢，距離6 m范圍內(nèi)各方位平均下降6.41%。而在旱噴再次開啟的5 min后，周圍增濕幅度急劇上升，即旱噴開始發(fā)揮其增濕效果。此外，在旱噴關(guān)閉后20 min內(nèi)，周圍的黑球溫度降低趨勢持續(xù)，且黑球溫度平均降低0.4℃，20 min后，黑球溫度降低值急劇上升，持續(xù)時間為30 min，平均上升2.8℃，這是由于旱噴關(guān)閉前在地面留下的大面積水體蒸發(fā)吸熱所致。當(dāng)旱噴再次開啟的5 min后，旱噴周圍的黑球溫度降低值急劇上升，即旱噴開啟發(fā)揮其降溫作用（表6）。

表6 旱噴啟閉前后周圍溫濕度差變化Tab.6 Variation of temperature and humidity difference around dry fountain before and after opening

圖6 旱噴啟閉前后參照點與各測點的溫濕度差Fig.6 Temperature and humidity difference between reference point and measured points before and after opening

3 基于氣候改善的旱噴優(yōu)化建議

實測結(jié)果表明旱噴確實對周圍熱環(huán)境有明顯的降溫增濕效果，根據(jù)分析結(jié)果可對旱噴場地采取下列優(yōu)化措施：（1）室外氣溫越高，旱噴的降溫效果越明顯，因此旱噴應(yīng)在室外氣溫較高時開啟，充分發(fā)揮其對周圍熱環(huán)境的氣候調(diào)節(jié)作用。（2）旱噴能明顯改善下風(fēng)向的熱濕環(huán)境，且距離旱噴越近，改善作用越明顯，因此可在距離旱噴較近的下風(fēng)向區(qū)域布置遮陽休息設(shè)施，并在附近設(shè)置喬木和草坪等植被，為室外人群營造較為涼爽的休息區(qū)域。（3）夏季旱噴中途關(guān)閉時間最好不要超過30 min，即充分發(fā)揮旱噴關(guān)閉后地面水體的蒸發(fā)效果后，立即開啟旱噴設(shè)施，5 min后旱噴的降溫增濕速度會迅速提升。

4 結(jié)論

夏季旱噴對周圍環(huán)境有明顯的降溫增濕作用，方位、距離、下墊面以及旱噴啟閉狀態(tài)都會影響旱噴周圍環(huán)境溫濕度的變化，具體如下：（1）夏季開啟旱噴能使周圍熱環(huán)境干球溫度最大降低5.94℃，平均相對濕度最大提高10.34%，黑球溫度最大降低9.49℃。（2）旱噴的降溫增濕效應(yīng)隨著距離的增大而逐漸減弱，距離旱噴6 m范圍內(nèi)，距離每增加3 m，降溫幅度下降0.89℃，增濕幅度下降1.2%。此外，風(fēng)速較大且位于下風(fēng)向南側(cè)的降溫增濕效果更好。（3）不同下墊面組合對旱噴周圍熱環(huán)境的降溫作用影響大小為：草坪+喬木＞煤矸石+花壇＞花崗石+空曠地，增濕作用影響大小為：草坪+喬木＞煤矸石+花壇＞花崗石地面。（4）旱噴對周圍溫濕度的影響在其關(guān)閉105 min后仍舊存在，這與地面殘留水體的蒸發(fā)吸熱、增濕有關(guān)。

本研究是在重慶地區(qū)進(jìn)行的，因此結(jié)論有一定的氣候限制性。同時實測過程中太陽輻射遮擋不充分，因此實驗結(jié)果重在比較各測點之間的相對值，存在一定誤差，需要在以后的實測研究中進(jìn)一步改進(jìn)。但可以確定的是旱噴在夏季有強烈的降溫增濕作用，對于改善夏熱冬冷地區(qū)的室外熱環(huán)境有積極的推動作用。在城市開放空間設(shè)計中，建議適當(dāng)采用旱噴這種景觀形式，在豐富空間氛圍的同時，起到改善局部熱環(huán)境的作用。