建筑立體綠化對(duì)室外熱環(huán)境的影響分析

丁云飛，王元明，蘇 浩，王劍平

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院/廣州大學(xué)廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510006)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，大量的人工發(fā)熱、建筑物和道路等高蓄熱體及綠地減少等因素使得城市氣溫明顯高于外圍郊區(qū)，不僅惡化了室外熱環(huán)境，而且使城市熱島效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重.增加城市綠化面積，采用立體綠化方式(在建筑屋面、墻面、坡面利用植物進(jìn)行綠化)可以有效減弱城市熱島效應(yīng)，改善室外熱環(huán)境，同時(shí)也具有很好的生態(tài)效益［1－3］，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究.建筑室外熱環(huán)境與建筑體本身、室外綠化率及河流等密切相關(guān)［4－5］，邸芃等［6］對(duì)比分析了屋頂綠化、屋面蓄水、淺色坡屋面等的特點(diǎn)，以及各自對(duì)建筑周?chē)鸁岘h(huán)境的影響;盧軍等［7－9］以亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候城市重慶為例，研究分析了獨(dú)特地理環(huán)境對(duì)城市建筑群氣候的影響關(guān)系.黃任等［10］研究了廣州地區(qū)立體綠化對(duì)建筑環(huán)境的影響，測(cè)試分析了不同綠化植被對(duì)建筑屋面和墻體的熱環(huán)境影響.

本文以廣州大學(xué)城某高校圖書(shū)館為對(duì)象，采用PHOENICS模擬軟件，通過(guò)對(duì)物理模型應(yīng)用的簡(jiǎn)化、計(jì)算區(qū)域的確定、數(shù)學(xué)模型的選取及邊界條件的設(shè)立，模擬建筑室外熱環(huán)境［11－13］，分析立體綠化對(duì)建筑屋面及室外熱環(huán)境的影響.

1 建筑概況

用于分析的圖書(shū)館建筑主體高度31.5 m，總面積為46 744 m2，見(jiàn)圖1.建筑周?chē)O(shè)計(jì)有小橋、流水、涼亭、林蔭小道等.

圖1 建筑鳥(niǎo)瞰圖Fig.1 Aerial view of building graph

2 室外熱環(huán)境模擬

2.1 室外氣象參數(shù)

廣州位于北緯 23°6'，東經(jīng) 113°15'，屬夏熱冬暖地區(qū)，地表接受太陽(yáng)輻射量較多，同時(shí)受季風(fēng)影響，夏季海洋暖氣流形成高溫天氣.選取8月18日作為典型計(jì)算日，根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50736 －2012)［14］，廣州風(fēng)向SSE，風(fēng)速為1.7 m·s－1.室外氣象參數(shù)見(jiàn)表1.

2.2 模型建立

依據(jù)建筑設(shè)計(jì)總圖，對(duì)建筑以及周?chē)莸?、道路、廣場(chǎng)、河流等分別建模，模型效果圖及模擬溫度標(biāo)記處見(jiàn)圖2.

表1 典型時(shí)刻室外氣象參數(shù)Table 1 Outdoor meteorological parameters on typical time

圖2 模型圖Fig.2 Model graph

圖2中，區(qū)域1#表示建筑屋面1處的溫度，區(qū)域2#表示建筑屋面2處的溫度，區(qū)域3#、4#、5#分別表示廣場(chǎng)、草地、河流上方1.5 m高度處的溫度.

2.3 模擬方案

模擬設(shè)置2種方案，方案1為原建筑方案，屋頂為實(shí)心結(jié)構(gòu)，材料采用鋼筋混凝土，墻體材料采用輕質(zhì)陶粒實(shí)心砌塊.方案2在方案1基礎(chǔ)上增加立體綠化，屋頂種植佛甲草，墻體采用預(yù)制式掛箱綠化墻的綠化形式.在2種方案條件下，分別模擬建筑8:00～16:00的室外熱島效應(yīng)，分析模型各區(qū)域的溫度分布，并進(jìn)行比較分析.

3 結(jié)果分析

3.1 方案1各區(qū)域溫度分布

圖3(見(jiàn)封二)是方案1條件下不同時(shí)刻(取8:00、10:00、12:00、14:00、16:00 共 5 個(gè)時(shí)刻)建筑及周?chē)鲄^(qū)域的環(huán)境溫度分布云圖，圖4反映了不同時(shí)刻各模擬區(qū)域溫度變化趨勢(shì).

圖4 不同時(shí)刻各模擬區(qū)域溫度變化Fig.4 Simulated temperature distribution of different times

從圖4可見(jiàn)，隨著室外溫度tw的升高，廣場(chǎng)、草地、河流溫度逐漸升高，且在下午14:00各區(qū)域溫度均達(dá)到最大值.圖書(shū)館正門(mén)前方的廣場(chǎng)路面(3#區(qū)域)屬硬質(zhì)鋪裝，這些人工構(gòu)筑物吸熱快而熱容量小，在相同的太陽(yáng)輻射條件下，它們比自然下墊面(4#綠地區(qū)域、5#水面區(qū)域等)升溫快，因而其上方1.5 m高度處溫度明顯高于自然下墊面.在14:00時(shí)刻最高溫度達(dá)到58.5℃，影響了行人的熱舒適性.河流(5#區(qū)域)溫度遠(yuǎn)低于廣場(chǎng)路面溫度，這是由于水的比熱容大，與硬質(zhì)鋪裝材料相比，吸收相同的熱量溫升較慢.草地(4#區(qū)域)由于蒸騰和光合作用溫升速率小于廣場(chǎng)路面，且最高溫度也遠(yuǎn)小于廣場(chǎng)路面溫度.因此，加大綠化率，不僅美化環(huán)境，同時(shí)為舒適的室外熱環(huán)境提供了良好的條件.

3.2 兩種方案室外溫度對(duì)比分析

圖5(見(jiàn)封二)是方案2各時(shí)刻室外溫度云圖，圖6是2種方案下室外各區(qū)域溫度分布比較.圖6(a)顯示采用立體綠化后，廣場(chǎng)路面(區(qū)域3#)溫度隨環(huán)境溫度增加而增加，在14:00時(shí)刻溫度達(dá)到最大值56℃.與方案1相比，溫度降低了0.5～2.5℃左右，在14:00時(shí)刻溫降幅度達(dá)到最大為2.5℃.圖6(b)顯示采用立體綠化后，室外綠地(區(qū)域4#)溫升趨勢(shì)與方案1相一致，隨著室外溫度的增加，溫度逐漸升高，在14:00時(shí)刻達(dá)到最大值48.5℃，相比方案1，溫度降了0.5～2.0℃，在8:00時(shí)刻降溫最小為0.5℃，在14:00時(shí)刻溫降達(dá)到最大值2.0℃.圖6(c)顯示水體(區(qū)域5#)不同時(shí)刻溫度分布與室外環(huán)境溫度較為接近，且與方案1相比溫降也略低于其他區(qū)域，為0.5～1.5℃左右，最大溫降出現(xiàn)在14:00時(shí)刻為1.5℃.綜上分析可以看出采用立體綠化在一定程度上改善了室外熱環(huán)境，建筑周?chē)膹V場(chǎng)、草地、河流等溫度相比優(yōu)化前降低了0.5～2.0℃左右，有效降低了室外環(huán)境溫度，減緩了室外熱島效應(yīng).采用立體綠化，一方面綠色植被通過(guò)蒸騰和光合作用，帶走周?chē)h(huán)境中的熱量，降低了室外溫度;另一方面，綠色植被帶來(lái)了清潔新鮮的空氣，提高了人體的舒適性.

圖6 不同方案室外溫度分布Fig.6 Outdoor temperature distribution of different plans

3.3 2種方案屋面溫度對(duì)比分析

圖7為2種方案下在14:00時(shí)刻屋面溫度分布云圖，從圖中可見(jiàn)，采用立體綠化后屋頂表面溫度下降顯著，圖8進(jìn)一步比較了屋面上的2個(gè)區(qū)域在不同時(shí)刻的溫度分布.圖8(a)顯示隨著室外溫度的升高，屋面區(qū)域1#溫度逐漸升高.方案1和方案2溫升趨勢(shì)一致，但方案2溫升速率明顯低于方案1.兩方案溫度最大值均出現(xiàn)在14:00時(shí)刻，分別為42.5℃、35.0℃，溫差為7.5℃.方案2與方案1相比，屋面溫度降低了1.0～7.5℃左右，且溫降逐漸增大，在14:00時(shí)刻溫降最大為7.5℃，降溫效果較為顯著.

圖7 不同方案建筑屋面溫度分布Fig.7 Roofing temperature distribution of different plans

圖8(b)顯示區(qū)域2#溫升趨勢(shì)和溫降趨勢(shì)與區(qū)域1#基本一致.方案1和方案2區(qū)域2#溫度均在14:00時(shí)刻出現(xiàn)最大值，分別為44.5℃、36.5℃，溫差為8℃.方案2與方案1相比，溫度降低了1.0～8.0℃左右，在8:00時(shí)刻溫降較小為1℃，在14:00時(shí)刻溫降最大為8.0℃.方案1由于屋面結(jié)構(gòu)對(duì)熱量的吸收作用，使得建筑屋面附近的熱環(huán)境比室外環(huán)境惡劣，溫度達(dá)到40℃以上.方案2采用屋面綠化，建筑屋面的溫度降低了8℃左右，提高了屋面的隔熱性能，降低了室內(nèi)空調(diào)能耗，有效的節(jié)約了能源.綠色植被吸收屋面熱量，其中大部分用于光合作用及蒸騰作用，使得屋面免于夏季陽(yáng)光暴曬和烘烤，減緩了屋面溫度的波動(dòng)，降低了熱島效應(yīng).屋面2#比屋面1#溫度高出2℃左右，屋面2#位于建筑連廊處，連廊前后的高層建筑影響了屋面2#的通風(fēng)，造成過(guò)熱氣體不能及時(shí)排走，使得屋面2#溫度較高.

圖8 不同方案屋面溫度分布Fig.8 Roof temperature distribution of different plans

3.4 模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

以圖書(shū)館同一區(qū)域的兩個(gè)小型建筑為例，進(jìn)行對(duì)比測(cè)試和模擬數(shù)據(jù)分析，一個(gè)為普通建筑，一個(gè)為立體綠化建筑(佛甲草綠化屋頂+預(yù)制式掛箱綠化墻)［10］.圖 9(a)、(b)分別是兩棟建筑在各時(shí)刻的實(shí)測(cè)及模擬結(jié)果，由圖可知，實(shí)測(cè)和模擬溫升趨勢(shì)一致，都隨著室外環(huán)境溫度的升高而升高，其中由普通建筑實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果最大偏差為8.6%，綠化建筑實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果最大偏差為7.0%，偏差均在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明本次模擬模型可靠.

圖9 實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of experimental and simulation results

3 結(jié)論

以廣州某高校圖書(shū)館為例，采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)建筑采用立體綠化方案前后的室外熱環(huán)境進(jìn)行了模擬比較，結(jié)果顯示，采用立體綠化，建筑前廣場(chǎng)、草地、河流上方1.5 m處溫度分別下降了0.5～2.5℃、0.5～2.0℃、0.5～1.5℃，有效降低了室外環(huán)境溫度，有效地改善了室外熱舒適條件.同時(shí)，采用屋面綠化，建筑屋面的溫度降低了8℃左右，提高了屋面的隔熱性能，降低了室內(nèi)空調(diào)能耗，達(dá)到了節(jié)能的目的.

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