球狀冠體喬木對(duì)鄰近墻面熱輻射擾動(dòng)影響分析

德 克

(浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 杭州 311300)

1 概述

對(duì)宅間及庭院等綠化而言，科學(xué)合理的樹種選擇與配置，可以充分發(fā)揮降溫增濕、固碳釋氧、滯塵減噪等生態(tài)效益[1]。在宅間、庭院綠化時(shí)，中小喬木與大型的花灌木是主要的植被類型，影響喬灌木樹種選擇與空間配置的關(guān)鍵因素包含文化風(fēng)俗、景觀要求與經(jīng)濟(jì)效益等方面[2]，卻忽視了喬灌木對(duì)熱環(huán)境等方面的影響，導(dǎo)致其巨大的降溫節(jié)能效應(yīng)難以發(fā)揮，造成生態(tài)效益的巨大浪費(fèi)。因此，加強(qiáng)喬灌木類植被對(duì)農(nóng)宅群熱環(huán)境影響方面的科學(xué)研究，對(duì)充分發(fā)揮其節(jié)能生態(tài)效益與完善村域喬灌木類植被的設(shè)計(jì)導(dǎo)則等方面均具有重要的理論指導(dǎo)意義。

喬木對(duì)建筑熱環(huán)境影響有多種方式，蒸騰作用是喬木對(duì)建筑熱環(huán)境影響的主要機(jī)理之一[3]。喬木通過冠層葉片排出水分氣化，降低了冠體周圍的空氣溫度，其作用受季相變化、氣溫、土壤水分、葉片形態(tài)、葉片氣孔導(dǎo)度等因素共同制約[4]，其中葉片氣孔導(dǎo)度是整棵樹蒸騰作用的預(yù)測(cè)因子[5]，Grylls量化了不同條件下蒸騰冷卻效果占總冷卻效果的比例關(guān)系，為喬木冷卻作用的研究提供了便利[6]。喬木對(duì)鄰近建筑熱環(huán)境影響的另一因素是其對(duì)太陽輻射的遮陰作用，減少了鄰近墻面所吸收的總熱輻射，從而可減少傳入室內(nèi)的熱量，同時(shí)也可降低制冷能耗[7]。喬木的熱輻射遮陰能力主要受冠體結(jié)構(gòu)的影響，較小的冠體結(jié)構(gòu)透射率有助于攔截更多的太陽直接輻射和天空短波散射，從而具有更好的降溫節(jié)能效果[8]。Deng通過十種樹木輻射性能實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在樹木冠體沒有明顯縫隙或凹形的情況下，其輻射性能的差異主要取決于葉片的大小，其透反射率也與太陽高度呈線性相關(guān)[9]。除對(duì)喬木本體研究外，還有城市宏觀視角下的研究，如Lee應(yīng)用城市冠層模型計(jì)算城市峽谷喬木帶來的輻射遮陰和吸收[10]。這些冠體輻射性能研究，為喬木輻射冷卻效果的應(yīng)用及評(píng)估提供了便利。綜上所述，目前尚缺乏無陰影條件下喬木對(duì)鄰近墻面熱輻射擾動(dòng)影響因子的研究。鑒于此，本文利用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方式，分析喬木對(duì)墻面熱輻射擾動(dòng)影響因子，為喬木綠化時(shí)的樹種選擇及空間配置提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究方法

一般而言，樹木與建筑的位置都是固定的，而難移動(dòng)的特點(diǎn)無法滿足研究中參數(shù)變化的要求。比如，冠體直徑、墻冠距等參數(shù)的變化對(duì)鄰近墻面熱輻射的影響等研究，就難以通過一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)完成。為使研究更加經(jīng)濟(jì)有效，本文選取軟件模擬作為探索樹木冠體對(duì)鄰近墻面的熱輻射影響的研究方法。但模擬方法的結(jié)果是否準(zhǔn)確可靠則首先需要評(píng)估。本文所提方法主要包含兩步：第一步是應(yīng)用實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)模擬過程和結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，并調(diào)整優(yōu)化模擬參數(shù)的設(shè)置，最終確定較高精度的模擬方法；第二步是應(yīng)用檢驗(yàn)過的模擬方法完成更多工況的模擬與分析，以探索不同冠徑、墻冠距等參數(shù)的變化對(duì)鄰近墻面的熱輻射影響。

在第一步中，先現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)由球狀冠體喬木(桂花樹)、墻板及地面組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)也在ENVI-met軟件中構(gòu)建1∶1的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停诖_保邊界條件一致的情況下分別獲取墻面的相關(guān)熱輻射強(qiáng)度數(shù)值，然后對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比，如有差異，再修改相關(guān)模擬基本設(shè)置參數(shù)，獲得模擬結(jié)果后再次比較，直至確定與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合的模擬參數(shù)及模擬過程。在第二步中，應(yīng)用確定的模擬參數(shù)和方法模擬分析更多喬木參數(shù)，如樹木不同冠徑、樹木冠體LAD、墻冠距等對(duì)墻面的熱輻射影響規(guī)律。具體的方法流程圖如圖1所示。

3 喬木熱輻射擾動(dòng)實(shí)測(cè)及模擬校驗(yàn)

3.1 喬木熱輻射擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于中國杭州市臨安區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，具有夏季高溫、冬季寒冷的天氣特征。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由南方典型代表性喬木桂花樹、三面圍合墻板組成。試驗(yàn)場(chǎng)地為兩處三面圍合空間，其中西側(cè)空間為喬木區(qū)，東側(cè)空間為無喬木區(qū)。在喬木區(qū)內(nèi)有一株桂花樹。由于兩個(gè)測(cè)試區(qū)內(nèi)的地面材質(zhì)包含草坪與瓷磚兩種類型，為避免不同地面材質(zhì)的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)均鋪上相同材質(zhì)的地毯。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2019年8月，杭州在這個(gè)月里白天太陽角度高，桂花全天均無陰影投射到北側(cè)板，這樣可不必考慮樹木遮陰效應(yīng)對(duì)墻面的熱輻射的影響。實(shí)測(cè)時(shí)間為每天9:00,11:00,14:00,17:00,19:00。在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上使長、短波熱輻射儀分別測(cè)量三個(gè)測(cè)點(diǎn)的長、短波熱輻射強(qiáng)度。同時(shí)使用TES-1333太陽能功率表(準(zhǔn)確度±10 W/m2)對(duì)太陽輻射總量進(jìn)行測(cè)量，并使用TES1361C溫濕度記錄儀測(cè)量環(huán)境溫濕度(濕度精度：±3%R.H.;溫度精度：±0.8 ℃)。

3.2 模擬方法及其準(zhǔn)確性評(píng)估

應(yīng)用ENVI-met軟件建立與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等尺寸比例的喬木、墻板及地面模型(見圖2)，并以實(shí)測(cè)期間的天氣條件作為模擬條件，模擬并提取有、無桂花樹區(qū)對(duì)應(yīng)的北側(cè)墻面板三個(gè)高度處的長波熱輻射發(fā)射強(qiáng)度、接收強(qiáng)度及短波熱輻射接收、反射強(qiáng)度值。對(duì)比實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)(見圖3)，兩者均出現(xiàn)了熱輻射擾動(dòng)。這里的熱輻射擾動(dòng)是指種植喬木后，墻面凈長、短波熱輻射吸收強(qiáng)度的改變量。同時(shí)，兩者的長、短波熱輻射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致，從早到晚均呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)。有喬木的實(shí)測(cè)在上午11：00長短波熱輻射接收高于模擬，這是因?yàn)槟M中喬木受網(wǎng)格限制，略大于實(shí)測(cè)，因此模擬中在上午太陽11：00時(shí)喬木對(duì)太陽輻射產(chǎn)生了更多的攔截。但總體而言，模擬結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度高，說明本研究所用模擬法具有較好的準(zhǔn)確性與可靠性。因此，可用其進(jìn)一步開展喬木對(duì)鄰近墻面熱輻射擾動(dòng)的影響因子分析。

4 喬木對(duì)墻面熱輻射擾動(dòng)影響因子分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬均證明了喬木冠體可對(duì)鄰近墻面產(chǎn)生熱輻射擾動(dòng)影響，但喬木冠體本體參數(shù)及其空間位置對(duì)熱輻射擾動(dòng)的影響規(guī)律難以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，需要應(yīng)用模擬方法進(jìn)一步探究。根據(jù)實(shí)際情況，本文提出一套由不同冠徑DC(3 m,5 m,7 m)、不同葉面積密度LAD(1 m2/m3,2 m2/m3,3 m2/m3)與不同墻冠距DW-T(1 m,2 m,3 m)等不同參數(shù)值組合而成的27種模擬情景。其中墻冠距為樹冠邊緣至鄰近墻面的最短距離。此外，可定義LAD=1 m2/m3的喬木為稀疏型喬木，LAD=2 m2/m3代表中等茂密喬木，LAD=3 m2/m3代表茂密型喬木。通過對(duì)上述27種情景的模擬，可分析喬木冠徑、葉面積密度及墻冠距對(duì)鄰近墻面的熱輻射擾動(dòng)規(guī)律。為定量分析不同情景下喬木對(duì)墻面熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度在不同方向上的變化規(guī)律，可以擾動(dòng)區(qū)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，水平向右方向?yàn)閄軸方向，豎直向上方向?yàn)閅軸方向。應(yīng)用此坐標(biāo)系，可以分析不同喬木冠徑、葉面積密度及墻冠距等參數(shù)改變的情況下，熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度在墻面不同方向上的演變規(guī)律(見圖4)。

4.1 喬木冠徑對(duì)墻面熱輻射擾動(dòng)的影響

從不同冠徑DC的熱輻射模擬結(jié)果中分別提取X,Y軸上整米坐標(biāo)處的凈長、短波熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度值，然后將二者求和得到相應(yīng)坐標(biāo)下的總熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度值，最后應(yīng)用SPSS軟件擬合墻面總熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)坐標(biāo)間的關(guān)系(見圖5)。

從擬合圖5中可知，X軸的擾動(dòng)強(qiáng)度與水平中心距間的關(guān)系都符合復(fù)合函數(shù)的特征，且均呈衰減特征(見圖5(a))。從整體來看，X軸墻面的熱輻射擾動(dòng)衰減趨勢(shì)呈三階段變化規(guī)律，即由快速衰減區(qū)、衰減區(qū)和平緩區(qū)三區(qū)段組成。其中熱輻射擾動(dòng)快速衰減區(qū)為與擾動(dòng)中心點(diǎn)相距5 m以內(nèi)的范圍，這個(gè)區(qū)段內(nèi)熱輻射擾動(dòng)急劇下降，這說明快速衰減區(qū)是喬木對(duì)鄰近墻面熱輻射影響最敏感的區(qū)段，也是對(duì)室內(nèi)制冷能耗影響最大的區(qū)段。水平向熱輻射衰減區(qū)為與擾動(dòng)中心相距5 m～10 m間的區(qū)段，在這個(gè)區(qū)段內(nèi)，熱輻射衰減速度開始下降，但仍對(duì)水平擾動(dòng)中心距有一定的敏感性。水平向熱輻射平緩區(qū)為與擾動(dòng)中心相距10 m以外的區(qū)段，在這個(gè)區(qū)段里熱輻射擾動(dòng)逐漸收斂，且對(duì)水平擾動(dòng)中心距與冠徑變化均不敏感，是可以忽略喬木對(duì)夏季室內(nèi)制冷能耗影響的區(qū)段。Y軸的擾動(dòng)強(qiáng)度與豎向中心距間為線性函數(shù)關(guān)系，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨中心距的增加，熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度勻速衰減，且衰減速度較為接近。應(yīng)用SPSS可進(jìn)一步擬合得出不同冠徑條件下，通過水平向與豎直向的熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度與擾動(dòng)中心距間的關(guān)系式(見圖5)。

4.2 喬木LAD對(duì)墻面熱輻射擾動(dòng)的影響

從不同冠體LAD的熱輻射模擬結(jié)果中分別提取X，Y軸上整米坐標(biāo)處的凈長、短波熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度值，然后將二者求和得到相應(yīng)坐標(biāo)下的總熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度值，最后應(yīng)用SPSS軟件擬合得到墻面總熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)坐標(biāo)間的關(guān)系(見圖6)。

從圖6中可知，X軸的擾動(dòng)強(qiáng)度與水平中心距間的關(guān)系也符合復(fù)合函數(shù)的衰減趨勢(shì)(見圖6(a))，且呈三階段變化特征，即由快速衰減區(qū)(擾動(dòng)中心距小于5 m)、衰減區(qū)(擾動(dòng)中心距介于5 m～10 m間)和平緩區(qū)(擾動(dòng)中心距大于10 m)三區(qū)段組成。從對(duì)室內(nèi)制冷能耗影響角度來看，三者大小關(guān)系為快速衰減區(qū)>衰減區(qū)>平緩區(qū)。但總體而言，喬木冠體對(duì)墻面熱輻射擾動(dòng)在水平向的演變對(duì)LAD的變化并不敏感。Y軸的擾動(dòng)強(qiáng)度與豎向中心距間為線性函數(shù)關(guān)系，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨中心距的增加，熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度勻速衰減，且衰減速度較為接近。

4.3 喬木墻冠距對(duì)墻面熱輻射衰減的影響

從不同墻冠距的熱輻射模擬結(jié)果中分別提取X,Y軸上整米坐標(biāo)處的凈長、短波熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度值，然后將二者求和得到相應(yīng)坐標(biāo)下的總熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度值，最后應(yīng)用SPSS軟件擬合墻面總熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)坐標(biāo)間的關(guān)系(見圖7)。

從圖7中可知，X軸的擾動(dòng)強(qiáng)度與水平中心距間的關(guān)系都符合復(fù)合函數(shù)的特征，且均呈三階段衰減特征，衰減規(guī)律同上(見圖7(a))。Y軸的擾動(dòng)強(qiáng)度與豎向中心距間為線性函數(shù)關(guān)系，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨中心距的增加，熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度勻速衰減，且墻冠距越小的衰減速度越快。

5 結(jié)論

以球狀冠體喬木桂花樹為對(duì)象，應(yīng)用實(shí)測(cè)與模擬相結(jié)合的方法，分析了在無陰影投射條件下，不同喬木冠徑DC、葉面積密度LAD、墻冠距DW-T對(duì)鄰近墻面熱輻射擾動(dòng)的影響規(guī)律，所得結(jié)論如下:

1)對(duì)墻面凈短波熱輻射而言，隨著喬木冠徑的增大，墻面熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度隨之減小。喬木冠徑越大，鄰近墻面接收的凈長波熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度越大。喬木冠徑的增大所帶來的短波熱輻射擾動(dòng)影響要遠(yuǎn)大于長波熱輻射擾動(dòng)。因此喬木冠徑越大，其對(duì)鄰近墻面總輻射擾動(dòng)強(qiáng)度越大，越有利于節(jié)約夏季室內(nèi)制冷能耗。

2)對(duì)不同冠徑、墻冠距及葉面積密度條件下的墻面熱輻射擾動(dòng)而言，通過墻面擾動(dòng)中心的水平軸的擾動(dòng)強(qiáng)度與水平中心距間的關(guān)系符合復(fù)合函數(shù)的特征，且均呈衰減特征。從整體來看，X軸墻面的熱輻射擾動(dòng)衰減趨勢(shì)呈三階段變化規(guī)律，即由快速衰減區(qū)、衰減區(qū)和平緩區(qū)三區(qū)段組成。從對(duì)室內(nèi)制冷能耗影響角度，三者大小關(guān)系為快速衰減區(qū)>衰減區(qū)>平緩區(qū)。

3)對(duì)不同冠徑、墻冠距及葉面積密度條件下的墻面熱輻射擾動(dòng)而言，通過墻面擾動(dòng)中心的豎向軸的擾動(dòng)強(qiáng)度與豎向中心距間為線性函數(shù)關(guān)系，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨中心距的增加，熱輻射擾動(dòng)強(qiáng)度勻速衰減，且墻冠距越小的衰減速度越快。