街區(qū)尺度微氣候影響下的垂直綠化熱效應(yīng)研究*

姜之點(diǎn) 石 邢 楊 峰△

(1.同濟(jì)大學(xué),上海;2.高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海)

0 引言

高強(qiáng)度的城市開(kāi)發(fā)帶來(lái)了城市熱島效應(yīng)和能耗攀升等問(wèn)題。建筑能耗與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射,以及室外空氣滲透密切相關(guān)[1]。垂直綠化能夠充分利用建筑表面閑置空間為城市“添綠”,并因其與地面綠化具有相似的植被和土壤結(jié)構(gòu),可以最大限度地減小太陽(yáng)直射引起的外墻溫升[2],從而抑制熱量傳至室內(nèi),降低空調(diào)能耗。除冠層遮蔭外,植被和土壤的蒸發(fā)冷卻和加濕作用也可有效調(diào)節(jié)室外熱環(huán)境,進(jìn)一步影響建筑能源需求[3]。因此,在建設(shè)用地日益緊缺的城市地區(qū)應(yīng)用垂直綠化,不失為調(diào)節(jié)城市微氣候、改善城市熱環(huán)境的潛在手段。

已有研究多基于縮尺模型和場(chǎng)地觀測(cè)實(shí)驗(yàn)探討垂直綠化的熱效應(yīng)強(qiáng)度。研究表明:垂直綠化降溫范圍為0.83～3.33 ℃,增濕范圍為3.2%～8.1%[4-5],這種降溫、增濕效應(yīng)可擴(kuò)展至0.6 m處[4];垂直綠化建筑表面平均溫度比接受日照的建筑表面平均溫度低約4.1～20.8 ℃[5-6],建筑能耗峰值可降低近20%,年平均減少能耗約8%[7-8]。然而,城市下墊面和建筑形態(tài)通過(guò)影響局部通風(fēng)和遮蔭狀況,引起冷熱源和長(zhǎng)短波輻射等發(fā)生變化,進(jìn)一步作用于垂直綠化,使其產(chǎn)生熱效應(yīng)差異。部分研究借助能耗模型比較建成環(huán)境差異對(duì)垂直綠化熱效應(yīng)的影響,并通過(guò)耦合WRF(氣象研究與預(yù)報(bào))[9]和ENVI-met(微氣候模擬工具)模型[10]疊加背景氣候條件,發(fā)現(xiàn)不同城市開(kāi)發(fā)強(qiáng)度引起的氣候差異可使垂直綠化最大產(chǎn)生1.7 ℃的降溫差異[11];不同緯度城市背景下的垂直綠化存在0.6 ℃的降溫和3.6%的節(jié)能差異[11]。當(dāng)前研究多關(guān)注城市形態(tài)引起的局部環(huán)境差異,忽略了微氣候本身的作用基礎(chǔ);集中探討夏季垂直綠化熱效應(yīng),未考慮冬季可能的作用結(jié)果。此外,多數(shù)研究的樣區(qū)選擇具有主觀性,相關(guān)結(jié)果不具普遍適用性。

WUDAPT(世界城市數(shù)據(jù)庫(kù)和訪(fǎng)問(wèn)門(mén)戶(hù)工具)計(jì)劃提出使用客觀、通用的局地氣候區(qū)(local climate zone,LCZ)分類(lèi)體系開(kāi)展城市熱環(huán)境研究[12]。LCZ能夠綜合考慮環(huán)境和微氣候差異,并依據(jù)高度、密度和高寬比等建成環(huán)境形態(tài)參數(shù),將200～500 m半徑范圍劃分為10種建成環(huán)境類(lèi)型和7種自然環(huán)境類(lèi)型[13]。國(guó)內(nèi)學(xué)者基于LCZ體系,對(duì)西安[14]、深圳[15]和南京[16]等地開(kāi)展了局地氣候觀測(cè),分析了不同下墊面特征對(duì)風(fēng)、熱環(huán)境的影響。研究證實(shí)各LCZ熱環(huán)境狀況與建筑特征參數(shù)之間存在較強(qiáng)相關(guān)性,一定程度上驗(yàn)證了LCZ方法的合理性及其在我國(guó)城市熱環(huán)境研究方面的適用性。此外,相似LCZ內(nèi)均質(zhì)化的城市肌理在理想天氣條件下具有相似的微氣候特征[17],因而借助LCZ能夠?qū)⒀芯繀^(qū)進(jìn)行類(lèi)型化區(qū)分,有利于將垂直綠化的作用結(jié)果推廣至同類(lèi)樣區(qū)。

為探索垂直綠化如何響應(yīng)街區(qū)尺度微氣候作用及其降溫和節(jié)能效應(yīng)差異,本文研究借助微氣候和能耗耦合模型,評(píng)估垂直綠化在上海市5種LCZ中的熱效應(yīng)差異:1) 驗(yàn)證垂直綠化模塊和模型耦合結(jié)果的仿真有效性;2) 評(píng)估不同LCZ之間的微氣候差異及其對(duì)垂直綠化熱效應(yīng)的影響;3) 分析夏、冬季垂直綠化降溫、增濕和遮蔭作用及其對(duì)建筑節(jié)能的相對(duì)貢獻(xiàn)。

1 研究方法

1.1 微氣候樣區(qū)

上海位于長(zhǎng)江下游,建成環(huán)境面積約3 073.4 km2,屬夏熱冬冷熱工區(qū)。全年溫度在-6.7～37.6 ℃之間[18],建筑空調(diào)能耗占總用電量的43.3%[19]。夏季降溫和建筑節(jié)能已成為上海氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。研究依據(jù)最小半徑范圍內(nèi)建成環(huán)境的均質(zhì)性[12],在11個(gè)上海市國(guó)家氣象站中選取了6個(gè)單一LCZ類(lèi)型(包括5個(gè)建成環(huán)境類(lèi)型和1個(gè)自然環(huán)境類(lèi)型)作為微氣候樣區(qū)(見(jiàn)圖1a)。通過(guò)OSM(開(kāi)源地圖平臺(tái))獲取地塊矢量數(shù)據(jù);參照建筑層高(3 m)和陰影長(zhǎng)度,估算平均建筑高度和高寬比[20];借助ArcGIS(地理信息平臺(tái))統(tǒng)計(jì)建筑密度、透水和不透水面積比;應(yīng)用SkyHelios軟件計(jì)算天空視域系數(shù)[21]。容積率與綠化覆蓋率為控制性詳細(xì)規(guī)劃的重要指標(biāo),也一并統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1)。我國(guó)城市快速開(kāi)發(fā)模式和歷史規(guī)劃背景與歐美城市存在差異,其中3個(gè)樣區(qū)的空間形態(tài)和特征參數(shù)值不完全符合任一母類(lèi)LCZ。但同一城市發(fā)展背景下,各樣區(qū)間建成環(huán)境特征仍可體現(xiàn)出相對(duì)差異。

表1 LCZ微氣候樣區(qū)的建成環(huán)境差異及取值

圖1 上海氣象站位置和垂直綠化觀測(cè)場(chǎng)地

1.2 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

為全面驗(yàn)證夏、冬季垂直綠化對(duì)室外、建筑和室內(nèi)環(huán)境的熱作用模擬結(jié)果,在2015年8月和2021年12月分別選取3個(gè)連續(xù)晴天,對(duì)1棟覆蓋雙表皮垂直綠化的5層辦公建筑(見(jiàn)圖1b、c)進(jìn)行了場(chǎng)地觀測(cè)。建筑4個(gè)朝向均覆蓋垂直綠化,總面積約為2 800 m2[22]。種植植被為常春油麻藤,四季常青。在距建筑綠墻和裸墻0.5 m處,分別設(shè)置室外溫濕度測(cè)點(diǎn)(儀器型號(hào)為HOBO MX2301A);利用溫度探頭(儀器型號(hào)為HOBO UX120-014M)監(jiān)測(cè)建筑內(nèi)、外表面溫度;在室內(nèi)中心位置約1.5 m高度處,布置室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)(儀器型號(hào)為T(mén)esto 0743)。周邊環(huán)境的太陽(yáng)輻射、風(fēng)速和溫濕度等氣象數(shù)據(jù)取自附近建筑屋頂?shù)淖詣?dòng)氣象站(儀器型號(hào)為HOBO U30),作為模型驗(yàn)證的氣象邊界條件。其中,夏季觀測(cè)實(shí)驗(yàn)完整步驟、儀器放置和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)可參見(jiàn)文獻(xiàn)[23]。

1.3 耦合模擬

ENVI-met可有效反映城市綠化熱效應(yīng)的時(shí)空變化規(guī)律,被廣泛應(yīng)用于熱環(huán)境研究[11,22]。其新版本(V4.6)嵌入了綠化表皮模塊(green facade),該模塊考慮了短波輻射、建筑間長(zhǎng)波反射、植物蒸發(fā)蒸騰作用及植被與土壤間的換熱過(guò)程[24]。研究耦合了ENVI-met和建筑全能耗模型EnergyPlus。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)用于ENVI-met生成三維逐時(shí)大氣溫濕度和建筑物表面溫度,依次配置EnergyPlus中背景氣象條件和建筑表面特性(other side coefficients),以實(shí)現(xiàn)微氣候、垂直綠化和建筑相互作用結(jié)果的串聯(lián),確定室外環(huán)境溫濕度和表面溫度對(duì)建筑節(jié)能的貢獻(xiàn)比例。

ENVI-met中網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為130×130,單個(gè)網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m。垂直綠化的厚度、反照率和葉面積密度分別設(shè)為25 cm、0.2和3.0 m2/m3[23]。ENVI-met和EnergyPlus模型中的空間特征(面積和比例)和建筑屬性(材料和窗墻面積比)保持一致(見(jiàn)表2)。基于驗(yàn)證模型,設(shè)置6種LCZ微氣候(其中LCZ D為參照)模擬場(chǎng)景。多場(chǎng)景模擬采用夏、冬季連續(xù)3個(gè)晴朗微風(fēng)日的逐時(shí)平均值作為強(qiáng)迫條件,包括溫濕度、10 m高度處的風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)向等。太陽(yáng)輻射、云量、初始土壤溫濕度均參照同氣候區(qū)研究設(shè)置[22-24]。垂直綠化4個(gè)朝向統(tǒng)一布置為雙表皮綠化形式;建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和材料參照GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和計(jì)劃節(jié)能目標(biāo)[25],分別設(shè)置2015年和1980年代2種場(chǎng)景,代表新建建筑和老舊建筑。

表2 耦合模型的主要輸入?yún)?shù)

1.4 模型驗(yàn)證

已有研究多以ENVI-met中的一維和三維植被近似代替垂直綠化[8],鮮有對(duì)green facade模塊的驗(yàn)證;針對(duì)ENVI-met和EnergyPlus耦合模擬,當(dāng)前研究?jī)H驗(yàn)證了室外溫度[26],未驗(yàn)證建筑表面溫度和室內(nèi)溫度。研究以模擬和實(shí)測(cè)的裸墻和綠墻間溫差的均方根誤差(RMSE)為標(biāo)準(zhǔn),驗(yàn)證和評(píng)估ENVI-met模擬的室外溫度和建筑表面溫度及EnergyPlus輸出的室內(nèi)溫度的有效性。

圖2顯示了夏、冬季垂直綠化前后室外大氣溫度、建筑內(nèi)外表面溫度和室內(nèi)空氣溫度實(shí)測(cè)和模擬值的RMSE差值變化。結(jié)果顯示:夜間較白天模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度更高;冬季較夏季兩者吻合度更高;夏季白天裸墻和綠墻間實(shí)測(cè)室外溫差的RMSE比模擬值高約0.2 ℃,而夜晚這一差異比模擬值低約0.3 ℃;冬季與夏季相似,但模擬值和實(shí)測(cè)值間的差異更小;夏、冬季白天裸墻和綠墻間實(shí)測(cè)建筑內(nèi)外表面溫差的RMSE均比模擬值小0.6～1.7 ℃,夜晚則均比模擬值大0.2～0.5 ℃;室內(nèi)溫度的模擬和實(shí)測(cè)場(chǎng)景受室外溫濕度和建筑外表面溫度影響,白天與室外環(huán)境變化一致,夜晚則延續(xù)了建筑外表面的差異規(guī)律;裸墻和綠墻模擬值之間的差異體現(xiàn)了垂直綠化的降溫和遮蔭作用,且整體規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果相符,可用于比較垂直綠化的相對(duì)熱效應(yīng)差異。

圖2 垂直綠化前(裸墻)后(綠墻)室外溫度、建筑內(nèi)外表面溫度和室內(nèi)溫度差值的RMSE

2 結(jié)果分析

2.1 LCZ間微氣候差異

2.1.1全年溫濕度差異

借助2020年全年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù),比較LCZ樣區(qū)之間的微氣候差異。圖3、4顯示,與未開(kāi)發(fā)的LCZ D相比,建成環(huán)境內(nèi)的各LCZ全年逐時(shí)溫濕度存在顯著晝夜和季節(jié)差異。局地?zé)釐u效應(yīng)從日落后逐漸顯現(xiàn),并持續(xù)到次日日出后2 h;白天通常表現(xiàn)為較弱的冷島效應(yīng)。秋冬季熱島效應(yīng)更強(qiáng),夏季單日熱島效應(yīng)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。相對(duì)濕度變化與溫度變化呈現(xiàn)出密切反比關(guān)系,同樣在夜間顯著,白天微弱。此外,各LCZ之間的溫度和相對(duì)濕度差異主要發(fā)生在非降雨天(見(jiàn)圖5),最大值集中在24:00至次日02:00之間,分別為7.8 ℃和-21.5%,最小值出現(xiàn)在11:00—13:00之間。全年風(fēng)速較為平均,對(duì)溫度和相對(duì)濕度差異的影響并不明顯(見(jiàn)圖6)。

圖3 各LCZ全年逐時(shí)溫度相對(duì)LCZ D的差值

圖4 各LCZ全年逐時(shí)相對(duì)濕度相對(duì)LCZ D的差值

圖5 各LCZ全年逐日降水量

圖6 各LCZ全年逐日平均風(fēng)速

各LCZ均處于城市建成區(qū),但受開(kāi)發(fā)強(qiáng)度和下墊面覆蓋類(lèi)型的影響,存在明顯溫濕度時(shí)空差異。熱島效應(yīng)在高開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的LCZ 2、3中更為突出,甚至降雨天全天存在熱島效應(yīng),發(fā)生頻率達(dá)到68%～73%。中等開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的LCZ 5、6的熱島效應(yīng)發(fā)生頻率均接近60%。低開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的LCZ 9綠化率最高,其熱島效應(yīng)發(fā)生頻率約為39%,白天和夜晚均存在更多時(shí)段的冷島效應(yīng)。

2.1.2理想氣象日溫濕度差異

為定量描述各LCZ間微氣候的晝夜和季節(jié)差異,基于日累積降水(<1 mm)和平均風(fēng)速(<2.5 m/s)提取典型氣象日[17,27]進(jìn)行比較。夏季夜晚(日落時(shí)刻到日出后2 h)LCZ 2、3產(chǎn)生了最大平均溫差,分別為1.6、1.5 ℃;其次為L(zhǎng)CZ 5、6,平均溫差分別為1.4、1.2 ℃;LCZ 9平均溫差僅約為1.1 ℃。高層或高密度建筑的陰影可減輕部分白天時(shí)段(日出后2 h至日落時(shí)刻)的熱島效應(yīng),各LCZ間熱島效應(yīng)差異較小,均在0.3 ℃以?xún)?nèi)(見(jiàn)圖7a)。冬季夜晚溫度變化幅度更大,各LCZ間差異也更顯著,范圍在0.7～2.2 ℃之間;冬季白天溫度變化規(guī)律與夏季接近,范圍為0.4～1.2 ℃(見(jiàn)圖7b)。理想氣象日下的溫差存在梯度分布規(guī)律,反映了建成環(huán)境與LCZ微氣候之間的潛在相關(guān)性。這種微氣候差異將作用于建筑、大氣和地表之間的傳熱過(guò)程,從而影響垂直綠化熱效應(yīng)。

圖7 各LCZ間夏、冬季晝夜溫度差異

2.2 垂直綠化的熱效應(yīng)

2.2.1垂直綠化的降溫增濕作用

統(tǒng)計(jì)ENVI-met模型中距建筑外立面最近的5個(gè)網(wǎng)格氣象參數(shù)的平均值,以比較不同微氣候作用下垂直綠化的降溫和增濕效應(yīng)差異。夏季,各LCZ樣區(qū)之間最大降溫差異出現(xiàn)在14:00,約為0.16 ℃;降溫時(shí)段主要集中在11:00—17:00,降溫幅度在0.08～0.27 ℃之間,平均約為0.16 ℃;夜間降溫不明顯,部分時(shí)段甚至存在升溫跡象。增濕與降溫效應(yīng)具有相似的逐時(shí)變化特征;白天增濕幅度在0.5%～1.6%之間,平均值近1.1%(見(jiàn)圖8a)。冬季白天垂直綠化的降溫和增濕效應(yīng)減弱,而夜晚升溫趨勢(shì)更顯著(見(jiàn)圖8b)。在熱島效應(yīng)較強(qiáng)的LCZ樣區(qū),垂直綠化具有更大的熱緩解作用。在LCZ 2、3中,垂直綠化具有更大的降溫和增濕幅度;而在LCZ 5、6、9中,垂直綠化的降溫和增濕效應(yīng)均減弱。

圖8 夏、冬季LCZ微氣候影響下垂直綠化逐時(shí)降溫和增濕差異

2.2.2垂直綠化的遮蔭作用

圖9顯示了夏、冬季LCZ微氣候影響下,白天時(shí)段太陽(yáng)高度和輻照度變化導(dǎo)致的不同朝向表面溫度降低幅度的差異。西向建筑表面溫度降低幅度最大,范圍在12.6～18.2 ℃之間,主要發(fā)生在15:00—16:00。其次為東向,表面溫度降低范圍為11.3～14.3 ℃,發(fā)生在10:00—11:00。南向和北向均在13:00—14:00達(dá)到表面溫度降低峰值,降溫范圍分別為8.6～12.0、6.5～9.2 ℃。垂直綠化表面溫度降幅差異與各LCZ背景微氣候差異并不同步。在溫濕度差異更大的夜晚時(shí)段,表面溫度降幅差異更小。各朝向夏、冬季表面溫度降低次序一致;冬季表面溫度降幅更小,主要降溫范圍在6.5～13.7 ℃之間;東向表面溫度降低峰值延后約1 h,而西向峰值提前約1 h。此外,由于植被在高溫高濕環(huán)境中的蒸發(fā)蒸騰作用加強(qiáng),LCZ 2、5始終具有較大的表面溫度降低幅度;而溫濕度較為平均的LCZ 3、6、9,表面溫度降低幅度相對(duì)更小。

圖9 夏、冬季LCZ微氣候影響下垂直綠化各朝向表面溫度降低差異

2.3 垂直綠化的節(jié)能效應(yīng)

2.3.1日節(jié)能量和節(jié)能率

垂直綠化在夏、冬季均表現(xiàn)為降溫和增濕作用。對(duì)于夏季,可產(chǎn)生正向節(jié)能效應(yīng);而對(duì)于本身溫度較低的冬季,則表現(xiàn)為負(fù)向效應(yīng)。圖10顯示了不同LCZ微氣候作用下,夏、冬季垂直綠化的日累計(jì)能耗變化量和變化率。新建建筑(2015年)的夏季節(jié)能率范圍為5.7%～6.9%,相同背景環(huán)境下,老舊建筑(1980年代)因傳熱系數(shù)較大,傳熱過(guò)程更快,其表面降溫引起的節(jié)能率也更高(10.2%～11.7%)。冬季垂直綠化熱效應(yīng)導(dǎo)致的建筑能耗增加量抵消了近62%的夏季節(jié)能量。全年垂直綠化綜合節(jié)能量?jī)H為3.2%～6.3%。此外,2015年建筑節(jié)能率較低,不同微氣候影響下的節(jié)能差異也較小。進(jìn)一步計(jì)算單位面積垂直綠化的日節(jié)能量,2015年和1980年代的建筑夏季日節(jié)能量范圍分別為132～147、253～278 W·h/m2,全年僅75～156 W·h/m2。在LCZ 2、5中,2類(lèi)建筑均具有最高的日節(jié)能量,相較LCZ 9,2015年和1980年代建筑夏季日節(jié)能量分別高約12.7、26.5 W·h/m2。

注:夏季日能耗變化量正值表示節(jié)能量,負(fù)值表示能耗增加量;冬季日能耗變化量正值表示能耗增加量;夏季能耗變化率正值表示節(jié)能率,冬季能耗變化率正值表示能耗增加率。

2.3.2降溫、增濕和遮蔭作用的節(jié)能貢獻(xiàn)

垂直綠化節(jié)能效應(yīng)主要源于夏季植被遮蔭作用(近92%),減少了建筑表面的太陽(yáng)輻射,降溫作用僅貢獻(xiàn)了約8%。同時(shí),垂直綠化的增濕作用(約-11%)額外增加了建筑冷負(fù)荷,抵消了部分節(jié)能效應(yīng)。冬季,垂直綠化導(dǎo)致的能耗差異與夏季相似,但濕度的作用被進(jìn)一步放大,平均占比增大至-15.6%。本身環(huán)境濕度相對(duì)較高的LCZ 9,垂直綠化增濕的負(fù)面效應(yīng)也相對(duì)更弱。僅考慮垂直綠化對(duì)室外環(huán)境的降溫效應(yīng),而忽略對(duì)濕度的討論,將掩蓋垂直綠化增濕效應(yīng)潛在的負(fù)面影響,尤其是在濕熱環(huán)境中。

3 討論

3.1 耦合模擬對(duì)熱效應(yīng)結(jié)果的影響

ENVI-met能夠綜合考慮建筑、土壤和植被間的橫向傳熱和多重長(zhǎng)波輻射過(guò)程,為更精準(zhǔn)地模擬垂直綠化熱效應(yīng)提供了可能。已有研究多以地面綠植近似代替垂直綠化,未充分考慮土壤基質(zhì)的影響,產(chǎn)生的溫度誤差集中在0.52～4.20 ℃之間,表面溫度誤差多為1.65～6.30 ℃[28-29]。與ENVI-met V4.4以前版本的垂直綠化模擬結(jié)果相比,green facade模塊能夠平均縮小約28%的相對(duì)誤差。ENVI-met和EnergyPlus耦合模型可以有效反映垂直綠化的降溫、增濕和遮蔭作用,平均RMSE約為1.7 ℃?？傮w而言,白天實(shí)測(cè)場(chǎng)景的峰值變化被ENVI-met理想化的輻射過(guò)程和簡(jiǎn)化的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所掩蓋,green facade模塊低估了垂直綠化的降溫和增濕作用,高估了垂直綠化對(duì)建筑外表面的遮蔭作用。

3.2 微氣候差異與熱效應(yīng)需求

各LCZ間溫濕度的梯度分布規(guī)律驗(yàn)證了依據(jù)建成環(huán)境特征劃分LCZ類(lèi)型的可行性。這種梯度差異在非降雨天和冬季夜晚時(shí)段最為突出。同時(shí),夏季持續(xù)降雨延長(zhǎng)了熱島作用時(shí)間,因而夏季白天時(shí)段的降溫需求仍然重要。尤其在人為熱更大的高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)區(qū)域[30],夏季晝夜熱島效應(yīng)引起的溫升均在1.4 ℃以上;在具有較高綠化覆蓋率的開(kāi)敞建筑區(qū),熱島效應(yīng)較弱。前者夏、冬季差異更為顯著,而后者季節(jié)性變化并不明顯。

垂直綠化夏季室外溫度最大降低約0.27 ℃,濕度增大約1.6%。垂直綠化引起的白天平均降溫,可約抵消所屬LCZ環(huán)境熱島效應(yīng)的17%。近33%的建筑立面應(yīng)用直接型雙表皮垂直綠化,夏季單日能耗可降低132～278 W·h/m2,節(jié)能5.7%～11.7%。其中,老舊建筑保溫隔熱性能更差,更大程度提高了綠化外墻的節(jié)能效應(yīng),相較新建建筑節(jié)能率平均提高約4.7%。垂直綠化全年平均節(jié)能率約為5.1%,不同LCZ微氣候間存在81 W·h/m2的節(jié)能差異。垂直綠化兼具保溫和隔熱作用[3,5],但直接型垂直綠化因缺少建筑與植被之間的土壤基質(zhì)層,其冬季保溫作用被削弱,整體上仍表現(xiàn)為降溫效應(yīng)。此外,垂直綠化降溫通常伴隨濕度增加,這在一定程度上限制了其節(jié)能效應(yīng),增加了建筑負(fù)荷。

3.3 局限性和未來(lái)工作

研究基于ENVI-met和EnergyPlus耦合模擬,分析了不同LCZ微氣候背景下垂直綠化的熱緩解潛力。其中耦合過(guò)程僅是模型輸出端的數(shù)據(jù)傳輸,后續(xù)研究可基于傳熱原理和作用機(jī)制[31]進(jìn)行模型校正。部分模型輸入變量直接取自默認(rèn)值或同類(lèi)模擬,因而,僅通過(guò)驗(yàn)證模型難以完全代替現(xiàn)實(shí)復(fù)雜狀況。此外,研究未充分考慮多重天氣狀況和過(guò)渡季對(duì)垂直綠化熱作用過(guò)程的影響。未來(lái)工作中,將對(duì)垂直綠化場(chǎng)地進(jìn)行完整調(diào)研,并開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)實(shí)驗(yàn),以全面論證垂直綠化的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

研究基于LCZ體系,比較了5種建成環(huán)境的微氣候差異及其對(duì)垂直綠化熱效應(yīng)的影響,進(jìn)而分析了冷卻、加濕和遮蔭作用對(duì)建筑節(jié)能的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果可加深對(duì)垂直綠化熱作用機(jī)制的認(rèn)識(shí),并從熱環(huán)境改善和建筑節(jié)能角度為垂直綠化設(shè)計(jì)和推廣提供參考。

建成環(huán)境差異引起的最大溫濕度差異可達(dá)7.8 ℃和21.5%。這種差異在冬季、非降水天和夜晚時(shí)段最為顯著。理想天氣條件下,各LCZ間平均溫濕度差異為1.4 ℃和5.3%;在居民生產(chǎn)生活頻率較高的白天時(shí)段,仍存在平均1.1 ℃和3.9%的溫濕度差異。應(yīng)用垂直綠化后,各LCZ樣區(qū)夏季可產(chǎn)生平均約0.16 ℃的降溫、1.1%的增濕和6.3%的節(jié)能效應(yīng)。其中,垂直綠化冠層遮蔭引起的建筑表面溫度降低對(duì)節(jié)能的貢獻(xiàn)最大(92%),蒸發(fā)蒸騰產(chǎn)生的降溫作用僅貢獻(xiàn)約8%,而增濕作用表現(xiàn)為負(fù)向節(jié)能效應(yīng)。冬季,垂直綠化的降溫、增濕和節(jié)能效應(yīng)與夏季相似,但熱效應(yīng)強(qiáng)度更弱。尤其在濕熱地區(qū),應(yīng)考慮綠化增濕作用和季節(jié)變化的影響,以實(shí)現(xiàn)對(duì)綠化系統(tǒng)節(jié)能效應(yīng)的綜合評(píng)估。此外,若將垂直綠化應(yīng)用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)更敏感的老舊建筑改造中,可額外增加約4.7%的節(jié)能率。

研究通過(guò)建立多重微氣候和建筑配置場(chǎng)景,比較了垂直綠化的熱效應(yīng)差異。高密度建筑區(qū)降溫和增濕作用最顯著;而中高層建筑區(qū)和1980年代建造的老舊小區(qū)可最大程度地發(fā)揮垂直綠化的節(jié)能性。在建造投入有限的情況下,應(yīng)優(yōu)先在西向或東向布置綠化表面,以最大程度地增加遮蔭時(shí)長(zhǎng)。選擇落葉植被將更有助于平衡夏、冬季熱環(huán)境需求差異,縮短冬季遮蔭時(shí)長(zhǎng),以實(shí)現(xiàn)垂直綠化全年熱效應(yīng)的正向作用。