[南京園林綠化]通過建筑外壁綠化改善城市熱環(huán)境的研究

2016-07-19 瀏覽550次

     近年來，“城市熱島效應(yīng)”進一步加劇，由此而引發(fā)的城市熱環(huán)境惡化的問題越來越引起人們的關(guān)注。為了改善城市熱環(huán)境，諸如控制建筑密度與容積率、提高綠地率、建設(shè)生態(tài)小區(qū)等設(shè)計及技術(shù)手段，已經(jīng)在城市規(guī)劃與建筑設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。其中，綠化具有改善城市熱環(huán)境、降低污染、美化環(huán)境等多方面的功效。為了在城市的“建筑沙漠”中多增加一些綠色，人們采用了各種各樣的設(shè)計與技術(shù)手段。例如，日本的東京市議會于2000年4月通過了一項議案，要求東京市內(nèi)的所有面積在1 000 m2 的建筑必須進行屋頂綠化。但是，從嚴格的意義上來講，綠化對于熱環(huán)境所帶來的影響并不完全是正面的，它在降低空氣溫度、減少輻射熱的同時，也對熱環(huán)境帶來降低風(fēng)速、提高濕度等負面影響。本文是南京松綠園林工程有限公司應(yīng)用計算流體力學(xué)（CFD）的方法，對建筑物外壁進行綠化后的室外空間的風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度、相對濕度、平均輻射溫度（MRT）的空間分布進行數(shù)值模擬，從而對建筑外壁綠化所產(chǎn)生的改善城市熱環(huán)境的效果進行定量的分析。
 
   一　計算概要
 
    1　計算模型
 
計算的街區(qū)根據(jù)日本東京典型的低層高密度住宅區(qū)墨田區(qū)的資料作為基本的街區(qū)模型。建筑物設(shè)定為單邊長 9 m的正立方體。計算分為三個方案。其中：方案1作為基本方案，即建筑外壁全部為混凝土墻面；方案2建筑全部外壁面 （包括屋面） 進行綠化處理；方案3的建筑外壁僅屋面進行綠化處理，其余的外壁均為混凝土墻面。計算中混凝土墻面和綠化墻面的相關(guān)物理性質(zhì)的參數(shù)見表1。
   

    2　計算條件
 　 計算的氣象條件是以東京1989～1992年7月23日下午3時的氣象數(shù)據(jù)為基準。此時的太陽高度角為45.1°，室外氣溫為 31.6 ℃，相對濕度為58%，風(fēng)向為南風(fēng)，高度 74.6 m 處風(fēng)速為 3 m/s （以上數(shù)據(jù)為平均值）。
 
    二　計算結(jié)果
 
    1　建筑物外壁面的溫度
 
此所示為建筑物外壁的平均表面溫度，括號內(nèi)的數(shù)值為屋面的平均表面溫度。從此我們可以看出三個方案之間建筑物外壁表面溫度的明顯變化：外表面為全部綠化的方案2與外表面為混凝土的方案1相比，屋面的表面溫度降低 13.6 ℃； 建筑物側(cè)壁的表面溫度也有7.5 ℃～13.8 ℃的下降。另外，僅有屋面被綠化的方案3與方案1相比，屋面的表面溫度下降13.6 ℃；建筑物側(cè)壁的表面溫度僅有0.2 ℃～4.8 ℃的下降。建筑物外壁表面溫度降低的主要原因在于建筑物表面綠化所帶來的水分的蒸發(fā)將帶走大量的熱量，使得綠化壁面比混凝土墻面的表面溫度大大降低。而方案3由于僅在建筑物的屋面處進行綠化，所以建筑物側(cè)壁的表面溫度與方案1相比并沒有很大的差別。
 
    2　風(fēng)速分布
 
在高度為1.5 m處（常人頭部高度）的室外風(fēng)速矢量，我們可以看出，在風(fēng)速矢量方面三個方案之間沒有很大的差異。而風(fēng)速標量從計算領(lǐng)域內(nèi)平均值來看，方案2（全部綠化）比方案1（全部混凝土）低0.05 m/s，而方案3（屋面綠化）反而比方案1高0.04 m/s。另一方面，此所表示的是前面所示的A～D等4個代表點的主流方向速度的垂直分布。方案2與方案1相比，在屋面的上方風(fēng)速有一定程度的增大。而方案3與方案1相比，各點的差別不明顯。但是從建筑之間的間隙處C點及D點的地面附近的風(fēng)速的絕對值來看，方案3比方案1有一定程度的增大。說明方案3中建筑之間的間隙處垂直方向的循環(huán)流增大。其原因在于屋面綠化所引起的屋面附近空氣溫度降低，地面與屋面之間的溫差增大，造成空氣不穩(wěn)定狀態(tài)加強，從而使垂直方向空氣的循環(huán)流動得到加強。
 
    3　氣溫分布
  
此所表示的是與前面相同斷面建筑物周圍的氣溫的水平分布。在計算的全領(lǐng)域內(nèi)，方案2的氣溫比方案1的氣溫低0.5 ℃～4 ℃。這說明建筑物的壁面綠化對于降低建筑物周圍的氣溫的作用十分明顯。但另一方面，與預(yù)想相反，方案3與方案1相比在多數(shù)范圍內(nèi)幾乎沒有什么差別，而在建筑物的間隙處的氣溫，方案3反而比方案1上升1 ℃～2 ℃。其原因在于上一節(jié)中我們分析過的C、D兩點處的空氣垂直方向的循環(huán)流動得到加強，使得建筑物間隙處流入的空氣量增加。兩組建筑物之間的日照部分地面附近的溫度較高的空氣隨著循環(huán)流動進入建筑物間隙，從而導(dǎo)致方案3在這一區(qū)域的氣溫較方案1升高。
 
    4　相對濕度分布
 
高度1.5 m處室外的相對濕度的水平分布如此所示。對于方案1來說，由于方案2在全部計算領(lǐng)域內(nèi)的氣溫較方案1低，并且由綠化所產(chǎn)生的水分蒸發(fā)作用引起空氣中絕對濕度上升，所以方案2的相對濕度比方案1上升2%～10%。另一方面，與方案2不同，方案3與方案1相比差別不大，但是在建筑的間隙處隨著氣溫的升高，相對濕度存在一定程度的下降。
 
    5 　MRT的分布
 
平均輻射溫度即MRT也是室外熱環(huán)境的一個重要的評價指標。此所示為高度1.5 m處室外的MRT的水平分布。與方案1相比，方案2的室外MRT在計算的全部領(lǐng)域內(nèi)低5 ℃～10 ℃。其原因主要在于方案2的建筑外壁面溫度較方案1有相當大幅度的降低，從而使建筑物壁面的輻射傳熱也大大降低。另一方面，方案3與方案1相比，由于建筑物側(cè)壁的狀態(tài)相同，而屋面的綠化對于所表示高度MRT的水平分布影響不大，故在室外MRT的水平分布上沒有大的差別。
 
   三　小結(jié)
 
運用CFD的方法對綠化后的建筑物外壁表面溫度，室外的風(fēng)向、風(fēng)速、空氣溫度、相對濕度以及平均輻射溫度等氣候要素進行數(shù)值模擬，使我們能夠定量把握其對于室外熱環(huán)境的影響。因此，外壁綠化對于改善城市熱環(huán)境的研究有著重要的意義。從本次計算來看，外壁綠化對于建筑物室外熱環(huán)境的影響主要在于降低建筑物外壁表面溫度、室外空氣溫度以及平均輻射溫度等積極的影響。但是，同時也產(chǎn)生室外風(fēng)速降低、相對濕度上升等不利影響。上述氣候要素對于人體的影響不是單一的，而是一種綜合的影響，所以在下一步的研究中將利用上述研究成果，計算出能夠綜合評價氣候要素及人體活動狀況對于人體熱舒適度影響程度的指標，即新標準有效溫度SET ，從而對建筑物外壁綠化的城市熱環(huán)境的緩和效果進行定量的綜合評價。