建筑立體綠化對室外熱環境的影響分析

丁云飛，王元明，蘇 浩，王劍平

(廣州大學土木工程學院/廣州大學廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室，廣東廣州 510006)

隨著我國城市化進程的加快，大量的人工發熱、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，不僅惡化了室外熱環境，而且使城市熱島效應越來越嚴重.增加城市綠化面積，采用立體綠化方式(在建筑屋面、墻面、坡面利用植物進行綠化)可以有效減弱城市熱島效應，改善室外熱環境，同時也具有很好的生態效益［1－3］，國內外許多學者對此進行了研究.建筑室外熱環境與建筑體本身、室外綠化率及河流等密切相關［4－5］，邸芃等［6］對比分析了屋頂綠化、屋面蓄水、淺色坡屋面等的特點，以及各自對建筑周圍熱環境的影響;盧軍等［7－9］以亞熱帶季風性濕潤氣候城市重慶為例，研究分析了獨特地理環境對城市建筑群氣候的影響關系.黃任等［10］研究了廣州地區立體綠化對建筑環境的影響，測試分析了不同綠化植被對建筑屋面和墻體的熱環境影響.

本文以廣州大學城某高校圖書館為對象，采用PHOENICS模擬軟件，通過對物理模型應用的簡化、計算區域的確定、數學模型的選取及邊界條件的設立，模擬建筑室外熱環境［11－13］，分析立體綠化對建筑屋面及室外熱環境的影響.

1 建筑概況

用于分析的圖書館建筑主體高度31.5 m，總面積為46 744 m2，見圖1.建筑周圍設計有小橋、流水、涼亭、林蔭小道等.

圖1 建筑鳥瞰圖Fig.1 Aerial view of building graph

2 室外熱環境模擬

2.1 室外氣象參數

廣州位于北緯 23°6'，東經 113°15'，屬夏熱冬暖地區，地表接受太陽輻射量較多，同時受季風影響，夏季海洋暖氣流形成高溫天氣.選取8月18日作為典型計算日，根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB50736 －2012)［14］，廣州風向SSE，風速為1.7 m·s－1.室外氣象參數見表1.

2.2 模型建立

依據建筑設計總圖，對建筑以及周圍草地、道路、廣場、河流等分別建模，模型效果圖及模擬溫度標記處見圖2.

表1 典型時刻室外氣象參數Table 1 Outdoor meteorological parameters on typical time

圖2 模型圖Fig.2 Model graph

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

2.3 模擬方案

模擬設置2種方案，方案1為原建筑方案，屋頂為實心結構，材料采用鋼筋混凝土，墻體材料采用輕質陶粒實心砌塊.方案2在方案1基礎上增加立體綠化，屋頂種植佛甲草，墻體采用預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，分析模型各區域的溫度分布，并進行比較分析.

3 結果分析

3.1 方案1各區域溫度分布

圖3(見封二)是方案1條件下不同時刻(取8:00、10:00、12:00、14:00、16:00 共 5 個時刻)建筑及周圍各區域的環境溫度分布云圖，圖4反映了不同時刻各模擬區域溫度變化趨勢.

圖4 不同時刻各模擬區域溫度變化Fig.4 Simulated temperature distribution of different times

從圖4可見，隨著室外溫度tw的升高，廣場、草地、河流溫度逐漸升高，且在下午14:00各區域溫度均達到最大值.圖書館正門前方的廣場路面(3#區域)屬硬質鋪裝，這些人工構筑物吸熱快而熱容量小，在相同的太陽輻射條件下，它們比自然下墊面(4#綠地區域、5#水面區域等)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時刻最高溫度達到58.5℃，影響了行人的熱舒適性.河流(5#區域)溫度遠低于廣場路面溫度，這是由于水的比熱容大，與硬質鋪裝材料相比，吸收相同的熱量溫升較慢.草地(4#區域)由于蒸騰和光合作用溫升速率小于廣場路面，且最高溫度也遠小于廣場路面溫度.因此，加大綠化率，不僅美化環境，同時為舒適的室外熱環境提供了良好的條件.

3.2 兩種方案室外溫度對比分析

圖5(見封二)是方案2各時刻室外溫度云圖，圖6是2種方案下室外各區域溫度分布比較.圖6(a)顯示采用立體綠化后，廣場路面(區域3#)溫度隨環境溫度增加而增加，在14:00時刻溫度達到最大值56℃.與方案1相比，溫度降低了0.5～2.5℃左右，在14:00時刻溫降幅度達到最大為2.5℃.圖6(b)顯示采用立體綠化后，室外綠地(區域4#)溫升趨勢與方案1相一致，隨著室外溫度的增加，溫度逐漸升高，在14:00時刻達到最大值48.5℃，相比方案1，溫度降了0.5～2.0℃，在8:00時刻降溫最小為0.5℃，在14:00時刻溫降達到最大值2.0℃.圖6(c)顯示水體(區域5#)不同時刻溫度分布與室外環境溫度較為接近，且與方案1相比溫降也略低于其他區域，為0.5～1.5℃左右，最大溫降出現在14:00時刻為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境，建筑周圍的廣場、草地、河流等溫度相比優化前降低了0.5～2.0℃左右，有效降低了室外環境溫度，減緩了室外熱島效應.采用立體綠化，一方面綠色植被通過蒸騰和光合作用，帶走周圍環境中的熱量，降低了室外溫度;另一方面，綠色植被帶來了清潔新鮮的空氣，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種方案屋面溫度對比分析

圖7為2種方案下在14:00時刻屋面溫度分布云圖，從圖中可見，采用立體綠化后屋頂表面溫度下降顯著，圖8進一步比較了屋面上的2個區域在不同時刻的溫度分布.圖8(a)顯示隨著室外溫度的升高，屋面區域1#溫度逐漸升高.方案1和方案2溫升趨勢一致，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在14:00時刻，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)顯示區域2#溫升趨勢和溫降趨勢與區域1#基本一致.方案1和方案2區域2#溫度均在14:00時刻出現最大值，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時刻溫降較小為1℃，在14:00時刻溫降最大為8.0℃.方案1由于屋面結構對熱量的吸收作用，使得建筑屋面附近的熱環境比室外環境惡劣，溫度達到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，降低了室內空調能耗，有效的節約了能源.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光暴曬和烘烤，減緩了屋面溫度的波動，降低了熱島效應.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，造成過熱氣體不能及時排走，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 模擬與實測結果對比分析

以圖書館同一區域的兩個小型建筑為例，進行對比測試和模擬數據分析，一個為普通建筑，一個為立體綠化建筑(佛甲草綠化屋頂+預制式掛箱綠化墻)［10］.圖 9(a)、(b)分別是兩棟建筑在各時刻的實測及模擬結果，由圖可知，實測和模擬溫升趨勢一致，都隨著室外環境溫度的升高而升高，其中由普通建筑實測與模擬結果最大偏差為8.6%，綠化建筑實測與模擬結果最大偏差為7.0%，偏差均在10%以內，說明本次模擬模型可靠.

圖9 實測與模擬結果對比Fig.9 Comparison of experimental and simulation results

3 結論

以廣州某高校圖書館為例，采用計算流體力學方法對建筑采用立體綠化方案前后的室外熱環境進行了模擬比較，結果顯示，采用立體綠化，建筑前廣場、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℃，有效降低了室外環境溫度，有效地改善了室外熱舒適條件.同時，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，降低了室內空調能耗，達到了節能的目的.

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