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)度的城市開發(fā)帶來了城市熱島效應(yīng)和能耗攀升等問題。建筑能耗與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱對流、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地觀測實(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)通過影響局部通風(fēng)和遮蔭狀況,引起冷熱源和長短波輻射等發(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)境差異對垂直綠化熱效應(yīng)的影響,并通過耦合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)庫和訪問門戶工具)計(jì)劃提出使用客觀、通用的局地氣候區(qū)(local climate zone,LCZ)分類體系開展城市熱環(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)境類型和7種自然環(huán)境類型[13]。國內(nèi)學(xué)者基于LCZ體系,對西安[14]、深圳[15]和南京[16]等地開展了局地氣候觀測,分析了不同下墊面特征對風(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)行類型化區(qū)分,有利于將垂直綠化的作用結(jié)果推廣至同類樣區(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) 評估不同LCZ之間的微氣候差異及其對垂直綠化熱效應(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建筑節(jié)能的相對貢獻(xiàn)。

1 研究方法

1.1 微氣候樣區(qū)

上海位于長江下游,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)上海市國家氣象站中選取了6個(gè)單一LCZ類型(包括5個(gè)建成環(huán)境類型和1個(gè)自然環(huán)境類型)作為微氣候樣區(qū)(見圖1a)。通過OSM(開源地圖平臺)獲取地塊矢量數(shù)據(jù);參照建筑層高(3 m)和陰影長度,估算平均建筑高度和高寬比[20];借助ArcGIS(地理信息平臺)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)(見表1)。我國城市快速開發(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場地

1.2 觀測實(shí)驗(yàn)

為全面驗(yàn)證夏、冬季垂直綠化對室外、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1棟覆蓋雙表皮垂直綠化的5層辦公建筑(見圖1b、c)進(jìn)行了場地觀測。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)置室外溫濕度測點(diǎn)(儀器型號為HOBO MX2301A);利用溫度探頭(儀器型號為HOBO UX120-014M)監(jiān)測建筑內(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)溫度測點(diǎn)(儀器型號為Testo 0743)。周邊環(huán)境的太陽輻射、風(fēng)速和溫濕度等氣象數(shù)據(jù)取自附近建筑屋頂?shù)淖詣託庀笳?儀器型號為HOBO U30),作為模型驗(yàn)證的氣象邊界條件。其中,夏季觀測實(shí)驗(yàn)完整步驟、儀器放置和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)可參見文獻(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、建筑間長波反射、植物蒸發(fā)蒸騰作用及植被與土壤間的換熱過程[24]。研究耦合了ENVI-met和建筑全能耗模型EnergyPlus。實(shí)測數(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(見表2)?；隍?yàn)證模型,設(shè)置6種LCZ微氣候(其中LCZ D為參照)模擬場景。多場景模擬采用夏、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green facade模塊的驗(yàn)證;針對ENVI-met和EnergyPlus耦合模擬,當(dāng)前研究僅驗(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)測值間的差異更小;夏、冬季白天裸墻和綠墻間實(shí)測建筑內(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)測場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)測結(jié)果相符,可用于比較垂直綠化的相對熱效應(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。相對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之間的溫度和相對濕度差異主要發(fā)生在非降雨天(見圖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,對溫度和相對濕度差異的影響并不明顯(見圖6)。

圖3 各LCZ全年逐時(shí)溫度相對LCZ D的差值

圖4 各LCZ全年逐時(shí)相對濕度相對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),但受開發(fā)強(qiáng)度和下墊面覆蓋類型的影響,存在明顯溫濕度時(shí)空差異。熱島效應(yīng)在高開發(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LCZ 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 ℃以內(nèi)(見圖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,而夜晚升溫趨勢更顯著(見圖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。對于夏季,可產(chǎn)生正向節(jié)能效應(yīng);而對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)能量僅為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)境濕度相對較高的LCZ 9,垂直綠化增濕的負(fù)面效應(yīng)也相對更弱。僅考慮垂直綠化對室外環(huán)境的降溫效應(yīng),而忽略對濕度的討論,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波輻射過程,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)測場景的峰值變化被ENVI-met理想化的輻射過程和簡化的建筑圍護(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)值或同類模擬,因而,僅通過驗(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渡季對垂直綠化熱作用過程的影響。未來工作中,將對垂直綠化場地進(jìn)行完整調(diào)研,并開展長時(shí)間序列觀測實(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、加濕和遮蔭作用對建筑節(jié)能的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果可加深對垂直綠化熱作用機(jī)制的認(rèn)識,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)對綠化系統(tǒng)節(jié)能效應(yīng)的綜合評估。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。

研究通過建立多重微氣候和建筑配置場景,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。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,以實(shí)現(xiàn)垂直綠化全年熱效應(yīng)的正向作用。