街区尺度微气候影响下的垂直绿化热效应研究*

姜之点 石 邢 杨 峰△

(1.同济大学,上海;2.高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室,上海)

0 引言

高强度的城市开发带来了城市热岛效应和能耗攀升等问题。建筑能耗与外围护结构的热对流、传导和辐射,以及室外空气渗透密切相关[1]。垂直绿化能够充分利用建筑表面闲置空间为城市“添绿”,并因其与地面绿化具有相似的植被和土壤结构,可以最大限度地减小太阳直射引起的外墙温升[2],从而抑制热量传至室内,降低空调能耗。除冠层遮荫外,植被和土壤的蒸发冷却和加湿作用也可有效调节室外热环境,进一步影响建筑能源需求[3]。因此,在建设用地日益紧缺的城市地区应用垂直绿化,不失为调节城市微气候、改善城市热环境的潜在手段。

已有研究多基于缩尺模型和场地观测实验探讨垂直绿化的热效应强度。研究表明:垂直绿化降温范围为0.83～3.33 ℃,增湿范围为3.2%～8.1%[4-5],这种降温、增湿效应可扩展至0.6 m处[4];垂直绿化建筑表面平均温度比接受日照的建筑表面平均温度低约4.1～20.8 ℃[5-6],建筑能耗峰值可降低近20%,年平均减少能耗约8%[7-8]。然而,城市下垫面和建筑形态通过影响局部通风和遮荫状况,引起冷热源和长短波辐射等发生变化,进一步作用于垂直绿化,使其产生热效应差异。部分研究借助能耗模型比较建成环境差异对垂直绿化热效应的影响,并通过耦合WRF(气象研究与预报)[9]和ENVI-met(微气候模拟工具)模型[10]叠加背景气候条件,发现不同城市开发强度引起的气候差异可使垂直绿化最大产生1.7 ℃的降温差异[11];不同纬度城市背景下的垂直绿化存在0.6 ℃的降温和3.6%的节能差异[11]。当前研究多关注城市形态引起的局部环境差异,忽略了微气候本身的作用基础;集中探讨夏季垂直绿化热效应,未考虑冬季可能的作用结果。此外,多数研究的样区选择具有主观性,相关结果不具普遍适用性。

WUDAPT(世界城市数据库和访问门户工具)计划提出使用客观、通用的局地气候区(local climate zone,LCZ)分类体系开展城市热环境研究[12]。LCZ能够综合考虑环境和微气候差异,并依据高度、密度和高宽比等建成环境形态参数,将200～500 m半径范围划分为10种建成环境类型和7种自然环境类型[13]。国内学者基于LCZ体系,对西安[14]、深圳[15]和南京[16]等地开展了局地气候观测,分析了不同下垫面特征对风、热环境的影响。研究证实各LCZ热环境状况与建筑特征参数之间存在较强相关性,一定程度上验证了LCZ方法的合理性及其在我国城市热环境研究方面的适用性。此外,相似LCZ内均质化的城市肌理在理想天气条件下具有相似的微气候特征[17],因而借助LCZ能够将研究区进行类型化区分,有利于将垂直绿化的作用结果推广至同类样区。

为探索垂直绿化如何响应街区尺度微气候作用及其降温和节能效应差异,本文研究借助微气候和能耗耦合模型,评估垂直绿化在上海市5种LCZ中的热效应差异:1) 验证垂直绿化模块和模型耦合结果的仿真有效性;2) 评估不同LCZ之间的微气候差异及其对垂直绿化热效应的影响;3) 分析夏、冬季垂直绿化降温、增湿和遮荫作用及其对建筑节能的相对贡献。

1 研究方法

1.1 微气候样区

上海位于长江下游,建成环境面积约3 073.4 km2,属夏热冬冷热工区。全年温度在-6.7～37.6 ℃之间[18],建筑空调能耗占总用电量的43.3%[19]。夏季降温和建筑节能已成为上海气候适应性设计中的重要环节。研究依据最小半径范围内建成环境的均质性[12],在11个上海市国家气象站中选取了6个单一LCZ类型(包括5个建成环境类型和1个自然环境类型)作为微气候样区(见图1a)。通过OSM(开源地图平台)获取地块矢量数据;参照建筑层高(3 m)和阴影长度,估算平均建筑高度和高宽比[20];借助ArcGIS(地理信息平台)统计建筑密度、透水和不透水面积比;应用SkyHelios软件计算天空视域系数[21]。容积率与绿化覆盖率为控制性详细规划的重要指标,也一并统计(见表1)。我国城市快速开发模式和历史规划背景与欧美城市存在差异,其中3个样区的空间形态和特征参数值不完全符合任一母类LCZ。但同一城市发展背景下,各样区间建成环境特征仍可体现出相对差异。

表1 LCZ微气候样区的建成环境差异及取值

图1 上海气象站位置和垂直绿化观测场地

1.2 观测实验

为全面验证夏、冬季垂直绿化对室外、建筑和室内环境的热作用模拟结果,在2015年8月和2021年12月分别选取3个连续晴天,对1栋覆盖双表皮垂直绿化的5层办公建筑(见图1b、c)进行了场地观测。建筑4个朝向均覆盖垂直绿化,总面积约为2 800 m2[22]。种植植被为常春油麻藤,四季常青。在距建筑绿墙和裸墙0.5 m处,分别设置室外温湿度测点(仪器型号为HOBO MX2301A);利用温度探头(仪器型号为HOBO UX120-014M)监测建筑内、外表面温度;在室内中心位置约1.5 m高度处,布置室内温度测点(仪器型号为Testo 0743)。周边环境的太阳辐射、风速和温湿度等气象数据取自附近建筑屋顶的自动气象站(仪器型号为HOBO U30),作为模型验证的气象边界条件。其中,夏季观测实验完整步骤、仪器放置和经验参数可参见文献[23]。

1.3 耦合模拟

ENVI-met可有效反映城市绿化热效应的时空变化规律,被广泛应用于热环境研究[11,22]。其新版本(V4.6)嵌入了绿化表皮模块(green facade),该模块考虑了短波辐射、建筑间长波反射、植物蒸发蒸腾作用及植被与土壤间的换热过程[24]。研究耦合了ENVI-met和建筑全能耗模型EnergyPlus。实测数据用于ENVI-met生成三维逐时大气温湿度和建筑物表面温度,依次配置EnergyPlus中背景气象条件和建筑表面特性(other side coefficients),以实现微气候、垂直绿化和建筑相互作用结果的串联,确定室外环境温湿度和表面温度对建筑节能的贡献比例。

ENVI-met中网格数设置为130×130,单个网格尺寸为1 m×1 m。垂直绿化的厚度、反照率和叶面积密度分别设为25 cm、0.2和3.0 m2/m3[23]。ENVI-met和EnergyPlus模型中的空间特征(面积和比例)和建筑属性(材料和窗墙面积比)保持一致(见表2)。基于验证模型,设置6种LCZ微气候(其中LCZ D为参照)模拟场景。多场景模拟采用夏、冬季连续3个晴朗微风日的逐时平均值作为强迫条件,包括温湿度、10 m高度处的风速和主导风向等。太阳辐射、云量、初始土壤温湿度均参照同气候区研究设置[22-24]。垂直绿化4个朝向统一布置为双表皮绿化形式;建筑围护结构和材料参照GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》和计划节能目标[25],分别设置2015年和1980年代2种场景,代表新建建筑和老旧建筑。

表2 耦合模型的主要输入参数

1.4 模型验证

已有研究多以ENVI-met中的一维和三维植被近似代替垂直绿化[8],鲜有对green facade模块的验证;针对ENVI-met和EnergyPlus耦合模拟,当前研究仅验证了室外温度[26],未验证建筑表面温度和室内温度。研究以模拟和实测的裸墙和绿墙间温差的均方根误差(RMSE)为标准,验证和评估ENVI-met模拟的室外温度和建筑表面温度及EnergyPlus输出的室内温度的有效性。

图2显示了夏、冬季垂直绿化前后室外大气温度、建筑内外表面温度和室内空气温度实测和模拟值的RMSE差值变化。结果显示:夜间较白天模拟值与实测值吻合度更高;冬季较夏季两者吻合度更高;夏季白天裸墙和绿墙间实测室外温差的RMSE比模拟值高约0.2 ℃,而夜晚这一差异比模拟值低约0.3 ℃;冬季与夏季相似,但模拟值和实测值间的差异更小;夏、冬季白天裸墙和绿墙间实测建筑内外表面温差的RMSE均比模拟值小0.6～1.7 ℃,夜晚则均比模拟值大0.2～0.5 ℃;室内温度的模拟和实测场景受室外温湿度和建筑外表面温度影响,白天与室外环境变化一致,夜晚则延续了建筑外表面的差异规律;裸墙和绿墙模拟值之间的差异体现了垂直绿化的降温和遮荫作用,且整体规律与实测结果相符,可用于比较垂直绿化的相对热效应差异。

图2 垂直绿化前(裸墙)后(绿墙)室外温度、建筑内外表面温度和室内温度差值的RMSE

2 结果分析

2.1 LCZ间微气候差异

2.1.1全年温湿度差异

借助2020年全年逐时气象数据,比较LCZ样区之间的微气候差异。图3、4显示,与未开发的LCZ D相比,建成环境内的各LCZ全年逐时温湿度存在显著昼夜和季节差异。局地热岛效应从日落后逐渐显现,并持续到次日日出后2 h;白天通常表现为较弱的冷岛效应。秋冬季热岛效应更强,夏季单日热岛效应持续时间更长。相对湿度变化与温度变化呈现出密切反比关系,同样在夜间显著,白天微弱。此外,各LCZ之间的温度和相对湿度差异主要发生在非降雨天(见图5),最大值集中在24:00至次日02:00之间,分别为7.8 ℃和-21.5%,最小值出现在11:00—13:00之间。全年风速较为平均,对温度和相对湿度差异的影响并不明显(见图6)。

图3 各LCZ全年逐时温度相对LCZ D的差值

图4 各LCZ全年逐时相对湿度相对LCZ D的差值

图5 各LCZ全年逐日降水量

图6 各LCZ全年逐日平均风速

各LCZ均处于城市建成区,但受开发强度和下垫面覆盖类型的影响,存在明显温湿度时空差异。热岛效应在高开发强度的LCZ 2、3中更为突出,甚至降雨天全天存在热岛效应,发生频率达到68%～73%。中等开发强度的LCZ 5、6的热岛效应发生频率均接近60%。低开发强度的LCZ 9绿化率最高,其热岛效应发生频率约为39%,白天和夜晚均存在更多时段的冷岛效应。

2.1.2理想气象日温湿度差异

为定量描述各LCZ间微气候的昼夜和季节差异,基于日累积降水(<1 mm)和平均风速(<2.5 m/s)提取典型气象日[17,27]进行比较。夏季夜晚(日落时刻到日出后2 h)LCZ 2、3产生了最大平均温差,分别为1.6、1.5 ℃;其次为LCZ 5、6,平均温差分别为1.4、1.2 ℃;LCZ 9平均温差仅约为1.1 ℃。高层或高密度建筑的阴影可减轻部分白天时段(日出后2 h至日落时刻)的热岛效应,各LCZ间热岛效应差异较小,均在0.3 ℃以内(见图7a)。冬季夜晚温度变化幅度更大,各LCZ间差异也更显著,范围在0.7～2.2 ℃之间;冬季白天温度变化规律与夏季接近,范围为0.4～1.2 ℃(见图7b)。理想气象日下的温差存在梯度分布规律,反映了建成环境与LCZ微气候之间的潜在相关性。这种微气候差异将作用于建筑、大气和地表之间的传热过程,从而影响垂直绿化热效应。

图7 各LCZ间夏、冬季昼夜温度差异

2.2 垂直绿化的热效应

2.2.1垂直绿化的降温增湿作用

统计ENVI-met模型中距建筑外立面最近的5个网格气象参数的平均值,以比较不同微气候作用下垂直绿化的降温和增湿效应差异。夏季,各LCZ样区之间最大降温差异出现在14:00,约为0.16 ℃;降温时段主要集中在11:00—17:00,降温幅度在0.08～0.27 ℃之间,平均约为0.16 ℃;夜间降温不明显,部分时段甚至存在升温迹象。增湿与降温效应具有相似的逐时变化特征;白天增湿幅度在0.5%～1.6%之间,平均值近1.1%(见图8a)。冬季白天垂直绿化的降温和增湿效应减弱,而夜晚升温趋势更显著(见图8b)。在热岛效应较强的LCZ样区,垂直绿化具有更大的热缓解作用。在LCZ 2、3中,垂直绿化具有更大的降温和增湿幅度;而在LCZ 5、6、9中,垂直绿化的降温和增湿效应均减弱。

图8 夏、冬季LCZ微气候影响下垂直绿化逐时降温和增湿差异

2.2.2垂直绿化的遮荫作用

图9显示了夏、冬季LCZ微气候影响下,白天时段太阳高度和辐照度变化导致的不同朝向表面温度降低幅度的差异。西向建筑表面温度降低幅度最大,范围在12.6～18.2 ℃之间,主要发生在15:00—16:00。其次为东向,表面温度降低范围为11.3～14.3 ℃,发生在10:00—11:00。南向和北向均在13:00—14:00达到表面温度降低峰值,降温范围分别为8.6～12.0、6.5～9.2 ℃。垂直绿化表面温度降幅差异与各LCZ背景微气候差异并不同步。在温湿度差异更大的夜晚时段,表面温度降幅差异更小。各朝向夏、冬季表面温度降低次序一致;冬季表面温度降幅更小,主要降温范围在6.5～13.7 ℃之间;东向表面温度降低峰值延后约1 h,而西向峰值提前约1 h。此外,由于植被在高温高湿环境中的蒸发蒸腾作用加强,LCZ 2、5始终具有较大的表面温度降低幅度;而温湿度较为平均的LCZ 3、6、9,表面温度降低幅度相对更小。

图9 夏、冬季LCZ微气候影响下垂直绿化各朝向表面温度降低差异

2.3 垂直绿化的节能效应

2.3.1日节能量和节能率

垂直绿化在夏、冬季均表现为降温和增湿作用。对于夏季,可产生正向节能效应;而对于本身温度较低的冬季,则表现为负向效应。图10显示了不同LCZ微气候作用下,夏、冬季垂直绿化的日累计能耗变化量和变化率。新建建筑(2015年)的夏季节能率范围为5.7%～6.9%,相同背景环境下,老旧建筑(1980年代)因传热系数较大,传热过程更快,其表面降温引起的节能率也更高(10.2%～11.7%)。冬季垂直绿化热效应导致的建筑能耗增加量抵消了近62%的夏季节能量。全年垂直绿化综合节能量仅为3.2%～6.3%。此外,2015年建筑节能率较低,不同微气候影响下的节能差异也较小。进一步计算单位面积垂直绿化的日节能量,2015年和1980年代的建筑夏季日节能量范围分别为132～147、253～278 W·h/m2,全年仅75～156 W·h/m2。在LCZ 2、5中,2类建筑均具有最高的日节能量,相较LCZ 9,2015年和1980年代建筑夏季日节能量分别高约12.7、26.5 W·h/m2。

注:夏季日能耗变化量正值表示节能量,负值表示能耗增加量;冬季日能耗变化量正值表示能耗增加量;夏季能耗变化率正值表示节能率,冬季能耗变化率正值表示能耗增加率。

2.3.2降温、增湿和遮荫作用的节能贡献

垂直绿化节能效应主要源于夏季植被遮荫作用(近92%),减少了建筑表面的太阳辐射,降温作用仅贡献了约8%。同时,垂直绿化的增湿作用(约-11%)额外增加了建筑冷负荷,抵消了部分节能效应。冬季,垂直绿化导致的能耗差异与夏季相似,但湿度的作用被进一步放大,平均占比增大至-15.6%。本身环境湿度相对较高的LCZ 9,垂直绿化增湿的负面效应也相对更弱。仅考虑垂直绿化对室外环境的降温效应,而忽略对湿度的讨论,将掩盖垂直绿化增湿效应潜在的负面影响,尤其是在湿热环境中。

3 讨论

3.1 耦合模拟对热效应结果的影响

ENVI-met能够综合考虑建筑、土壤和植被间的横向传热和多重长波辐射过程,为更精准地模拟垂直绿化热效应提供了可能。已有研究多以地面绿植近似代替垂直绿化,未充分考虑土壤基质的影响,产生的温度误差集中在0.52～4.20 ℃之间,表面温度误差多为1.65～6.30 ℃[28-29]。与ENVI-met V4.4以前版本的垂直绿化模拟结果相比,green facade模块能够平均缩小约28%的相对误差。ENVI-met和EnergyPlus耦合模型可以有效反映垂直绿化的降温、增湿和遮荫作用,平均RMSE约为1.7 ℃。总体而言,白天实测场景的峰值变化被ENVI-met理想化的辐射过程和简化的建筑围护结构所掩盖,green facade模块低估了垂直绿化的降温和增湿作用,高估了垂直绿化对建筑外表面的遮荫作用。

3.2 微气候差异与热效应需求

各LCZ间温湿度的梯度分布规律验证了依据建成环境特征划分LCZ类型的可行性。这种梯度差异在非降雨天和冬季夜晚时段最为突出。同时,夏季持续降雨延长了热岛作用时间,因而夏季白天时段的降温需求仍然重要。尤其在人为热更大的高强度开发区域[30],夏季昼夜热岛效应引起的温升均在1.4 ℃以上;在具有较高绿化覆盖率的开敞建筑区,热岛效应较弱。前者夏、冬季差异更为显著,而后者季节性变化并不明显。

垂直绿化夏季室外温度最大降低约0.27 ℃,湿度增大约1.6%。垂直绿化引起的白天平均降温,可约抵消所属LCZ环境热岛效应的17%。近33%的建筑立面应用直接型双表皮垂直绿化,夏季单日能耗可降低132～278 W·h/m2,节能5.7%～11.7%。其中,老旧建筑保温隔热性能更差,更大程度提高了绿化外墙的节能效应,相较新建建筑节能率平均提高约4.7%。垂直绿化全年平均节能率约为5.1%,不同LCZ微气候间存在81 W·h/m2的节能差异。垂直绿化兼具保温和隔热作用[3,5],但直接型垂直绿化因缺少建筑与植被之间的土壤基质层,其冬季保温作用被削弱,整体上仍表现为降温效应。此外,垂直绿化降温通常伴随湿度增加,这在一定程度上限制了其节能效应,增加了建筑负荷。

3.3 局限性和未来工作

研究基于ENVI-met和EnergyPlus耦合模拟,分析了不同LCZ微气候背景下垂直绿化的热缓解潜力。其中耦合过程仅是模型输出端的数据传输,后续研究可基于传热原理和作用机制[31]进行模型校正。部分模型输入变量直接取自默认值或同类模拟,因而,仅通过验证模型难以完全代替现实复杂状况。此外,研究未充分考虑多重天气状况和过渡季对垂直绿化热作用过程的影响。未来工作中,将对垂直绿化场地进行完整调研,并开展长时间序列观测实验,以全面论证垂直绿化的应用前景。

4 结论

研究基于LCZ体系,比较了5种建成环境的微气候差异及其对垂直绿化热效应的影响,进而分析了冷却、加湿和遮荫作用对建筑节能的贡献。研究结果可加深对垂直绿化热作用机制的认识,并从热环境改善和建筑节能角度为垂直绿化设计和推广提供参考。

建成环境差异引起的最大温湿度差异可达7.8 ℃和21.5%。这种差异在冬季、非降水天和夜晚时段最为显著。理想天气条件下,各LCZ间平均温湿度差异为1.4 ℃和5.3%;在居民生产生活频率较高的白天时段,仍存在平均1.1 ℃和3.9%的温湿度差异。应用垂直绿化后,各LCZ样区夏季可产生平均约0.16 ℃的降温、1.1%的增湿和6.3%的节能效应。其中,垂直绿化冠层遮荫引起的建筑表面温度降低对节能的贡献最大(92%),蒸发蒸腾产生的降温作用仅贡献约8%,而增湿作用表现为负向节能效应。冬季,垂直绿化的降温、增湿和节能效应与夏季相似,但热效应强度更弱。尤其在湿热地区,应考虑绿化增湿作用和季节变化的影响,以实现对绿化系统节能效应的综合评估。此外,若将垂直绿化应用于围护结构更敏感的老旧建筑改造中,可额外增加约4.7%的节能率。

研究通过建立多重微气候和建筑配置场景,比较了垂直绿化的热效应差异。高密度建筑区降温和增湿作用最显著;而中高层建筑区和1980年代建造的老旧小区可最大程度地发挥垂直绿化的节能性。在建造投入有限的情况下,应优先在西向或东向布置绿化表面,以最大程度地增加遮荫时长。选择落叶植被将更有助于平衡夏、冬季热环境需求差异,缩短冬季遮荫时长,以实现垂直绿化全年热效应的正向作用。