建筑立体绿化对室外热环境的影响分析

丁云飞，王元明，苏 浩，王剑平

(广州大学土木工程学院/广州大学广东省建筑节能与应用技术重点实验室，广东广州 510006)

随着我国城市化进程的加快，大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素使得城市气温明显高于外围郊区，不仅恶化了室外热环境，而且使城市热岛效应越来越严重.增加城市绿化面积，采用立体绿化方式(在建筑屋面、墙面、坡面利用植物进行绿化)可以有效减弱城市热岛效应，改善室外热环境，同时也具有很好的生态效益［1－3］，国内外许多学者对此进行了研究.建筑室外热环境与建筑体本身、室外绿化率及河流等密切相关［4－5］，邸芃等［6］对比分析了屋顶绿化、屋面蓄水、浅色坡屋面等的特点，以及各自对建筑周围热环境的影响;卢军等［7－9］以亚热带季风性湿润气候城市重庆为例，研究分析了独特地理环境对城市建筑群气候的影响关系.黄任等［10］研究了广州地区立体绿化对建筑环境的影响，测试分析了不同绿化植被对建筑屋面和墙体的热环境影响.

本文以广州大学城某高校图书馆为对象，采用PHOENICS模拟软件，通过对物理模型应用的简化、计算区域的确定、数学模型的选取及边界条件的设立，模拟建筑室外热环境［11－13］，分析立体绿化对建筑屋面及室外热环境的影响.

1 建筑概况

用于分析的图书馆建筑主体高度31.5 m，总面积为46 744 m2，见图1.建筑周围设计有小桥、流水、凉亭、林荫小道等.

图1 建筑鸟瞰图Fig.1 Aerial view of building graph

2 室外热环境模拟

2.1 室外气象参数

广州位于北纬 23°6'，东经 113°15'，属夏热冬暖地区，地表接受太阳辐射量较多，同时受季风影响，夏季海洋暖气流形成高温天气.选取8月18日作为典型计算日，根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736 －2012)［14］，广州风向SSE，风速为1.7 m·s－1.室外气象参数见表1.

2.2 模型建立

依据建筑设计总图，对建筑以及周围草地、道路、广场、河流等分别建模，模型效果图及模拟温度标记处见图2.

表1 典型时刻室外气象参数Table 1 Outdoor meteorological parameters on typical time

图2 模型图Fig.2 Model graph

图2中，区域1#表示建筑屋面1处的温度，区域2#表示建筑屋面2处的温度，区域3#、4#、5#分别表示广场、草地、河流上方1.5 m高度处的温度.

2.3 模拟方案

模拟设置2种方案，方案1为原建筑方案，屋顶为实心结构，材料采用钢筋混凝土，墙体材料采用轻质陶粒实心砌块.方案2在方案1基础上增加立体绿化，屋顶种植佛甲草，墙体采用预制式挂箱绿化墙的绿化形式.在2种方案条件下，分别模拟建筑8:00～16:00的室外热岛效应，分析模型各区域的温度分布，并进行比较分析.

3 结果分析

3.1 方案1各区域温度分布

图3(见封二)是方案1条件下不同时刻(取8:00、10:00、12:00、14:00、16:00 共 5 个时刻)建筑及周围各区域的环境温度分布云图，图4反映了不同时刻各模拟区域温度变化趋势.

图4 不同时刻各模拟区域温度变化Fig.4 Simulated temperature distribution of different times

从图4可见，随着室外温度tw的升高，广场、草地、河流温度逐渐升高，且在下午14:00各区域温度均达到最大值.图书馆正门前方的广场路面(3#区域)属硬质铺装，这些人工构筑物吸热快而热容量小，在相同的太阳辐射条件下，它们比自然下垫面(4#绿地区域、5#水面区域等)升温快，因而其上方1.5 m高度处温度明显高于自然下垫面.在14:00时刻最高温度达到58.5℃，影响了行人的热舒适性.河流(5#区域)温度远低于广场路面温度，这是由于水的比热容大，与硬质铺装材料相比，吸收相同的热量温升较慢.草地(4#区域)由于蒸腾和光合作用温升速率小于广场路面，且最高温度也远小于广场路面温度.因此，加大绿化率，不仅美化环境，同时为舒适的室外热环境提供了良好的条件.

3.2 两种方案室外温度对比分析

图5(见封二)是方案2各时刻室外温度云图，图6是2种方案下室外各区域温度分布比较.图6(a)显示采用立体绿化后，广场路面(区域3#)温度随环境温度增加而增加，在14:00时刻温度达到最大值56℃.与方案1相比，温度降低了0.5～2.5℃左右，在14:00时刻温降幅度达到最大为2.5℃.图6(b)显示采用立体绿化后，室外绿地(区域4#)温升趋势与方案1相一致，随着室外温度的增加，温度逐渐升高，在14:00时刻达到最大值48.5℃，相比方案1，温度降了0.5～2.0℃，在8:00时刻降温最小为0.5℃，在14:00时刻温降达到最大值2.0℃.图6(c)显示水体(区域5#)不同时刻温度分布与室外环境温度较为接近，且与方案1相比温降也略低于其他区域，为0.5～1.5℃左右，最大温降出现在14:00时刻为1.5℃.综上分析可以看出采用立体绿化在一定程度上改善了室外热环境，建筑周围的广场、草地、河流等温度相比优化前降低了0.5～2.0℃左右，有效降低了室外环境温度，减缓了室外热岛效应.采用立体绿化，一方面绿色植被通过蒸腾和光合作用，带走周围环境中的热量，降低了室外温度;另一方面，绿色植被带来了清洁新鲜的空气，提高了人体的舒适性.

图6 不同方案室外温度分布Fig.6 Outdoor temperature distribution of different plans

3.3 2种方案屋面温度对比分析

图7为2种方案下在14:00时刻屋面温度分布云图，从图中可见，采用立体绿化后屋顶表面温度下降显著，图8进一步比较了屋面上的2个区域在不同时刻的温度分布.图8(a)显示随着室外温度的升高，屋面区域1#温度逐渐升高.方案1和方案2温升趋势一致，但方案2温升速率明显低于方案1.两方案温度最大值均出现在14:00时刻，分别为42.5℃、35.0℃，温差为7.5℃.方案2与方案1相比，屋面温度降低了1.0～7.5℃左右，且温降逐渐增大，在14:00时刻温降最大为7.5℃，降温效果较为显著.

图7 不同方案建筑屋面温度分布Fig.7 Roofing temperature distribution of different plans

图8(b)显示区域2#温升趋势和温降趋势与区域1#基本一致.方案1和方案2区域2#温度均在14:00时刻出现最大值，分别为44.5℃、36.5℃，温差为8℃.方案2与方案1相比，温度降低了1.0～8.0℃左右，在8:00时刻温降较小为1℃，在14:00时刻温降最大为8.0℃.方案1由于屋面结构对热量的吸收作用，使得建筑屋面附近的热环境比室外环境恶劣，温度达到40℃以上.方案2采用屋面绿化，建筑屋面的温度降低了8℃左右，提高了屋面的隔热性能，降低了室内空调能耗，有效的节约了能源.绿色植被吸收屋面热量，其中大部分用于光合作用及蒸腾作用，使得屋面免于夏季阳光暴晒和烘烤，减缓了屋面温度的波动，降低了热岛效应.屋面2#比屋面1#温度高出2℃左右，屋面2#位于建筑连廊处，连廊前后的高层建筑影响了屋面2#的通风，造成过热气体不能及时排走，使得屋面2#温度较高.

图8 不同方案屋面温度分布Fig.8 Roof temperature distribution of different plans

3.4 模拟与实测结果对比分析

以图书馆同一区域的两个小型建筑为例，进行对比测试和模拟数据分析，一个为普通建筑，一个为立体绿化建筑(佛甲草绿化屋顶+预制式挂箱绿化墙)［10］.图 9(a)、(b)分别是两栋建筑在各时刻的实测及模拟结果，由图可知，实测和模拟温升趋势一致，都随着室外环境温度的升高而升高，其中由普通建筑实测与模拟结果最大偏差为8.6%，绿化建筑实测与模拟结果最大偏差为7.0%，偏差均在10%以内，说明本次模拟模型可靠.

图9 实测与模拟结果对比Fig.9 Comparison of experimental and simulation results

3 结论

以广州某高校图书馆为例，采用计算流体力学方法对建筑采用立体绿化方案前后的室外热环境进行了模拟比较，结果显示，采用立体绿化，建筑前广场、草地、河流上方1.5 m处温度分别下降了0.5～2.5℃、0.5～2.0℃、0.5～1.5℃，有效降低了室外环境温度，有效地改善了室外热舒适条件.同时，采用屋面绿化，建筑屋面的温度降低了8℃左右，提高了屋面的隔热性能，降低了室内空调能耗，达到了节能的目的.

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