垂直绿化热环境与风环境作用耦合计算方法研究*

林瀚坤 肖毅强 朱雪梅

(1.广东工业大学建筑与城市规划学院, 广州 510000; 2.华南理工大学建筑学院, 广州 510000; 3.华南理工大学亚热带建筑与城市科学全国重点实验室, 广州 510000)

1 研究概况

近年来垂直绿化日渐融入高密度城市与建筑设计中,应对城市热岛问题,提升室外热舒适[1-2]。垂直攀援绿化利用攀援植物的生长特征形成遮荫绿屏,具有低造价、易推广的特点。在湿热地区,攀援绿化遮挡太阳辐射,也具有改善热环境的潜力[3]。建筑垂直绿化主要分为屋顶绿化与立面绿化类型,后者进一步根据植物、基质、构造系统等特征区分为活墙系统(Living Wall System)与垂直攀援绿化类型(Green Façade)[1]。

立面绿化在城市与建筑环境中具有热环境调节、节能、降噪、提升生物多样性、局部调节雨水径流等性能[4-7]。在热环境调节性能方面,不同气候区背景下已开展了多样化的实测研究,如温带海洋性气候地区的绿墙实测显示夏季绿墙对于周边环境平均空气温度降幅为1.26 ℃[8];湿润大陆性气候地区的实测显示绿墙对于遮挡区域的降温水平为1.9 ℃[9];热带雨林气候区的实测显示绿墙对前部空间温度最大降幅达2.45 ℃[10]等。然而,针对湿热地区夏季高温的气候特征,结合垂直攀援绿化的典型高温日热环境评估研究仍相对缺乏。

结合湿热地区的气候特征,建筑被动式设计策略更多地依赖于具有气候适应性建筑空间进行组织,如庭院、骑楼、架空层等,为使用者提供遮阳、挡雨、通风的过渡空间[11-16]。在应用层面,对于过渡空间的热环境调控手段主要有风扇、喷雾、水池等,通过提升风速与水体蒸腾作用形成降温效果[13-15]。垂直攀援绿化的推广,同样具有增强遮阳与蒸腾降温的作用,为过渡空间的热环境改善提供了新的可能性。

在研究工具层面,针对垂直绿化与建筑相结合的热工性能与热环境调节作用的应用工具和研究方法,主要为基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamic, CFD)的风热环境模拟工具,如ENVI-Met、Fluent等[17-18],以及基于材料构造热传递的能耗模拟工具,如EnergyPlus、TRNSYS等[19-20]。基于不同的工具平台,已有相关研究工作对垂直绿化进行了相关的测试与模拟验证工作[19-21]。然而,现有模拟工具的植物模型仍主要为活墙系统的灌木或草本植物类型,对于攀援植物叶片层的风热环境调节作用的验证工作仍较为缺乏。

因此,研究聚焦湿热地区的垂直攀援绿化热环境调节性能,对垂直攀援绿化建筑案例进行热环境调节作用实测评估。在此基础上,通过CFD与热环境模拟软件Ladybug + Honeybee开源工具的耦合计算,对典型湿热地区建筑架空层过渡空间与绿化相结合的热舒适调节性能进行多工况对比模拟,以期为垂直攀援绿化的热环境研究提供新的工具流程,为湿热地区建筑热舒适改善策略提供参考。

2 研究方法

2.1 垂直攀援绿化热环境实测方法

实测案例位于广州市,建筑高度为4层,外廊外侧交错设置了垂直攀援绿化植物,并经历多年生长,叶片层较为密集。实测选择夏季典型高温天(8月中旬)2天进行,根据气象数据,广州8月平均最低温度为25.4 ℃,平均最高温度为32.7 ℃(极端高温38.0 ℃),平均温度为28.4 ℃。本研究日间室外实测温度范围为29～36 ℃,日间平均温度为32.5 ℃,属于典型高温天。实测两天的天气状况均为晴天,无雨。测点位置见图1,分别布置于室外空地(测点A)、垂直攀援绿化前方(测点B)与后方走廊(测点C)以及无绿化遮挡的走廊区域(测点D)。

a—实测建筑与绿植位置示意; b—热环境测点与绿植示意。

图2 架空空间与垂直攀援绿化的工况设置

热环境实测工具参数与精度见表1,工具分别为HOBO温湿度记录仪,记录空气温度(Ta)与相对湿度(RH);HD 32.3数据采集仪中,TP3276.2黑球记录黑球温度(Tg);AP3203热线探头记录风速(Va),频率均为5 min。各热环境指标用于计算平均辐射温度MRT与生理等效温度PET,以表征热舒适水平。MRT计算根据ISO 7726[22],如式(1)所示。PET值则通过慕尼黑人体能量平衡模型(Munich Energy-balance Model for Individuals, MEMI)与Rayman软件进行计算[23-24]。

表1 实测工具的参数与精度

(1)

式中:Tg为黑球温度,℃;D为非标准黑球直径,取0.05 m;μ为黑球辐射系数,取0.95。

2.2 架空过渡空间与垂直攀援绿化的工况设置

架空层是湿热地区常见的过渡空间,已有研究对架空空间在热环境、自然通风潜力、人行层热舒适条件方面的潜力进行评估[25-26]。本试验基于实测建筑的建筑尺度,对架空层空间原型进行不同垂直攀援绿化的布局工况设置,对其风热环境的调节性能进行测试与评估。工况类型包括无绿植(UG)、正面绿植(全遮蔽FG-1、中部遮蔽FG-2、两侧遮蔽FG-3)、纵深绿植(全纵深DG-1、50%纵深DG-2)以及贴墙绿植(全贴墙WG-1、50%贴墙WG-2)等类型,见图 2。

2.3 CFD模拟工具与基本设置

CFD模拟工具为ANSYS FLUENT 16.0,建筑模型、材料属性根据实测案例特征建立,见表2。计算网格精度与模型边界条件根据日本建筑学会(AIJ)的指引进行设定[27-28]。网格以Gambit软件划分,最小网格选择0.1 m、0.2 m与0.4 m进行网格无关性验证,选取室外地面与廊道内外参考点的风速进行对比,三种网格模型计算的风速相对误差值低于10%(表3)。

表2 CFD模型边界条件参数(参考文献[18,27,29]设定)

表3 CFD模拟网格无关性测试结果

考虑叶片层平均厚度为0.3 m,建筑层高为3.3 m,为充分表征模拟对象特征,用于模拟的最小网格设置为0.1 m,计算域外边界最大网格尺寸为0.8 m,计算网格按1.2倍自动过渡,形状为六面体结构化网格。对于验证模型,计算域尺寸为460 m×325 m×96 m (L×W×H),见图3。

a—CFD验证模型计算域边界条件; b—CFD验证模型计算网格。

架空层CFD模型利用实测外廊建筑平面的对称性,建立以无关面为对称轴的测试模型,以减少模型网格数量,提升计算效率。计算网格设置标准、边界调节、计算模型等均与前述标准验证模型相一致。模型计算域(152 m×108 m×96 m,L×W×H)与表面网格见图4。

图4 架空建筑CFD测试模型边界条件与计算域网格示意

进风口边界设置为梯度风,见式(2)～(4),出风口为自由流,计算采用RANS等式模型,湍流模型为k-ε模型[30-31]。太阳辐射采用Discrete Ordinates(DO)模型[32],地点设置为实测案例所在地(广州市,经度113.27°,纬度23.13°)。CFD模拟中的室外温度、平均风速边界条件均采用实测数据作为输入数据。风速、湍流及能量平衡等均采用二阶求解,对于压力-风速耦合采用SIMPLEC计算方式[31],各参数收敛值为10-5。CFD计算结束后,在其后处理软件CFD-Post中进行数据可视化处理。

(2a)

(2b)

(2c)

式中:z为相对于地面的垂直高度;z0为迎风面空气动力学粗糙高度,取0.5 m;κ为van Karman系数,取0.42;k(z)为湍流动能;ε(z)为湍流耗散率;Cu为风阻系数,取0.09;u*为摩擦速度[19-20]。

对于垂直攀援绿化植物的叶片层,在Fluent模型中以多孔介质进行定义。多孔介质网格区域根据实测案例进行定义,厚度平均值为0.3 m,孔隙率取实测数据为98.3%。多孔介质的动量Sui、湍流动能Sk与湍流耗散率S参考Gromke等实测与验证研究确定[19-20],见式(3a)～(3c)。

Sui=-ρCdLADUiVa

(3a)

(3b)

S

(3c)

其中LAD=LAI/Δl

式中:Cd为叶片层阻力系数,取0.2;LAD为叶面密度(Leaf Area Density),取1 m2/m3[18];Ui为各向风速向量;βp为动量,取1.0;βd为涡流系数,取5.1;Cε4=Cε5=0.9为经验值[19]。

2.4 耦合Ladybug + Honeybee热舒适指标计算

CFD计算获取温度与风速数据,对于热舒适评估须进一步考虑太阳辐射、表面温度等参数。因此,结合Rhino与Grasshopper (GH)软件平台的热环境分析与模拟工具Ladybug (LB, 0.0.68) + Honeybee (HB, 0.0.65),进一步计算测试区域的MRT与PET值,耦合计算流程见图5。

图5 CFD与Ladybug + Honeybee的热舒适指标耦合计算流程

耦合计算流程上,先在Rhino软件中建立与CFD模拟一致的测试模型,在GH中对该计算区域划分与CFD坐标值相一致的计算网格。以LB与HB调用EnergyPlus软件,计算模型中各位置点的天空角系数值(SVF)。SVF反映该测试位置点的暴露程度,即受太阳热辐射影响的程度。然后,通过SVF值模拟计算不同时间段的物体表面温度值(Ts)。根据ISO 7726标准,模拟区域的MRT值可结合Ts进行计算[22],见式(4)。

(4)

式中:εi为物体i表面的反射率;Fi为人体与物体i表面的角度系数。

在此基础上,结合前期的CFD模拟结果,通过CFD-Post软件导出CFD模拟测试区域1.5 m高度处Ta、Va数据及其坐标值的数据列表,并通过LB把数据列表导入耦合模拟,进一步调用LB工具中的“ThermalComfortIndices”计算器,进行热舒适指标PET值的耦合计算。PET值计算结束后,在LB中进行数据的可视化处理。

3 结果与讨论

3.1 垂直攀援绿化的热环境实测结果

3.1.1热环境指标实测结果

两天实测温湿度结果(图6a～6b,表 4)显示,绿化区域(测点C)比室外(测点A)与开放走廊区域(测点D)平均Ta分别降低0.62～2.46 ℃与0.06～0.53 ℃,平均RH增加3.48%～8.42%与1.00%～1.22%;对比绿植外侧(测点B)平均温度降低0.1～1.21 ℃,平均RH增加1.51%～2.68 %。

a—实测温度数据; b—实测相对湿度数据; c—实测风速数据; d—实测黑球温度数据。

风速结果(图6c,表 4)显示,测点C比测点A、测点D平均Va分别降低0.37～0.68 m/s与0～0.18 m/s,比测点B降低0.02～0.14 m/s。

黑球结果(图 6d,表 4)显示,测点C比测点A、测点D平均Tg分别降低0.58～1.98 ℃与0.37～1.73 ℃,比测点B降低3.9～5.03 ℃。

热环境实测结果显示了垂直攀援绿化的热环境调节能力,但同时也对通风具有一定影响。

3.1.2MRT与PET计算结果

MRT计算结果(图7a,表4)显示,测点C比测点A、测点D平均MRT降低4.59～4.81 ℃与0.58～2.74 ℃,比测点B降低6.34～8.59 ℃。

表4 热环境指标实测平均值

a—MRT计算数据; b—PET计算数据(右侧为PET热舒适区间)。

PET计算结果(图7b,表4)显示,测点C比测点A、测点D平均MRT降低6.04～7.63 ℃与0.27～1.43 ℃,比测点B降低2.21～3.50 ℃。

结果进一步显示了绿植对于人体热舒适的调节潜力。

3.2 CFD验证模拟结果

CFD逐时模拟与实测温度、风速结果对比如图8所示,结果显示模拟结果温度绝对误差值为0.03～1.86 ℃(相对误差0.1%～5.1%),风速绝对误差值为0～0.15 m/s(相对误差0.6%～24.0%),通过平均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)检验了测试结果与实测结果的一致性(表5)。与前人的风热耦合流体模拟验证结果对比[19,33],本模拟验证也具有效性。MRT与PET值为基于热环境参数的计算值,因此未进行进一步验证。在模拟验证基础上,进一步对架空模型进行多工况模拟对比。

表5 温度与风速的CFD模拟与实测结果对比RMSE与MAE值

a—CFD模拟验证温度逐时数据变化对比; b—CFD模拟验证风速逐时数据变化对比。

横向对比的模拟选取了实测天的外部热环境数据平均值(平均温度34.2 ℃,平均湿度60.8%,平均风速1.1 m/s)作为CFD试验的边界条件。

3.3 架空过渡空间与垂直攀援绿化的模拟结果

3.3.1CFD模拟结果

模拟测试(图9～图11)显示,温度结果:各模型温度均稍有降低,降低幅度约为0.1～0.3 ℃,但正面全遮蔽绿化模型(FG-1)的平均温度却增加了1.8 ℃,FG-1模型的风阻效应削弱了蒸腾降温作用,反而使其温度有所增加。风速结果:各模型风速均略有下降,FG-1模型平均风速约为0.2 m/s,正面绿化的其他两模型(FG-2、FG-3)则约为2.2 m/s,纵深绿植模型(DG-1、DG-2)为2.6～2.8 m/s,贴墙绿植模型(WG-1、WG-2)与对比模型(UG)平均风速较为接近,为3.2～3.5 m/s。

与UG模型对比,图中正值为高于UG模型,负值为低于UG模型。

与UG模型对比,图中正值为高于UG模型,负值为低于UG模型。

温度与风速沿架空层中部纵深方向的数据结果(图12)与前述分析基本一致,FG系列模型的布局方式对温度、风速影响较大;DG系列对风速影响略有降低,同时对温度调节效果相对较好;WG系列对风速影响较弱,对温度调节效果与DG系列接近。

a—架空区域中轴处沿纵深方向人行高度温度变化值; b—架空区域中轴处沿纵深方向人行高度风速变化值。

3.3.2CFD与Ladybug + Honeybee耦合计算结果

MRT计算结果显示(图13a),FG-1模型MRT值最低,FG-2与FG-3模型稍次之。DG系列比WG系列模型MRT值低。与温度模拟结果相似。另一方面,对于DG与WG系列,50%与100%绿植模型的差异较小。

a—架空区域MRT模拟结果数据箱型分布; b—架空区域PET模拟结果数据箱型分布。

MRT分布(图14a)也显示了FG系列模型对MRT调节效果较为明显,DG系列模型对MRT的影响主要在绿植周边,WG系列模型对MRT影响最小。

a—架空区域MRT模拟结果分布; b—架空区域PET模拟结果分布。

由PET计算结果(图13b)显示,FG-1模型平均PET值更比UG模型高0.5 ℃。FG-2、FG-3、DG与WG系列模型的PET值降幅约为0.8～1.1 ℃。

PET分布(图14b)可较直观看出不同绿植模式的调节效果。其中,FG-2、FG-3、DG系列模型均对架空层的热舒适均有较为好的调节作用,WG模型的调节作用主要为靠墙区域。

综上,从热舒适的整体评价来看,FG-2、FG-3、DG系列模型具有较好的热舒适调节效果。架空过渡空间具有典型穿越式通风特征,模拟结果反映了垂直攀援绿化的布局方式对热环境与热舒适指标均具有影响。纵深绿植布局,局部降低了太阳热辐射,又可保持通风效率,促进了蒸腾降温作用,为较优选择。

4 结束语

基于垂直攀援绿化在高密度城市的应用与发展,对湿热地区的攀援绿化案例进行了夏季典型高温日的实测研究,讨论了攀援绿化对于半户外空间的热环境与热舒适调节作用。进而,结合CFD与Ladybug + Honeybee工具,对典型架空过渡空间与攀援绿化的组合进行了耦合模拟测试。主要结论如下:

1) 实测显示攀援绿化测点比无绿化廊道测点平均温度降低0.06～0.53 ℃,黑球温度降低0.37～1.73 ℃,风速降低0～0.18 m/s,MRT降低0.58～2.74 ℃,PET降低0.27～1.43 ℃。

2) 架空层CFD模拟结果显示,除了FG-1模型,其他各模型温度均稍有降低,降低幅度为0.1～0.3 ℃。

3) FG-2、FG-3模型风速降幅约为1.3 m/s,DG系列模型风速降幅约为0.8 m/s。

4) 耦合模拟结果显示,FG-2、FG-3、DG与WG系列模型的PET值降幅约为0.8～1.1 ℃,进而,FG-2、FG-3、DG系列对空间整体PET调节较好,为较优的布局选项。

本试验显示了湿热地区垂直攀援绿化的降温、降低太阳热辐射的潜力,也反映了绿植对于风环境具有一定影响,需结合具体建筑空间环境特征进行分析与设计。