對綠化對室外熱環(huán)境影響的模擬研究

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1、綠化對室外熱環(huán)境影響的模擬研究林波榮工學博士，清華大學建筑學院建筑技術科學系，100084Email：linbr@tsinghua.edu.cn，李曉鋒，朱穎心，秦佑國(清華大學建筑學院建筑技術科學系，北京100084)摘要：綠化對改善建筑外熱環(huán)境、提高行人熱舒適有重要作用。本文通過建立同時存在非透明體和半透明體情況下的通用輻射計算體系，并結合三維植物冠層流動模擬方法、植物與環(huán)境的熱質傳遞模型及地表、建筑等固體表面導熱的有限差分計算方法，建立了有綠化情況下室外熱環(huán)境的通用模擬體系，并與現(xiàn)場測試結果進行了驗證。在此基礎上，模擬研究了不同綠化形式對住宅小區(qū)室外熱環(huán)境的影響，為定量化評價、

2、優(yōu)化園林綠化設計以改善室外熱環(huán)境奠定了基礎。關鍵字：綠化；輻射；室外熱環(huán)境；模擬引言近幾十年來，受城市化飛速發(fā)展、下墊面結構改變、以及交通和建筑排熱等因素的影響，城市熱環(huán)境逐漸惡化。對于建筑小區(qū)而言，由于受規(guī)劃設計中建筑密度、建筑材料、建筑布局、綠地率、水景設施及空調、車輛排熱、居民生活用能的釋放等因素的影響，小區(qū)室外氣溫也可能出現(xiàn)“熱島”現(xiàn)象?！盁釐u”現(xiàn)象在夏季的出現(xiàn)，不僅會使人們高溫中暑的機率變大，同時還促使了光化學煙霧的形成、加重污染，并增加建筑的空調能耗，給人們的工作生活帶來不利影響。通過合理的建筑設計和布局，選擇高效美觀的綠化形式、植物搭配及水景設置，可有效地降低熱島效應，

3、獲得清新宜人的室外空氣溫濕度和適當?shù)妮椛洵h(huán)境。其中，綠化作為室外景觀設計的常見形式，對改善室外熱環(huán)境質量、提高行人熱舒適有重要作用。然而長期以來一直缺乏定量化的研究綠化影響室外熱環(huán)境的手段。本文通過建立同時存在非透明體和半透明體情況下的通用輻射計算體系，并結合三維植物冠層流動模擬方法、植物與環(huán)境的熱質傳遞模型及地表、建筑等固體表面導熱的有限差分計算方法，建立了有綠化情況下室外熱環(huán)境的通用模擬體系，并與現(xiàn)場測試結果進行了驗證。在此基礎上，模擬研究了不同綠化形式對住宅小區(qū)室外熱環(huán)境的影響，結果發(fā)現(xiàn)，多數(shù)情況下樹木改善室外熱環(huán)境的效果最好，但與評價時段、建筑朝向等因素有關；發(fā)現(xiàn)不同樹木布置

4、方式會對室外熱環(huán)境產(chǎn)生不同影響。提出利用有效遮陽綠量的概念以指導綠化改善小區(qū)熱環(huán)境。1室外熱環(huán)境通用模擬體系的構成室外熱環(huán)境通用模擬體系主要由空氣模型、植物冠層模型、下墊面固體傳熱模型構成。其聯(lián)合求解的思路為：植物冠層以體源的形式耦合到空氣的流動、動量及能量方程中，采用熱平衡方法與流場模擬計算耦合迭代求解；利用有限差分法求解固體表面的熱平衡方程組得到地表和建筑物各表面溫度，計算結果作為空氣流場模擬計算的邊界條件，由空氣流場計算程序模擬得到整個計算區(qū)域空氣的速度場和溫度場。其中，基于植物冠層長短波輻射透過的指數(shù)衰減規(guī)律，利用蒙特卡羅、杰勃哈特方法建立了非透明體、半透明體同時存在情況下的

5、長短波輻射通用計算體系[1]、[2]。這樣，如果知道植物冠層的葉面積指數(shù)（LAD）、形狀、反射率、消散系數(shù)等參數(shù)，就可以準確模擬植物冠層對太陽短波輻射的反射、吸收、透過作用及其與周圍環(huán)境的長波輻射換熱，從而為研究植物冠層的輻射和熱平衡計算、輻射熱平衡、空氣和下墊面熱平衡、室外熱環(huán)境輻射模擬和熱舒適評價奠定了基礎。限于篇幅，本文只介紹空氣模型、植物模型、下墊面模型及聯(lián)合模擬方法，關于通用輻射體系的介紹請參看文獻[2]。1.1空氣模型根據(jù)不可壓縮粘性流體運動的N-S方程，考慮植物冠層對流動的影響，則有：連續(xù)性方程：(i=1，2，3)(1)動量方程：(2)其中，F(xiàn)d為冠層存在時起抵抗作用的

6、添加項：(3)考慮植物冠層存在影響的紊流動能輸送方程為：(4)其中Gk、Gb分別為紊流動能產(chǎn)生項、浮力產(chǎn)生項。此外，由于冠層作用的添加項為：(5)(6)同樣地，考慮植物冠層存在影響的紊流動能耗散率方程為：(7)其中由于冠層作用的添加項為：(8)(9)溫度輸送方程為：(10)絕對濕度輸送方程為：(11)其中為水的汽化潛熱。下標p代表植物冠層。在式(10)、(11)中，等號右邊第2項分別為植物冠層與空氣的對流換熱量或濕交換量(、分別為對流換熱系數(shù)和對流傳質系數(shù))。上述方程中相關參數(shù)的計算和設定如下所示。=1.8=0.6.1.1植物模型植物冠層中的能量方程為：(12)式子(12)從左到右分

7、別代表植物吸收的太陽短波輻射得熱、長波輻射凈得熱、與空氣的對流換熱、蒸散換熱。植物冠層的太陽輻射得熱量包括太陽直射輻射和散射輻射得熱、以及建筑外表面及地表反射的太陽輻射；植物冠層與周圍環(huán)境之間的長波輻射包括植物冠層對天空的凈長波輻射、植物冠層與地表之間的長波輻射、植物冠層與建筑外表面相互的長波輻射。葉片與空氣的對流熱交換可寫為：(13)αc是葉片和空氣的對流換熱系數(shù)?？梢杂孟率接嬎悖?14)空氣力學阻力ra是葉片形狀和風速函數(shù)：其中W為葉表面風速。A、D為