陳 宇 李驕嫻 宋雙雙 鄒林海

南京市屋頂綠化室外熱環(huán)境研究?

陳 宇 李驕嫻 宋雙雙 鄒林海

南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院 南京 210095

基于南京夏季氣候條件,探討屋頂綠化對城市熱環(huán)境的影響,對改善城市熱島效應,提高城市熱環(huán)境舒適度有重要作用。研究運用ENVI￣met模擬技術方法,基于屋頂綠化的相對溫度和相對濕度的變化情況,探討屋頂綠化與城市熱環(huán)境舒適度的關系結合不同植物配置類型條件下屋頂室外熱環(huán)境的變化,分析屋頂綠化植物選擇與配置布局的優(yōu)化方法。

屋頂綠化,熱環(huán)境,ENVI￣met,南京市

快速的城市化進程帶來一系列生態(tài)問題,城市密集建設造成的城市熱島效應正一步步影響人們生活,使得城市住區(qū)的熱環(huán)境研究逐漸提上議程。屋頂綠化因其與建筑密不可分的聯(lián)系,能夠為日益減少的城市綠地提供一種新型的具有創(chuàng)造力的綠化方式,同時在改善城市生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)城區(qū)氣候與建筑節(jié)能方面也有其獨特優(yōu)勢。南京市作為特大城市發(fā)展屋頂綠化,能有效地緩解熱島效應、美化城市生態(tài)景觀,符合山水城林的建設要求,具有重要的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益。目前,關于屋頂綠化熱環(huán)境的研究大多是對屋頂綠化降溫增濕生態(tài)效益的延伸,其中對屋頂綠化熱環(huán)境的分析與模擬尚有欠缺。以往對熱環(huán)境的研究多采用現(xiàn)場實地分析方法,這種方法需要大量的人力、物力和資金投入[1－2],并且在實驗過程中會不間斷受到外界干擾,不易獲得連續(xù)分布的氣象格點數(shù)據(jù)[3]。因此結合微氣候模擬軟件對實測數(shù)據(jù)進行模擬分析,具有一定的研究優(yōu)勢。

本文選取ENVI￣met模擬分析軟件,通過與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行比對,結合ENVI￣met軟件的可視化表達[4],對城市屋頂綠化室外熱環(huán)境的影響進行分析和評估。同時設定3種不同植物配置模式的綠化屋頂與一個無綠化屋頂作為實驗觀測樣地,比較城市中屋頂綠化植物配置模式對區(qū)域熱環(huán)境的影響。

1 調(diào)查對象與方法

1.1 研究地概況

2016年8月,選取南京市仙林區(qū)紫東創(chuàng)意園3棟不同綠化屋頂作為觀測樣地,根據(jù)試驗地現(xiàn)狀,分為“喬－灌－草”“灌－草”和草坪式3種不同的植物配置類型。并設置無綠化屋頂作為對照組(表1)。

表1 3種植物配置模式屋頂詳表

1.2 研究方法

2016年8月選擇晴好高溫無風的天氣連續(xù)觀測3 d(8月16—18日),數(shù)據(jù)采集時間為9∶00—18∶00,試驗分別于“喬－灌－草”“灌－草”和草坪3個類型屋頂設定3個觀測點,并設置無綠化屋頂作為對照組(CK)?？諝鉁?、濕度測量采用空氣濕度和溫度測量儀(型號為Testo 610),其具有穩(wěn)定的濕度傳感器,溫度量程為－10℃~50℃,精度為±0.5℃,分辨率為0.1℃,濕度量程為0~100%RH,精度為±2.5% RH,分辨率為0.1%RH。測量時每隔1 h手動記錄,每天記錄10個時間點。

1.3 數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計

采用Microsoft Excel和SPSS 19.0軟件。對實測屋頂溫、濕度數(shù)據(jù)進行整理歸納,用統(tǒng)計軟件進行進一步比對梳理。

2 屋頂綠化溫濕度分析

2.1 不同類型屋頂綠化空氣溫度日變化

不同類型屋頂綠化的空氣溫度日變化如圖1所示,觀測結果表明,3種植物配置類型屋頂氣溫均低于對照(CK)氣溫,且在降溫程度上存在一定的差異性。在9∶00—18∶00的觀測時間段內(nèi),平均氣溫“喬－灌－草”(37.57℃)<“灌－草”(39.09℃)<草坪(39.87℃)<對照(41.41℃)與對照無綠化屋頂相比,全天平均降溫幅度“喬－灌－草”(3.84℃)>“灌－草”(2.32℃)>草坪(1.54℃),研究表明“喬－灌－草”植物配置模式的綠化屋頂擁有最佳的降溫效應[5]。

數(shù)據(jù)表明,對照點的氣溫遠高于綠地中的氣溫,且隨時間變化而逐漸升高,在12∶00之后達到峰值后呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,于14∶00之后到達第2峰值,之后呈下降趨勢,氣溫變化差異較大“喬－灌－草”“灌－草”這2種植物配置模式下氣溫在15∶00—18∶00變化波動較小草坪綠地在12點之后溫度明顯高于其他綠地,表明草坪綠地在緩解外界熱環(huán)境變化上的作用相對較小。

2.2 不同類型屋頂綠化空氣相對濕度日變化

不同類型屋頂綠化的空氣濕度日變化如圖2所示。觀測結果表明,無綠化屋頂?shù)目諝鉂穸冗h低于其他3類綠化屋頂?shù)膶崪y空氣濕度,說明屋頂綠化對增加空氣濕度有一定作用。濕度在9∶00—18∶00的觀測時間段內(nèi),平均空氣相對濕度“喬－灌－草”(61.46%)>“灌－草”(58.17%)>草坪(55.54%) >對照(38.82%)與對照組相比,增濕幅度“喬－灌－草”(22.64%)>“灌－草”(19.35%)>草坪(16.72%)?？梢钥闯觥皢蹋啵荨鳖愋臀蓓斁G化擁有較好的增濕效果,其次,增濕效果較好的為“灌－草”類型屋頂綠化。

圖1 各屋頂空氣溫度折線圖

圖2 各屋頂空氣濕度折線圖

3 模擬比較

在對屋頂綠化的溫濕度環(huán)境進行實測分析之后,運用ENVI￣met軟件進行與實測數(shù)據(jù)的同步模擬比對。

3.1 環(huán)境建模

Envi￣met軟件是采用三維非流體靜力學模型,專門用來模擬城市環(huán)境中構筑物表面－植被－空氣的相互關系。它的水平解析度為0.5~10 m,時間步長最大為10 s,時間量級為24~48 h,可用來模擬中小尺度環(huán)境下的一系列熱環(huán)境效應[6]。本文選取南京市紫東創(chuàng)意園“喬－灌－草”屋頂綠化F3棟進行EN￣VI￣met建模。屋頂綠化配置模式是“小喬木－灌木－草”的花園式屋頂。為了更好地驗證模型,將草坪設定為0.2 m高,灌木設定為0.8 m高,小喬木設定為2.0 m高。將屋頂綠化內(nèi)道路設定為大理石材質,周邊的非綠化屋面設定為軟件默認的建筑材質[4]。屋頂綠化的面積約為900 m2,東西長約32 m,南北寬約33 m,建筑高度約18 m。

根據(jù)計算流體力學CFD軟件常用的方法來確定模擬計算區(qū)域:將區(qū)域的長度設定為地塊最大長度的3倍區(qū)域的寬度設定為地塊最大寬度的3倍區(qū)域的高度設定為最高建筑物高度的3倍[7－8]。

3.2 條件配置

建模之后,將模型導入Configuration Wizard中進行初始條件設置。日期選擇為2016年8月16日,初始溫度為20℃,2 m高度處的相對濕度為60%, 10 m高度處的風速為3 m/s,風向為南風,模擬時間從早上9點到下午18點,共9 h。

3.3 計算模擬

設置好初始條件之后,開始進行微氣候模擬。選擇模擬網(wǎng)絡100×100×80進行模擬運算。這一階段耗費時間較長,模擬結束之后的輸出文件是一系列關于樣地大氣環(huán)境、建筑、植被、地表材料等的文件夾。

3.4 結果分析

使用LEONARDO 2014 Visiualize進行結果顯示,在Data Navigator中導入計算結構,選擇要顯示的溫度、濕度、風速等,點擊Extract 2D查看相應結果。本文選擇了上午11點的溫度模擬圖與下午15點的濕度模擬圖以及與模擬疊加圖作為參考對比(圖3、圖4、圖5、圖6)。

圖3 11點溫度模擬圖

圖4 11點溫度模擬與模擬疊加圖

圖5 15點濕度模擬圖

圖6 15點濕度模擬與模擬疊加圖

將模擬時刻的溫濕度與現(xiàn)狀模型作比較,發(fā)現(xiàn)在種植有小喬木與小灌木的區(qū)域比單獨的草坪區(qū)域擁有更好的降溫增濕效益,小喬木在一定區(qū)域內(nèi)對水平方向的影響范圍較大,這可能是由于植物自身的遮蔽性所造成的,通常也與植物的生長特性有關。Envi￣met軟件的可視化圖像能更加直觀地用色塊的差異將溫濕度差異表達出來,通過模擬與現(xiàn)狀的對比,展現(xiàn)在同一環(huán)境下不同植物布局對相應區(qū)域內(nèi)溫濕度的影響。軟件模擬數(shù)據(jù)對屋頂綠化熱環(huán)境有一定參考作用,而不論是實測還是模擬數(shù)據(jù)都表明:植物較為密集的綠化區(qū)域所呈現(xiàn)出的降溫增濕效應更為明顯。

圖7 空氣溫度的實測與模擬數(shù)據(jù)對比

在LEONARDO 2014中可以得出各坐標點的溫濕度模擬數(shù)據(jù),將模擬數(shù)值與實測數(shù)值比較得到圖7、圖8數(shù)據(jù)[以實測點對應的網(wǎng)格圖坐標點(23,20)為例]。

圖8 空氣濕度的實測與模擬數(shù)據(jù)對比

從圖7、圖8可以看出,實測數(shù)據(jù)隨時間變化呈現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)波動,受周圍環(huán)境的影響比較大模擬結果的溫度均低于實測溫度,這可能是由于溫濕度計實際測量的空氣溫度及風速均為瞬時值,而Envi￣met軟件所模擬出來的數(shù)值是一段時間內(nèi)和一定空間內(nèi)的平均結果[4]。除幾個拐點之外,實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)基本保持一致。

4 結論與討論

1)通過比較不同類型屋頂綠化對屋頂溫度的影響可知:“灌－草”、草坪2種類型的屋頂溫度日變化動態(tài)基本呈“單峰”分布,均在12∶00左右達最大值在觀測時間段內(nèi)“喬－灌－草”“灌－草”和草坪的平均降溫率幅度分別是9.27%、5.60%和3.71%,“喬－灌－草”模式的屋頂綠化降溫率約為草坪的3倍左右。

2)通過比較不同類型屋頂綠化對屋頂濕度的影響可知:3種類型屋頂濕度日變化動態(tài)均呈現(xiàn)出先降低后升高的分布趨勢,并存在不同的變化趨勢,最低值均出現(xiàn)在下午12∶00—15∶00區(qū)段中在觀測時間段內(nèi)喬－灌－草、灌－草、草坪的屋頂綠化的平均增濕效應幅度分別是58.32%、49.85%、43.07%,喬－灌－草屋頂綠化增濕效應達草坪屋頂綠化1.3倍左右。

3)綠化屋頂?shù)慕禍亍⒃鰸裥哂谖淳G化屋頂,“喬－灌－草”式屋頂綠化的降溫效應明顯高于草坪式屋頂綠化,其中“灌－草”式屋頂綠化的增濕效應更為顯著。綠化屋頂外表面平均溫度與無綠化屋頂外表面平均溫度相比,兩者相關性較高,且差異明顯。屋頂綠化一定程度上降低了室內(nèi)外溫度差異,削減了人體的不舒適性,起到明顯降溫作用。

4)在實測與模擬條件下,對屋頂綠化室外熱環(huán)境影響呈正相關性的都是植物對溫濕度的影響,且不同植物配置、不同植物類型也會引起溫濕度變化差異。從得到的可視化表達軟件模擬圖中可以看出,軟件模擬的數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)相比確實有正相關性,屋頂綠化對其周邊水平及垂直方向的影響范圍可以達到2 m左右,且擁有較大的溫濕度影響范圍(如圖3),模擬的屋頂綠化降溫平均達到2℃左右,較實測數(shù)據(jù)偏低。

[1]曾巧楠,吳學謙,陳志駿,等.綠化對住宅小區(qū)熱環(huán)境的影響研究進展[J].中國園藝文摘,2016,32(2):67－70.

[2]秦文翠,胡聃,李元征,等.基于ENVI￣met的北京典型住宅區(qū)微氣候數(shù)值模擬分析[J].氣象與環(huán)境學報,2015,31(3):56－61.

[3]秦文翠.街區(qū)尺度上的城市微氣候數(shù)據(jù)模擬研究[D].重慶:西南大學,2015.

[4]李月鵬.深圳市屋頂綠化對室外熱環(huán)境的影響研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2014.

[5]吳志能,陳祥,馮義龍.重慶花園式屋頂綠化生態(tài)效益的初步研究[J].南方農(nóng)業(yè),2013,7(11):1－4.

[6]王娜.嚴寒地區(qū)住區(qū)組團微氣候研究[D].沈陽:沈陽建筑大學,2012.

[7]王晶.基于風環(huán)境的深圳市濱河街區(qū)建筑布局策略研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2012.

[8]彭揚華,張曉霞,張園琴.建筑師眼中的城市綠化:屋頂綠化[J].中國城市林業(yè),2005,3(3):63－65.

A Study of Outdoor Thermal Environment of Roof Greening in Nanjing

Chen Yu Li Jiaoxian Song Shuangshuang Zou Linhai
(College of Horticulture,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

Based on the summer climate in Nanjing,the study explored the impact of roof greening on the urban thermal environment,which is of great value to improve the urban heat island effect and meliorate the urban thermal environment comfort.Considering the change in the relative temperature and relative humidity of roof greening,the study discussed the relationship between roof greening and urban thermal environment comfort using ENVI￣met simulation technology.The roofgreening plant selection and configuration layoutoptimizationmethod were analyzed in combination with the variations in the outdoor thermal environmenton roof under differentplant configuration patterns.

roof greening,thermal environment,ENVI￣met,Nanjing

10.3969/j.issn.1672－4925.2017.03.010

2017－03－09

2017年江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新項目“基于休閑創(chuàng)意農(nóng)業(yè)的植物景觀配置方法技術研究與應用”

陳宇(1975－),女,博士,副教授,研究方向為植物造景與運用,E－mail:qomoo＠163.com