菅文娜 雷振東

植被對低密度地區(qū)低層建筑的能耗有著顯著的影響?？偨Y(jié)來看，樹木改變建筑室內(nèi)外環(huán)境舒適度主要通過以下幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)：1)陰影，遮陰樹在建筑外表面形成的陰影減少了建筑表面對太陽輻射能的吸收和儲存，以減少建筑室內(nèi)外熱傳遞，從而減少夏季室內(nèi)冷卻能源的消耗；2)蒸發(fā)蒸騰作用，植物將液態(tài)的水通過蒸發(fā)蒸騰作用轉(zhuǎn)換成水蒸氣，增加了空氣的濕度的同時(shí)降低了空氣的溫度；3)擋風(fēng)，適宜的植物種植在冬季可以通過改變風(fēng)向和風(fēng)速以減少冷空氣滲透到建筑室內(nèi)和建筑表面的對流冷卻。

建筑的外表面接收的太陽凈輻射是引起建筑室內(nèi)微環(huán)境變化的一個(gè)主要影響因素[1]。所以，遮陰樹木的使用對建筑能源利用將會有著很重要的影響，但是黃土高原地區(qū)的住宅地塊空間和資源對于種植遮陰樹有所限制，研究區(qū)域大部分地區(qū)農(nóng)家院落尺寸正在大大減少，而且，多數(shù)院落為了使用方便采取硬質(zhì)鋪裝，這些因素都減少了種植多棵樹木的可能性，因此，單棵樹的科學(xué)種植和樹種選擇變得更加重要，為了最大限度地提高樹木對民居環(huán)境的改善和能源利用效益，本文利用計(jì)算機(jī)模擬軟件，探討單個(gè)樹木在住宅地塊上的選擇和種植方式如何影響附近建筑物的陰影，從而影響建筑能源消耗。

1 研究的影響因素

在國外，過去研究表明，遮陰樹木的節(jié)能效益很大程度上取決于樹木的特征(樹木的大小、冠層的密度)和相對于建筑的位置(與建筑的間距和相對建筑的方位)[1-6]。在樹木相對建筑的位置不變的情況下，樹木越大，在相鄰建筑上的形成的陰影就越大[5]，此外，樹冠的密度也會影響到達(dá)建筑的太陽輻射的強(qiáng)度，冠層越密集遮陰效果越好[7-8]；當(dāng)涉及節(jié)能時(shí)，種植設(shè)計(jì)首要考慮的是樹木相對于建筑的方位，在夏季，東側(cè)的樹木在早晨提供樹蔭，而西側(cè)的樹木在下午提供樹蔭，因?yàn)榄h(huán)境空氣溫度和空調(diào)使用在下午是最高的[5]。建筑西側(cè)種植的樹木被認(rèn)為是具有最大的冷卻效果，其次是建筑東側(cè)的樹木[9]。種植在南部的樹木在建筑物上產(chǎn)生很小的陰影[10-11]，建筑北側(cè)的樹木對建筑物的陽光的干預(yù)最小[5]。

在國內(nèi)，一些研究指出，在自然通風(fēng)的建筑場地，綠化設(shè)計(jì)為建筑及其周圍的室外空間提供有效的遮陰，樹種的選擇要考慮樹冠的大小、密度和形狀。樹冠伸展的高大落葉樹種在建筑南面，樹冠低矮、靠近地面的樹木更適合種在西面，可以遮擋下午低角度的陽光。冬季避免在建筑南向近距離種植常青樹，在西南和東南種植落葉樹，在寒冷地區(qū)，南面不種樹，樹枝冬季也會遮擋陽光[12-13]。

綜上，單棵樹木在建筑外表面上能否產(chǎn)生陰影以及陰影的“質(zhì)”和“量”受2個(gè)因素的影響即樹木的形式和樹木的布置。樹木的形式描述的是樹木的物理屬性，包括樹木的大小、分枝點(diǎn)高度、樹冠的大小、冠層的密度及冠形，而樹木的布置描述的是其相對于建筑的位置即相對建筑的方位和距離。以上因素構(gòu)成了本研究的重要影響因素。

表1 樹木的數(shù)據(jù)

表2 冷卻季節(jié)西側(cè)樹木日均陰影百分比

表3 冷卻季節(jié)東側(cè)樹木日均陰影百分比

2 研究目的

盡管樹木影響建筑能源使用的相關(guān)知識在過去20年來逐漸提高，但模擬分析是稀缺的。樹形式和位置是樹蔭提供的關(guān)鍵因素，陰影不僅受樹的特征和相對建筑位置的影響，而且也受日照、季節(jié)和緯度變化的影響。在給定地理位置中的日照、季節(jié)性模式及樹木的布置等因素影響遮陰的面積和遮陰持續(xù)的時(shí)間即陰影的“質(zhì)”和“量”[1]。因此，模擬分析需要結(jié)合建筑的結(jié)構(gòu)和朝向、樹木的特征和位置以及變化的太陽的位置和氣候。在本研究中，將使用計(jì)算機(jī)模擬軟件，對黃土高原半濕潤區(qū)的3個(gè)區(qū)域不同的典型村落進(jìn)行詳細(xì)模擬，探討單棵樹對一個(gè)典型民居的遮陰影響，研究的目的是確定地區(qū)民居遮陰樹的最佳種植模式(與建筑的間距、相對建筑的方位、植物大小的選擇等)，以優(yōu)化植物陰影的生態(tài)效益，從而最大化植物與民居的生態(tài)共生效益。

3 研究方法

Ecotect可以從詳細(xì)的氣候分析開始，計(jì)算各種被動設(shè)計(jì)技術(shù)的潛在效果，或優(yōu)化可用的太陽能、光和風(fēng)資源的使用。Ecotect也可以用于即時(shí)遮蔽分析，計(jì)算任何表面上的入射太陽輻射及其百分比陰影，本文通過對此軟件二次開發(fā)后，可以用作評估樹木相對于建筑物的陰影效果的設(shè)計(jì)工具，可以確定任何朝向的建筑物表面上的樹或一組樹投射的陰影的面積百分比和位置，模擬時(shí)，單個(gè)建筑物和周圍的樹木由網(wǎng)格坐標(biāo)定位。 模擬需要的參數(shù)包括：建筑朝向、建筑長度、建筑寬度、建筑物墻體高度、樹木的基本坐標(biāo)、樹木的高度、主干高度、冠高度、冠直徑、樹冠形狀以及遮陰系數(shù)。

圖2 冷卻季節(jié)3種類型樹木的日均遮陰百分比

3.1 民居建筑數(shù)據(jù)

本研究選擇坐北朝南三開間的兩層平屋頂民居建筑作為模擬對象，建筑占地面積約為75m2(9.9m×7.5m)，建筑面積148.5m2，總外表面積(四面墻和一面屋頂)為189.1m2。模擬地點(diǎn)分別選擇研究區(qū)的陜西西安南豆角村、山西清徐縣西楚王村和河南陜縣凡村。利用SketchUp建立建筑模型，模擬時(shí)為了模擬出理想狀態(tài)，將建筑模型輸入模擬軟件時(shí)，二樓的外廊、室外樓梯以及遮陰的屋頂被簡化(圖1)。

3.2 樹木配置數(shù)據(jù)

樹蔭的大小取決于樹木的3個(gè)因素：1)樹木特征；2)與房子的間距；3)相對房子的方位。根據(jù)地區(qū)民居常用現(xiàn)狀樹種，總結(jié)出一組典型樹木大小的平均數(shù)據(jù)(表1)，進(jìn)行建模模擬，為了模擬極值及簡化比較的影響因素，假設(shè)表1中3種大小樹木的冠型都為拋物線型，冠透射率均為1。樹木相對建筑有8個(gè)方向的變化，4個(gè)基本方向(東、西、南和北)和4個(gè)角隅(東北、東南、西北和西南)。為了避免建筑和樹冠之間的空間沖突，以及保護(hù)建筑基礎(chǔ)安全的角度，樹與建筑間距最小設(shè)置為每種類型樹木樹冠的半徑，以樹冠的半徑為倍數(shù)逐漸遞增，模擬每種類型樹木在不同方向和不同距離上對建筑遮陰的變化(圖1)。

3.3 樹蔭模擬

在研究區(qū)域中，選擇3個(gè)典型區(qū)域，在日歷年模擬時(shí)間框架內(nèi)，對單棵樹木，模擬了8個(gè)方位，大、中和小喬木分別進(jìn)行了67、64和63組模擬，得出了每種類型的植物距離建筑的最佳距離和最佳方位。

4 結(jié)果與討論

4.1 陰影變化趨勢

4.1.1 陰影變化的總體趨勢

各個(gè)區(qū)域的陰影變化的總體趨勢基本一致，以南豆角村模擬結(jié)果為例進(jìn)行討論，模擬結(jié)果顯示，與建筑相鄰種植的樹木越大，所提供的陰影水平就越高。也就是說，大型喬木不管種植在建筑的哪個(gè)方向，都是遮陰效果最好的選擇。在建筑的外表面上的最大日平均遮陰百分比出現(xiàn)在建筑西側(cè)，在建筑西墻上產(chǎn)生的日平均遮陰百分比最大可達(dá)50%(此數(shù)據(jù)包括一天中建筑的自遮陰)，當(dāng)大型喬木被放置在離建筑超過5m的地方時(shí)，建筑物表面的遮陰效果將顯著降低。相比之下，對于中小型喬木，在建筑的東部或西部僅距離建筑最近時(shí)在一年的模擬時(shí)間框架內(nèi)提供大于10%的日均遮陰百分比，當(dāng)小喬木被放置在≥3m的距離或中等喬木被放置在≥6m的距離處通常產(chǎn)生的日均遮陰百分比已經(jīng)低于10%(表2、3)。在建筑所有方位，小喬木都產(chǎn)生最低水平的陰影，距離建筑越遠(yuǎn)陰影水平越低(圖2)，并且提供最小的節(jié)能效益?？傊谒芯暥?，隨著樹木尺寸的減小，隨著距離的增加，遮陰效果將顯著降低。

圖3 建筑東西兩側(cè)側(cè)樹木日均遮陰百分比

圖4 建筑西側(cè)多棵樹木種植方式

4.1.2 冷卻季節(jié)的陰影變化趨勢

在冷卻季節(jié)，建筑的東部或西部的樹木受太陽高度角的影響，可提供更大的平均樹蔭，不同大小的樹木影響程度區(qū)別也很大，大型喬木的優(yōu)勢明顯大于中小型喬木(圖3)。在黃土高原地區(qū)，夏季西曬嚴(yán)重，建筑西側(cè)很少開窗，若西側(cè)有足夠的種植空間，可以種植多棵遮陰樹，由于樹冠重疊會使每棵樹的節(jié)能效益折減，為了節(jié)省成本及節(jié)能效益最大化，西側(cè)樹木最好采用列植，根據(jù)模擬的建筑模型的寬度，如果建筑西側(cè)單獨(dú)種植小喬木，同一距離方向可以種植3～4棵(圖4)，有2種種植組合模式，模擬顯示，a模式的平均遮陰大于b模式，而且a模式樹木數(shù)量少，減少了種植和管理成本。對于中型喬木可以種植2～3棵樹木，與小喬木存在一致的結(jié)論，c模式優(yōu)化了植物的種植方式。大型喬木樹冠寬度為10m，大于建筑的寬度，所以只有種植一棵樹木這一種方式(圖4)。綜合中小型喬木的種植模式，可以得出的規(guī)律是，如果建筑的西側(cè)可種植多棵樹，種植的第一棵樹的位置是在建筑中軸線上還是與中軸線相切，取決于在建筑寬度范圍內(nèi)有盡量少的樹冠相切的“縫隙”，因?yàn)槭軜涔谧匀恍螒B(tài)的影響，這個(gè)“縫隙”冠層透射率最大，會導(dǎo)致遮陰水平顯著降低。

相比之下，南部或西南部的樹木的陰影一直最低，因?yàn)楫?dāng)一天的太陽位于南向時(shí)，太陽角度高，太陽基本位于植物正上方，陰影接近正投影，很難落到一側(cè)的建筑上，除非植物距離建筑特別近(圖5)。

4.1.3 加熱季節(jié)的陰影變化趨勢

過去的研究表明，在加熱季節(jié)遮擋陽光的樹冠可以不利地減少建筑的被動太陽能加熱，導(dǎo)致加熱損失[14]，在加熱季節(jié)的樹蔭模擬中，一棵大喬木放置在建筑的南側(cè)，距離建筑很近時(shí)會產(chǎn)生大量的陰影。這些陰影在通常在9月變得最明顯，但直到11月中旬，加熱季節(jié)才開始，到那時(shí)，太陽高度角已經(jīng)大幅下降，這樣陽光就可以通過在已經(jīng)落葉的樹冠下通過。因此，建筑南向?qū)ㄖ募居辛己谜陉幍穆淙~樹對加熱能源需求的影響并不顯著。但是，現(xiàn)實(shí)中離建筑很近樹木影響居民在院子里的行為活動及院落空間的使用。所以，院落里的南向樹木在夏季很難在建筑上有落影，南向樹木使用的目的通常是對院落遮陰，這時(shí)還要盡量保證冬季不能遮擋建筑的日照，需要考慮太陽能采集邊界限制的問題(圖6)，確定南向樹木與建筑的最佳間距，模擬顯示，小樹在大于4.5m、中樹大于9m、大樹大于15m的間距時(shí)，植物對建筑冬季日照的影響接近消失(圖7)。

圖5 6月21日南向和西南向中型喬木的陰影分析

圖6 太陽能采集邊界

圖7 冬季建筑南向樹木陰影變化

圖8 樹木形態(tài)對低角度太陽光的影響

4.2 區(qū)域種植設(shè)計(jì)指導(dǎo)

1)遮陰樹與建筑的間距的建議。

陰影模擬顯示了與樹木尺寸相關(guān)的距離的建議。大樹被證明在西邊5m處為最大節(jié)能效益，5～10m的距離處都能提供有效的樹蔭。另一方面，建議在6m內(nèi)種植一棵中樹或在3m之內(nèi)種植一棵小樹，以便在冷卻季節(jié)即夏季6、7、8月份分別獲得大于29%、27%、35%的西墻日均遮陰百分比和大于2%、2%、5%的屋頂?shù)娜站陉幇俜直?。與東或西方的樹木相比，由于更高的太陽角，南側(cè)樹木應(yīng)放置在靠近建筑處。

2)遮陰樹相對建筑的方位的建議。

在研究區(qū)域，模擬支持在東部或西部方向種植遮陰樹作為節(jié)能的最佳選擇。然而，當(dāng)在東部或西部地區(qū)種植不是唯一的選擇時(shí)，遮陰樹的選擇和布置將取決于緯度和氣候。在黃土高原地區(qū)，加熱季節(jié)4個(gè)月，相對較長，東南或西南部分的樹木將是次佳選擇。研究地區(qū)屬于寒冷地區(qū)，應(yīng)避免南向的樹木的近距離種植，以盡量減少冬季能耗。 然而，如果這棵樹是必要的，適當(dāng)?shù)男藜艨赡苡兄跍p少加熱季節(jié)的遮陰。

3)樹的形態(tài)特征的建議。

除了方位和距離的考慮之外，樹形對遮陰也有一定影響(圖8)，樹形對于低角度的光照有一定的影響，低角度光照存在以下3種情況：1)北緯度地區(qū)；2)在加熱季節(jié)；3)日出的東向和日落的西向。所以，在研究區(qū)域，夏季為了更好地遮擋西曬，建筑西向種植拋物線形態(tài)樹木可以遮擋更多的陽光，在冬季，南向盡量選取圓形或橢圓形的落葉植物，使陽光更好地到達(dá)建筑。

4.3 適地適樹

“在正確的地方種植正確的樹”已經(jīng)成為使樹木利益最大化和成本最小化的普遍理念。但是，現(xiàn)實(shí)情況不可能按照理想的模式實(shí)現(xiàn)，由于研究區(qū)住宅院落空間較小，如在陜西關(guān)中，院落基本3～4分地，這種情況下，樹木可能被種植在次優(yōu)地點(diǎn)以進(jìn)行節(jié)能。此外，由于大多數(shù)現(xiàn)代建筑都配備了空調(diào)設(shè)備，居民有可能會忽略樹木種植對他們的院落及住宅舒適度的影響。

當(dāng)認(rèn)為遮陰樹可以對鄰近建筑(聯(lián)排布局的民居)產(chǎn)生“溢出”遮陰效益時(shí)，科學(xué)布置的單一樹木的使用及效益將會增大[6]。這些樹木還可以通過遮蔽有反射的地面(例如，硬質(zhì)的院落和街道)、蒸發(fā)冷卻和防風(fēng)效果來節(jié)能。此外，樹木的選擇和布置也必須考慮到整體景觀背景以及所有潛在的利益。對于民居來講，植物除了輔助建筑節(jié)能外，還可以營造舒適的室外環(huán)境、改善院落及更大范圍的生態(tài)環(huán)境，植物樹冠對不透水的表面可以遮蔽降雨并延遲雨水徑流，也能產(chǎn)生較大的環(huán)境效益?？傊?，要了解樹形式和樹木布局與建筑及院落環(huán)境的互動，以獲得眾多的環(huán)境效益，然后科學(xué)地選擇和種植，使樹木的效益最大化。

5 結(jié)語

這項(xiàng)研究利用Ecotect程序模擬了單棵樹的種植形式和位置對民居建筑外表面及民居院落遮陰的影響，確定了在黃土高原研究區(qū)域民居環(huán)境中遮陰樹木的種植形式和布置(植物的大小、植物與建筑的間距以及植物相對建筑的方位)，并且根據(jù)模擬結(jié)果給出了民居環(huán)境中優(yōu)化遮陰樹種植的建議，從而使植物效益最大化，對促進(jìn)地區(qū)鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義。

注：文中圖片均由作者繪制。