肖 敏

李翰宇

張曉烽

近年來，城市熱島效應(yīng)(UHI)日趨嚴重，對城市氣候、能源消耗等方面產(chǎn)生了極為嚴重的負面影響。2013—2020年的氣象數(shù)據(jù)研究表明，長沙市炎熱季節(jié)從6月初—9月中旬，平均持續(xù)時長達3.3個月，日平均高溫超28℃；全年較悶熱時段從4月末—10月中旬，持續(xù)5.7個月，期間至少有25%的時間濕度舒適水平表現(xiàn)為悶熱難受或極為難受。不斷惡化的室外熱濕環(huán)境加劇了城市居民對空調(diào)的依賴，夏熱冬冷地區(qū)，住宅建筑夏季空調(diào)制冷能耗需求逐年攀升，空調(diào)耗電量已達我國總耗電量的29%[1]。研究發(fā)現(xiàn)，中國建筑運行能耗約占全國能源消費總量的21.7%，其中城鎮(zhèn)住宅能耗達建筑運行能耗總量的38%?；鶞是榫诚拢ㄖ\行能耗總體呈逐年上升趨勢，建筑碳達峰時間遠落后于中國擬實現(xiàn)碳達峰時間[2]，嚴重阻礙了碳達峰和碳中和目標的實現(xiàn)。因此，降低建筑運行能耗、實現(xiàn)低碳綠色發(fā)展已刻不容緩。

當(dāng)前我國已從新城建設(shè)轉(zhuǎn)向舊城更新時代，老舊小區(qū)提質(zhì)改造亦成為城市更新的重點內(nèi)容。近年來各地政府推出的若干城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造指導(dǎo)意見和技術(shù)標準中，大多通過增加綠化面積和植物群落數(shù)量、加設(shè)屋頂綠化、增加垂直綠化和喬灌草復(fù)合綠化等定性方式來改善住區(qū)微氣候和提升整體綠化品質(zhì)，缺少與綠化改造相關(guān)的定量指標[3-5]。

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，綠化在改善建筑周圍微氣候和降低建筑制冷能耗方面極具潛力。恩瓦凱爾(Nwakaire)等[6]發(fā)現(xiàn)，城市綠化設(shè)計是可持續(xù)的UHI緩解策略。斯克霍恩(Skelhorn)等[7]表示，在城市中增加5%的成熟樹種可使UHI峰值降低1℃，7月建筑制冷能耗減少2.7%。阿波利塔(Aboelata)[8]研究表明，場地綠化率為70%的草地可有效降低縱橫比(H/W)1:1街道的氣溫和建筑能源需求。丘克(Tsoka)等[9]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樹木形成連續(xù)遮陰時，建筑節(jié)能率可高達54%。莫拉基諾(Morakinyo)[10]和彭(Peng)[11]等的實驗均表明，建筑周圍種植植物可改善夏季建筑室內(nèi)外熱環(huán)境，并大幅降低建筑制冷能耗。伊薩貝爾(Isabelle)等[12]的研究表明，植物樹冠透射率越高，蒸散量越多，蒸騰作用越強。王(Wang)等[13]通過輻射視野因素的敏感性測試驗證了樹冠透射率在改變輻射交換中的重要性，樹木可通過遮蔽和蒸騰作用來降低地面和建筑立面的凈輻射和日間氣溫。

由上述分析可知，科學(xué)規(guī)劃布局的綠化配置可有效緩解夏季UHI；樹冠透射率可顯著改變建筑周圍的微氣候，進而降低建筑制冷能耗。為定量評價和預(yù)測老舊小區(qū)綠化改造對改善建筑周圍微氣候和降低建筑能耗的綜合效果，需建立一種集成微氣候和建筑能耗影響于一體的協(xié)同工作流。目前，微氣候和建筑能耗耦合模擬工作至少需要利用3種不同的軟件(2種不同性能軟件和1種耦合平臺軟件)重復(fù)構(gòu)建同一形態(tài)模型，還需處理軟件間龐雜的模擬數(shù)據(jù)，耦合模擬工作操作不便且流程煩瑣[14-15]。

因此，本文利用Grasshopper(以下簡稱GH)平臺對各類軟件的兼容拓展能力，集成微氣候軟件ENVI-met和建筑能耗軟件EnergyPlus的模擬計算內(nèi)核。在該平臺內(nèi)運用Morpho插件對老舊小區(qū)微氣候進行仿真模擬，提取目標建筑周圍的氣溫、相對濕度和風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)作為能耗模擬的外部氣象邊界條件，輸入到Ladybug和Honeybee插件中進行建筑能耗模擬，以實現(xiàn)基于同一平臺耦合2類不同性能模擬算法的研究目標。并以長沙市典型老舊小區(qū)為研究對象，量化評判和預(yù)測不同樹冠透射率的綠化工況對老舊小區(qū)微氣候和建筑能耗的綜合影響。所提出的耦合模擬方法具有通用性，其適用范圍不受限于本文案例，可模擬分析不同類型的建筑設(shè)計和園林景觀規(guī)劃方案，從物理環(huán)境視角為城市建設(shè)和景觀綠化設(shè)計及改造更新提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 數(shù)值模擬軟件

采用Morpho插件的模擬引擎ENVImet(4.4.5版)仿真分析區(qū)域內(nèi)的室外微氣候，采用Honeybee插件的模擬引擎EnergyPlus(9.3版)建模分析區(qū)域內(nèi)的建筑能耗，所用插件見表1。ENVI-met植物模型可準確模擬室外環(huán)境中植物的蒸騰作用、葉片溫度變化，以及大氣和植物之間的熱量及水汽交換等生理特性[16]。樹冠透射率(樹冠形狀和枝葉的綜合效果)可通過吸收、反射和遮擋方式影響建筑接收的太陽短波輻射和長波輻射[17]。ENVI-met可通過設(shè)置葉面積密度和樹冠透射率的方式定義植物模型，而EnergyPlus僅可通過擬定樹冠透射率來定義植物模型。故為協(xié)同2類模擬算法，采用設(shè)置樹冠透射率的方式自定義ENVI-met植物模型。在ENVI-met中選取EPW(EnergyPlus Weather)文件中典型氣象年的氣象數(shù)據(jù)作為研究區(qū)域內(nèi)的背景氣象數(shù)據(jù)。EPW氣象數(shù)據(jù)多是在城郊或機場氣象站中觀測所得，因其未考慮特定區(qū)域的局部微氣候，故采用傳統(tǒng)EPW文件的建筑能耗模擬結(jié)果并不準確[18]。為突破此限制，在GH平臺內(nèi)將ENVI-met建筑周圍微氣候的模擬結(jié)果生成新的EPW文件，輸入到EnergyPlus中作為能耗模擬的外部氣象邊界條件，以提高能耗模擬的準確性。

表1 Ladybug/Honeybee/Morpho插件

1.2 ENVI-met和EnergyPlus軟件集成耦合模擬流程

圖1為本文提出的集成耦合模擬框架?；诰W(wǎng)格化模型的ENVI-met在進行數(shù)值模擬時，每個網(wǎng)格是一個計算單元，而EnergyPlus內(nèi)每一建筑構(gòu)件為一個計算單元。故向EnergyPlus傳遞建筑周圍微氣候數(shù)據(jù)時，為兼容這2類不同的計算單元，需要定義一個基本耦合單元，如圖2所示，以一棟6層建筑為例說明其定義：將首層4個建筑外立面定義為一個基本耦合單元，同一耦合單元內(nèi)的所有建筑構(gòu)件賦予相同的微氣候數(shù)據(jù)。提取ENVI-met生成的建筑首層外立面周圍網(wǎng)格單元的微氣候數(shù)據(jù)(如風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度和相對濕度)，取平均值后替換城郊EPW文件中對應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，生成新的EPW文件，再傳遞給EnergyPlus進行能耗模擬。除頂層外，其余層類推。頂層除4個建筑外立面外還包括屋面的基本耦合單元，故取平均值時應(yīng)囊括臨近屋面周圍網(wǎng)格單元的微氣候數(shù)據(jù)。GH平臺內(nèi)ENVImet和EnergyPlus軟件耦合模擬詳細流程如圖3所示。

圖1 集成耦合模擬框架

圖2 ENVI-met和EnergyPlus耦合基本單元示意圖

圖3 ENVI-met和EnergyPlus軟件集成耦合模擬流程

2 案例研究

2.1 案例說明

選取長沙市行列式布局的典型老舊小區(qū)，地塊規(guī)劃布局如圖4所示，目標建筑尺寸如圖2所示。ENVI-met模擬設(shè)計日的背景氣象數(shù)據(jù)采用長沙市城郊EPW文件，其典型氣象年的日平均氣溫最高值在7月3日，主要天氣特征為：高溫(日平均氣溫33.2℃)、高濕(平均相對濕度66.1%)、輕風(fēng)(平均風(fēng)速2.6m/s)、太陽輻射強烈(平均太陽輻射強度306.3Wh/m2)，故選取該日為模擬設(shè)計日。

圖4 規(guī)劃布局示例

2.2 不同樹冠透射率的綠化工況模擬

通過對長沙市老舊小區(qū)樹冠透射率的實測和相關(guān)文獻研究[19]，在常見的樹冠透射率(0.05～0.55)范圍內(nèi)設(shè)置6種不同樹冠透射率的綠化工況和1種無樹基礎(chǔ)工況進行對比實驗，評估樹冠透射率對改善建筑周圍微氣候和降低建筑能耗的綜合作用。ENVI-met和EnergyPlus的模擬參數(shù)設(shè)置見表2～4。

表2 ENVI-met模擬參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)果與分析

3.1 ENVI-met模擬分析

3.1.1 基礎(chǔ)工況

無樹基礎(chǔ)工況下，建筑各樓層周圍氣溫、相對濕度和風(fēng)速如圖5所示，氣溫和相對濕度的曲線走勢為相反的波谷波峰形態(tài)，呈現(xiàn)低溫高濕和高溫低濕現(xiàn)象。因該地塊日間太陽輻射強烈，地塊內(nèi)儲存的熱量在午后和夜間持續(xù)釋放，形成明顯的熱島效應(yīng)。1～6層建筑周圍氣溫較背景氣溫日平均增加0.45～0.49℃，其中0：00—5：00和14：00—24：00時段的建筑周圍氣溫較背景氣溫平均增加0.76～0.80℃，而6：00—13：00時段平均降低0.61～0.67℃。除9：00—22：00時段的1層與13：00—15：00時段和18：00的2層，因受日間太陽輻射、溫度和風(fēng)速等因素的影響使得建筑周圍的土壤水分蒸發(fā)，導(dǎo)致建筑周圍相對濕度稍高于背景氣象相對濕度外，其他各樓層因受“城市干島”影響，建筑周圍相對濕度均低于背景氣象相對濕度。其中1～6層建筑周圍日平均相對濕度較背景氣象相對濕度低0.91%～15.50%；且樓層越高，建筑周圍相對濕度越低。1～6層建筑周圍日平均風(fēng)速較背景氣象風(fēng)速低0.41～1.39m/s，可見建筑周圍風(fēng)速在城市冠層內(nèi)受到密集建筑物的影響會顯著減??；且建筑樓層越低，風(fēng)速受建筑物和粗糙下墊面的影響越強烈，對建筑周圍風(fēng)速的削弱作用越明顯。

圖5 無樹基礎(chǔ)工況下建筑各樓層周圍氣溫、相對濕度和風(fēng)速模擬結(jié)果

表3 EnergyPlus模擬參數(shù)設(shè)置

表4 建筑圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3.1.2 不同樹冠透射率的綠化工況

根據(jù)老舊小區(qū)內(nèi)的綠化現(xiàn)狀，預(yù)設(shè)6種不同樹冠透射率的綠化工況進行ENVI-met微氣候模擬，如表2所示。由圖6(a)可知，1～6層建筑周圍日平均氣溫減幅呈先依次遞升達頂層后驟降趨勢。其中建筑5層周圍日平均氣溫減幅最大(最大值0.63℃)，1層最小(最小值0.18℃)；6層因屋面大面積吸收太陽輻射熱，周圍日平均氣溫降幅較5層略有下降。樹冠透射率越高，太陽短波輻射的吸收和反射量越少，建筑立面接收的太陽輻射越強，建筑周圍日平均氣溫減幅越小。圖6(b)中，1～6層建筑周圍日平均相對濕度增幅呈遞次升高態(tài)勢，6層周圍日平均相對濕度增幅最大(最大值4.36%)，1層最小(最小值0.18%)；且樹冠透射率越高，建筑周圍日平均相對濕度增幅越小。圖6(c)中，1～6層建筑周圍日平均風(fēng)速減幅呈先逐層遞升達頂層后突降趨勢，建筑樓層越接近樹冠中心，減速作用越明顯。5層周圍日平均風(fēng)速減幅最大(最大值0.88m/s)，1層最小(最小值-0.02m/s)。不同樹冠透射率工況下建筑周圍日平均風(fēng)速減幅相差不大(僅0.01m/s)。因此，樹冠透射率會影響建筑周圍局部微氣候的空間分布，會出現(xiàn)不同程度的降溫增濕效果，但對風(fēng)力的減速作用不明顯。

3.2 EnergyPlus模擬分析

基礎(chǔ)工況與不同綠化工況下的各層建筑制冷能耗差值如圖7所示。從方案一至方案三，1層建筑能耗差值較2層有小幅提升。這是因為：1層緊鄰地表，土壤層有一定的恒溫調(diào)濕作用，改善了室內(nèi)的熱濕環(huán)境，且建筑底層接收的太陽輻射較少，降低了建筑能耗。盡管頂層周圍氣溫降幅不小，但因屋面接收的太陽短波輻射范圍最廣且強度最高，故6層的建筑能耗差值與其他層相比最小。2～5層建筑能耗差值依次提升，越接近樹冠中心處，氣溫降幅越明顯，建筑能耗差值越高。結(jié)合圖6可知，以方案一為例，5層相對濕度增幅較4層高1.09%～1.14%，潛熱負荷增加；但因5層氣溫降幅較4層高0.02～0.05℃，顯熱負荷降低，顯熱負荷減少量較潛熱負荷增加量相對更多。綜合2類因素的結(jié)果可以得出，5層總冷負荷較4層低，故1～6層中5層建筑能耗差值最大。方案三與方案一的分析結(jié)果相似。而方案二中，5層增加的潛熱負荷大于其降低的顯熱負荷，因此5層總冷負荷較4層高，故4層為1～6層中建筑能耗差值的最大值。由此可見，樹冠透射率大小會影響各層建筑能耗，其中建筑上部樓層(除頂層外)較低部樓層的降耗效果更明顯，樹冠透射率越高時各層建筑能耗降幅差值越小。

圖6 建筑各樓層周圍日平均氣溫(a)、相對濕度(b)和風(fēng)速(c)與基礎(chǔ)工況氣象數(shù)據(jù)之間的差值

由圖8(a)和(b)可知，在樹冠透射率為0.05～0.55的工況下，建筑周圍日平均氣溫降幅和相對濕度增幅隨樹冠透射率增加而顯著下降。樹冠透射率每增加0.1，日平均氣溫降幅分別減少：方案一0.05℃、方案二0.03℃、方案三0.01℃，日平均氣溫降幅的線性擬合回歸系數(shù)逐步提高：方案一-0.04、方案二-0.03、方案三-0.01；同時，日平均相對濕度增幅分別降低：方案一0.11%、方案二0.06%、方案三0.02%，日平均相對濕度增幅的線性擬合回歸系數(shù)同日平均氣溫降幅變化規(guī)律一致：方案一-0.11、方案二-0.06、方案三-0.02。由圖8(c)可知，在樹冠透射率為0.05～0.55的工況下，建筑周圍日平均風(fēng)速減幅略有下降(極值差0.01m/s)，方案二較方案一和方案三的風(fēng)速減幅同比增長0.01～0.02m/s，3種方案下日平均風(fēng)速減幅的線性擬合回歸系數(shù)基本持平；從方案一至方案三，氣溫降幅和相對濕度增幅的變動幅度逐漸放緩，風(fēng)速減幅基本一致。

圖8 建筑周圍日平均氣溫(a)、相對濕度(b)和風(fēng)速(c)與基礎(chǔ)工況氣象數(shù)據(jù)之間的差值

由圖9可知，方案一、二和三的建筑制冷總能耗差值變化趨勢相似，均隨樹冠透射率增加而依次降低：方案一由29.49kWh降至11.75kWh、方案二由22.58kWh降至11.48kWh、方案三由17.98kWh降至8.17kWh。樹冠透射率每增加0.1，制冷總能耗差值平均降低：方案一3.55kWh、方案二2.22kWh、方案三1.96kWh。從方案一至方案三，制冷總能耗差值降幅不斷縮小。

圖9 不同樹冠透射率工況與基礎(chǔ)工況的建筑制冷總能耗差值

綜合圖8、9可知，不同能耗模擬方案中的建筑制冷總能耗差值變動幅度與建筑周圍微氣候參數(shù)的變動幅度關(guān)聯(lián)緊密。以方案一為例，樹冠透射率從0.05提高至0.55時，氣溫降幅小幅降低0.25℃，相對濕度增幅大幅減少0.52%，風(fēng)速減幅略降0.01m/s，建筑制冷總能耗差值隨樹冠透射率增加而逐漸降低。因較低的樹冠透射率有效遮擋、吸收和反射了大部分本應(yīng)照射于建筑立面的太陽短波輻射，使太陽輻射強度在穿透樹冠時逐漸減弱，從而降低了建筑周圍氣溫；建筑周圍風(fēng)速在對應(yīng)工況下受植物枝葉摩擦和局部氣流微循環(huán)等作用，風(fēng)速減弱，但影響較??；而較低的樹冠透射率可使建筑周圍相對濕度大幅提升，加重周圍濕環(huán)境的惡化，增加潛熱負荷。樹冠透射率從0.05提高至0.55時，雖然氣溫降幅的下降趨勢小于相對濕度增幅的下降趨勢，但因低透射率帶來的低氣溫可大幅減少顯熱負荷。綜合顯熱負荷和潛熱負荷的作用效果，較低樹冠透射率的綠化工況可獲得較佳的建筑節(jié)能效果。分析不同樹冠透射率形成的微氣候及對能耗的影響可知，微氣候環(huán)境因子中，室外氣溫對能耗的影響相較于相對濕度和風(fēng)速更為敏感。

由上述分析可知，在長沙夏季濕熱氣候條件下，樹冠透射率是影響老舊小區(qū)住宅建筑制冷能耗的一個重要因素。老舊小區(qū)綠化改造時應(yīng)選擇低樹冠透射率的樹木，在改善室外熱環(huán)境的同時降低建筑能耗。18m高的6層住宅周圍適宜種植樹冠透射率可達0.05的樹木，可使住宅建筑制冷能耗日降幅最高達29.49kWh。從湖南當(dāng)?shù)貥浞N中篩選出香樟、陰香、廣玉蘭和雪松等適宜樹種，樹種詳情見表5。

表5 湖南樹種性狀表[23]

4 結(jié)論

基于GH平臺，建立了ENVI-met和EnergyPlus軟件集成耦合模擬工作流程，提出了微氣候模擬和建筑能耗模擬的耦合方法，以夏熱冬冷地區(qū)長沙市老舊小區(qū)綠化改造為例，設(shè)置了無樹工況和6種不同樹冠透射率下的3種能耗模擬方案，量化分析了不同樹冠透射率下的微氣候環(huán)境對老舊小區(qū)住宅建筑夏季制冷能耗的影響，主要結(jié)論如下。

1)不同透射率的樹冠通過對太陽短波輻射的遮擋、吸收、反射和植物的蒸騰、冷卻及對局部氣流微循環(huán)的調(diào)節(jié)等作用，使建筑各樓層周圍出現(xiàn)不同程度的降溫、增濕和減小風(fēng)速的效果，使局部微氣候隨時空推移出現(xiàn)明顯變化。其中，樹冠透射率每增加0.1，日平均氣溫降幅減少0.01～0.05℃，日平均相對濕度增幅降低0.02%～0.11%；樹冠透射率從0.05提高至0.55時，日平均風(fēng)速減幅略有下降，極值差為0.01m/s。

2)不同透射率的樹冠可改變建筑周圍微氣候，進而影響建筑能耗，不同的樹冠透射率對建筑各樓層的節(jié)能降耗作用存在差異。其中建筑上部樓層(除頂層外)較低部樓層的降耗效果更明顯，樹冠透射率越高時建筑各樓層的能耗降幅差值越小。

3)樹冠透射率每增加0.1，建筑制冷總能耗差值平均降低：方案一3.55kWh、方案二2.22kWh、方案三1.96kWh。從方案一至方案三，建筑制冷總能耗差值降幅逐漸縮小。

4)相較于相對濕度和風(fēng)速，建筑周圍氣溫對節(jié)能降耗作用更明顯。低樹冠透射率雖惡化了建筑周圍的濕環(huán)境，增加了潛熱負荷，但因低透射率形成的低氣溫可較大幅度地減少顯熱負荷，從而減少建筑制冷能耗。

5)老舊小區(qū)內(nèi)6層住宅(高18m)周圍適宜種植樹冠透射率可達0.05的樹種，例如湖南當(dāng)?shù)貥浞N香樟、陰香、廣玉蘭和雪松等，可使住宅建筑制冷能耗日降幅最高達：方案一29.49kWh、方案二22.58kWh、方案三17.98kWh。

綜上所述，老舊小區(qū)綠化改造應(yīng)選擇具有適宜樹冠透射率的樹種，以有效調(diào)節(jié)小區(qū)內(nèi)微氣候，并降低建筑能耗。

夏熱冬冷地區(qū)暑熱期長，嚴寒期短，夏季建筑制冷能耗普遍高于冬季供暖能耗，因此住宅建筑節(jié)能設(shè)計以夏季隔熱為主，兼顧冬季保溫。本文優(yōu)先選擇針對夏季不同樹冠透射率的綠化工況進行比較研究。下一步將增設(shè)冬季實驗，結(jié)合方差分析和實測數(shù)據(jù)對耦合模擬結(jié)果進行檢驗，研究不同初始條件(例如樹木高度、樹冠反射率和樹冠類型)下的綜合作用效果。本文僅研究了樹冠透射率這個植物因子，但老舊小區(qū)綠化改造的種植形式和苗木選擇有其地域性、藝術(shù)觀賞性、生態(tài)效益性和經(jīng)濟性等多方面要求。后續(xù)研究將融合更多相關(guān)學(xué)科的專業(yè)知識，建立系統(tǒng)化、多維化的住區(qū)綠化設(shè)計及改造體系，為住區(qū)綠地空間優(yōu)化設(shè)計提供更科學(xué)、更完善的指導(dǎo)與建議。

注：文中圖片均由作者繪制。