林瀚坤 肖毅強(qiáng) 朱雪梅
(1.廣東工業(yè)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 廣州 510000; 2.華南理工大學(xué)建筑學(xué)院, 廣州 510000; 3.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑與城市科學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510000)
近年來垂直綠化日漸融入高密度城市與建筑設(shè)計(jì)中,應(yīng)對(duì)城市熱島問題,提升室外熱舒適[1-2]。垂直攀援綠化利用攀援植物的生長(zhǎng)特征形成遮蔭綠屏,具有低造價(jià)、易推廣的特點(diǎn)。在濕熱地區(qū),攀援綠化遮擋太陽輻射,也具有改善熱環(huán)境的潛力[3]。建筑垂直綠化主要分為屋頂綠化與立面綠化類型,后者進(jìn)一步根據(jù)植物、基質(zhì)、構(gòu)造系統(tǒng)等特征區(qū)分為活墻系統(tǒng)(Living Wall System)與垂直攀援綠化類型(Green Fa?ade)[1]。
立面綠化在城市與建筑環(huán)境中具有熱環(huán)境調(diào)節(jié)、節(jié)能、降噪、提升生物多樣性、局部調(diào)節(jié)雨水徑流等性能[4-7]。在熱環(huán)境調(diào)節(jié)性能方面,不同氣候區(qū)背景下已開展了多樣化的實(shí)測(cè)研究,如溫帶海洋性氣候地區(qū)的綠墻實(shí)測(cè)顯示夏季綠墻對(duì)于周邊環(huán)境平均空氣溫度降幅為1.26 ℃[8];濕潤(rùn)大陸性氣候地區(qū)的實(shí)測(cè)顯示綠墻對(duì)于遮擋區(qū)域的降溫水平為1.9 ℃[9];熱帶雨林氣候區(qū)的實(shí)測(cè)顯示綠墻對(duì)前部空間溫度最大降幅達(dá)2.45 ℃[10]等。然而,針對(duì)濕熱地區(qū)夏季高溫的氣候特征,結(jié)合垂直攀援綠化的典型高溫日熱環(huán)境評(píng)估研究仍相對(duì)缺乏。
結(jié)合濕熱地區(qū)的氣候特征,建筑被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略更多地依賴于具有氣候適應(yīng)性建筑空間進(jìn)行組織,如庭院、騎樓、架空層等,為使用者提供遮陽、擋雨、通風(fēng)的過渡空間[11-16]。在應(yīng)用層面,對(duì)于過渡空間的熱環(huán)境調(diào)控手段主要有風(fēng)扇、噴霧、水池等,通過提升風(fēng)速與水體蒸騰作用形成降溫效果[13-15]。垂直攀援綠化的推廣,同樣具有增強(qiáng)遮陽與蒸騰降溫的作用,為過渡空間的熱環(huán)境改善提供了新的可能性。
在研究工具層面,針對(duì)垂直綠化與建筑相結(jié)合的熱工性能與熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用的應(yīng)用工具和研究方法,主要為基于計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamic, CFD)的風(fēng)熱環(huán)境模擬工具,如ENVI-Met、Fluent等[17-18],以及基于材料構(gòu)造熱傳遞的能耗模擬工具,如EnergyPlus、TRNSYS等[19-20]?;诓煌墓ぞ咂脚_(tái),已有相關(guān)研究工作對(duì)垂直綠化進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試與模擬驗(yàn)證工作[19-21]。然而,現(xiàn)有模擬工具的植物模型仍主要為活墻系統(tǒng)的灌木或草本植物類型,對(duì)于攀援植物葉片層的風(fēng)熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用的驗(yàn)證工作仍較為缺乏。
因此,研究聚焦?jié)駸岬貐^(qū)的垂直攀援綠化熱環(huán)境調(diào)節(jié)性能,對(duì)垂直攀援綠化建筑案例進(jìn)行熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用實(shí)測(cè)評(píng)估。在此基礎(chǔ)上,通過CFD與熱環(huán)境模擬軟件Ladybug + Honeybee開源工具的耦合計(jì)算,對(duì)典型濕熱地區(qū)建筑架空層過渡空間與綠化相結(jié)合的熱舒適調(diào)節(jié)性能進(jìn)行多工況對(duì)比模擬,以期為垂直攀援綠化的熱環(huán)境研究提供新的工具流程,為濕熱地區(qū)建筑熱舒適改善策略提供參考。
實(shí)測(cè)案例位于廣州市,建筑高度為4層,外廊外側(cè)交錯(cuò)設(shè)置了垂直攀援綠化植物,并經(jīng)歷多年生長(zhǎng),葉片層較為密集。實(shí)測(cè)選擇夏季典型高溫天(8月中旬)2天進(jìn)行,根據(jù)氣象數(shù)據(jù),廣州8月平均最低溫度為25.4 ℃,平均最高溫度為32.7 ℃(極端高溫38.0 ℃),平均溫度為28.4 ℃。本研究日間室外實(shí)測(cè)溫度范圍為29~36 ℃,日間平均溫度為32.5 ℃,屬于典型高溫天。實(shí)測(cè)兩天的天氣狀況均為晴天,無雨。測(cè)點(diǎn)位置見圖1,分別布置于室外空地(測(cè)點(diǎn)A)、垂直攀援綠化前方(測(cè)點(diǎn)B)與后方走廊(測(cè)點(diǎn)C)以及無綠化遮擋的走廊區(qū)域(測(cè)點(diǎn)D)。
a—實(shí)測(cè)建筑與綠植位置示意; b—熱環(huán)境測(cè)點(diǎn)與綠植示意。
圖2 架空空間與垂直攀援綠化的工況設(shè)置
熱環(huán)境實(shí)測(cè)工具參數(shù)與精度見表1,工具分別為HOBO溫濕度記錄儀,記錄空氣溫度(Ta)與相對(duì)濕度(RH);HD 32.3數(shù)據(jù)采集儀中,TP3276.2黑球記錄黑球溫度(Tg);AP3203熱線探頭記錄風(fēng)速(Va),頻率均為5 min。各熱環(huán)境指標(biāo)用于計(jì)算平均輻射溫度MRT與生理等效溫度PET,以表征熱舒適水平。MRT計(jì)算根據(jù)ISO 7726[22],如式(1)所示。PET值則通過慕尼黑人體能量平衡模型(Munich Energy-balance Model for Individuals, MEMI)與Rayman軟件進(jìn)行計(jì)算[23-24]。
表1 實(shí)測(cè)工具的參數(shù)與精度
(1)
式中:Tg為黑球溫度,℃;D為非標(biāo)準(zhǔn)黑球直徑,取0.05 m;μ為黑球輻射系數(shù),取0.95。
架空層是濕熱地區(qū)常見的過渡空間,已有研究對(duì)架空空間在熱環(huán)境、自然通風(fēng)潛力、人行層熱舒適條件方面的潛力進(jìn)行評(píng)估[25-26]。本試驗(yàn)基于實(shí)測(cè)建筑的建筑尺度,對(duì)架空層空間原型進(jìn)行不同垂直攀援綠化的布局工況設(shè)置,對(duì)其風(fēng)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)性能進(jìn)行測(cè)試與評(píng)估。工況類型包括無綠植(UG)、正面綠植(全遮蔽FG-1、中部遮蔽FG-2、兩側(cè)遮蔽FG-3)、縱深綠植(全縱深DG-1、50%縱深DG-2)以及貼墻綠植(全貼墻WG-1、50%貼墻WG-2)等類型,見圖 2。
CFD模擬工具為ANSYS FLUENT 16.0,建筑模型、材料屬性根據(jù)實(shí)測(cè)案例特征建立,見表2。計(jì)算網(wǎng)格精度與模型邊界條件根據(jù)日本建筑學(xué)會(huì)(AIJ)的指引進(jìn)行設(shè)定[27-28]。網(wǎng)格以Gambit軟件劃分,最小網(wǎng)格選擇0.1 m、0.2 m與0.4 m進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,選取室外地面與廊道內(nèi)外參考點(diǎn)的風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比,三種網(wǎng)格模型計(jì)算的風(fēng)速相對(duì)誤差值低于10%(表3)。
表2 CFD模型邊界條件參數(shù)(參考文獻(xiàn)[18,27,29]設(shè)定)
表3 CFD模擬網(wǎng)格無關(guān)性測(cè)試結(jié)果
考慮葉片層平均厚度為0.3 m,建筑層高為3.3 m,為充分表征模擬對(duì)象特征,用于模擬的最小網(wǎng)格設(shè)置為0.1 m,計(jì)算域外邊界最大網(wǎng)格尺寸為0.8 m,計(jì)算網(wǎng)格按1.2倍自動(dòng)過渡,形狀為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)于驗(yàn)證模型,計(jì)算域尺寸為460 m×325 m×96 m (L×W×H),見圖3。
a—CFD驗(yàn)證模型計(jì)算域邊界條件; b—CFD驗(yàn)證模型計(jì)算網(wǎng)格。
架空層CFD模型利用實(shí)測(cè)外廊建筑平面的對(duì)稱性,建立以無關(guān)面為對(duì)稱軸的測(cè)試模型,以減少模型網(wǎng)格數(shù)量,提升計(jì)算效率。計(jì)算網(wǎng)格設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)、邊界調(diào)節(jié)、計(jì)算模型等均與前述標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模型相一致。模型計(jì)算域(152 m×108 m×96 m,L×W×H)與表面網(wǎng)格見圖4。
圖4 架空建筑CFD測(cè)試模型邊界條件與計(jì)算域網(wǎng)格示意
進(jìn)風(fēng)口邊界設(shè)置為梯度風(fēng),見式(2)~(4),出風(fēng)口為自由流,計(jì)算采用RANS等式模型,湍流模型為k-ε模型[30-31]。太陽輻射采用Discrete Ordinates(DO)模型[32],地點(diǎn)設(shè)置為實(shí)測(cè)案例所在地(廣州市,經(jīng)度113.27°,緯度23.13°)。CFD模擬中的室外溫度、平均風(fēng)速邊界條件均采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)。風(fēng)速、湍流及能量平衡等均采用二階求解,對(duì)于壓力-風(fēng)速耦合采用SIMPLEC計(jì)算方式[31],各參數(shù)收斂值為10-5。CFD計(jì)算結(jié)束后,在其后處理軟件CFD-Post中進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化處理。
(2a)
(2b)
(2c)
式中:z為相對(duì)于地面的垂直高度;z0為迎風(fēng)面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙高度,取0.5 m;κ為van Karman系數(shù),取0.42;k(z)為湍流動(dòng)能;ε(z)為湍流耗散率;Cu為風(fēng)阻系數(shù),取0.09;u*為摩擦速度[19-20]。
對(duì)于垂直攀援綠化植物的葉片層,在Fluent模型中以多孔介質(zhì)進(jìn)行定義。多孔介質(zhì)網(wǎng)格區(qū)域根據(jù)實(shí)測(cè)案例進(jìn)行定義,厚度平均值為0.3 m,孔隙率取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為98.3%。多孔介質(zhì)的動(dòng)量Sui、湍流動(dòng)能Sk與湍流耗散率S參考Gromke等實(shí)測(cè)與驗(yàn)證研究確定[19-20],見式(3a)~(3c)。
Sui=-ρCdLADUiVa
(3a)
(3b)
S
(3c)
其中LAD=LAI/Δl
式中:Cd為葉片層阻力系數(shù),取0.2;LAD為葉面密度(Leaf Area Density),取1 m2/m3[18];Ui為各向風(fēng)速向量;βp為動(dòng)量,取1.0;βd為渦流系數(shù),取5.1;Cε4=Cε5=0.9為經(jīng)驗(yàn)值[19]。
CFD計(jì)算獲取溫度與風(fēng)速數(shù)據(jù),對(duì)于熱舒適評(píng)估須進(jìn)一步考慮太陽輻射、表面溫度等參數(shù)。因此,結(jié)合Rhino與Grasshopper (GH)軟件平臺(tái)的熱環(huán)境分析與模擬工具Ladybug (LB, 0.0.68) + Honeybee (HB, 0.0.65),進(jìn)一步計(jì)算測(cè)試區(qū)域的MRT與PET值,耦合計(jì)算流程見圖5。
圖5 CFD與Ladybug + Honeybee的熱舒適指標(biāo)耦合計(jì)算流程
耦合計(jì)算流程上,先在Rhino軟件中建立與CFD模擬一致的測(cè)試模型,在GH中對(duì)該計(jì)算區(qū)域劃分與CFD坐標(biāo)值相一致的計(jì)算網(wǎng)格。以LB與HB調(diào)用EnergyPlus軟件,計(jì)算模型中各位置點(diǎn)的天空角系數(shù)值(SVF)。SVF反映該測(cè)試位置點(diǎn)的暴露程度,即受太陽熱輻射影響的程度。然后,通過SVF值模擬計(jì)算不同時(shí)間段的物體表面溫度值(Ts)。根據(jù)ISO 7726標(biāo)準(zhǔn),模擬區(qū)域的MRT值可結(jié)合Ts進(jìn)行計(jì)算[22],見式(4)。
(4)
式中:εi為物體i表面的反射率;Fi為人體與物體i表面的角度系數(shù)。
在此基礎(chǔ)上,結(jié)合前期的CFD模擬結(jié)果,通過CFD-Post軟件導(dǎo)出CFD模擬測(cè)試區(qū)域1.5 m高度處Ta、Va數(shù)據(jù)及其坐標(biāo)值的數(shù)據(jù)列表,并通過LB把數(shù)據(jù)列表導(dǎo)入耦合模擬,進(jìn)一步調(diào)用LB工具中的“ThermalComfortIndices”計(jì)算器,進(jìn)行熱舒適指標(biāo)PET值的耦合計(jì)算。PET值計(jì)算結(jié)束后,在LB中進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化處理。
3.1.1熱環(huán)境指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果
兩天實(shí)測(cè)溫濕度結(jié)果(圖6a~6b,表 4)顯示,綠化區(qū)域(測(cè)點(diǎn)C)比室外(測(cè)點(diǎn)A)與開放走廊區(qū)域(測(cè)點(diǎn)D)平均Ta分別降低0.62~2.46 ℃與0.06~0.53 ℃,平均RH增加3.48%~8.42%與1.00%~1.22%;對(duì)比綠植外側(cè)(測(cè)點(diǎn)B)平均溫度降低0.1~1.21 ℃,平均RH增加1.51%~2.68 %。
a—實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù); b—實(shí)測(cè)相對(duì)濕度數(shù)據(jù); c—實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù); d—實(shí)測(cè)黑球溫度數(shù)據(jù)。
風(fēng)速結(jié)果(圖6c,表 4)顯示,測(cè)點(diǎn)C比測(cè)點(diǎn)A、測(cè)點(diǎn)D平均Va分別降低0.37~0.68 m/s與0~0.18 m/s,比測(cè)點(diǎn)B降低0.02~0.14 m/s。
黑球結(jié)果(圖 6d,表 4)顯示,測(cè)點(diǎn)C比測(cè)點(diǎn)A、測(cè)點(diǎn)D平均Tg分別降低0.58~1.98 ℃與0.37~1.73 ℃,比測(cè)點(diǎn)B降低3.9~5.03 ℃。
熱環(huán)境實(shí)測(cè)結(jié)果顯示了垂直攀援綠化的熱環(huán)境調(diào)節(jié)能力,但同時(shí)也對(duì)通風(fēng)具有一定影響。
3.1.2MRT與PET計(jì)算結(jié)果
MRT計(jì)算結(jié)果(圖7a,表4)顯示,測(cè)點(diǎn)C比測(cè)點(diǎn)A、測(cè)點(diǎn)D平均MRT降低4.59~4.81 ℃與0.58~2.74 ℃,比測(cè)點(diǎn)B降低6.34~8.59 ℃。
表4 熱環(huán)境指標(biāo)實(shí)測(cè)平均值
a—MRT計(jì)算數(shù)據(jù); b—PET計(jì)算數(shù)據(jù)(右側(cè)為PET熱舒適區(qū)間)。
PET計(jì)算結(jié)果(圖7b,表4)顯示,測(cè)點(diǎn)C比測(cè)點(diǎn)A、測(cè)點(diǎn)D平均MRT降低6.04~7.63 ℃與0.27~1.43 ℃,比測(cè)點(diǎn)B降低2.21~3.50 ℃。
結(jié)果進(jìn)一步顯示了綠植對(duì)于人體熱舒適的調(diào)節(jié)潛力。
CFD逐時(shí)模擬與實(shí)測(cè)溫度、風(fēng)速結(jié)果對(duì)比如圖8所示,結(jié)果顯示模擬結(jié)果溫度絕對(duì)誤差值為0.03~1.86 ℃(相對(duì)誤差0.1%~5.1%),風(fēng)速絕對(duì)誤差值為0~0.15 m/s(相對(duì)誤差0.6%~24.0%),通過平均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)檢驗(yàn)了測(cè)試結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的一致性(表5)。與前人的風(fēng)熱耦合流體模擬驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比[19,33],本模擬驗(yàn)證也具有效性。MRT與PET值為基于熱環(huán)境參數(shù)的計(jì)算值,因此未進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。在模擬驗(yàn)證基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)架空模型進(jìn)行多工況模擬對(duì)比。
表5 溫度與風(fēng)速的CFD模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比RMSE與MAE值
a—CFD模擬驗(yàn)證溫度逐時(shí)數(shù)據(jù)變化對(duì)比; b—CFD模擬驗(yàn)證風(fēng)速逐時(shí)數(shù)據(jù)變化對(duì)比。
橫向?qū)Ρ鹊哪M選取了實(shí)測(cè)天的外部熱環(huán)境數(shù)據(jù)平均值(平均溫度34.2 ℃,平均濕度60.8%,平均風(fēng)速1.1 m/s)作為CFD試驗(yàn)的邊界條件。
3.3.1CFD模擬結(jié)果
模擬測(cè)試(圖9~圖11)顯示,溫度結(jié)果:各模型溫度均稍有降低,降低幅度約為0.1~0.3 ℃,但正面全遮蔽綠化模型(FG-1)的平均溫度卻增加了1.8 ℃,FG-1模型的風(fēng)阻效應(yīng)削弱了蒸騰降溫作用,反而使其溫度有所增加。風(fēng)速結(jié)果:各模型風(fēng)速均略有下降,FG-1模型平均風(fēng)速約為0.2 m/s,正面綠化的其他兩模型(FG-2、FG-3)則約為2.2 m/s,縱深綠植模型(DG-1、DG-2)為2.6~2.8 m/s,貼墻綠植模型(WG-1、WG-2)與對(duì)比模型(UG)平均風(fēng)速較為接近,為3.2~3.5 m/s。
與UG模型對(duì)比,圖中正值為高于UG模型,負(fù)值為低于UG模型。
與UG模型對(duì)比,圖中正值為高于UG模型,負(fù)值為低于UG模型。
溫度與風(fēng)速沿架空層中部縱深方向的數(shù)據(jù)結(jié)果(圖12)與前述分析基本一致,FG系列模型的布局方式對(duì)溫度、風(fēng)速影響較大;DG系列對(duì)風(fēng)速影響略有降低,同時(shí)對(duì)溫度調(diào)節(jié)效果相對(duì)較好;WG系列對(duì)風(fēng)速影響較弱,對(duì)溫度調(diào)節(jié)效果與DG系列接近。
a—架空區(qū)域中軸處沿縱深方向人行高度溫度變化值; b—架空區(qū)域中軸處沿縱深方向人行高度風(fēng)速變化值。
3.3.2CFD與Ladybug + Honeybee耦合計(jì)算結(jié)果
MRT計(jì)算結(jié)果顯示(圖13a),FG-1模型MRT值最低,FG-2與FG-3模型稍次之。DG系列比WG系列模型MRT值低。與溫度模擬結(jié)果相似。另一方面,對(duì)于DG與WG系列,50%與100%綠植模型的差異較小。
a—架空區(qū)域MRT模擬結(jié)果數(shù)據(jù)箱型分布; b—架空區(qū)域PET模擬結(jié)果數(shù)據(jù)箱型分布。
MRT分布(圖14a)也顯示了FG系列模型對(duì)MRT調(diào)節(jié)效果較為明顯,DG系列模型對(duì)MRT的影響主要在綠植周邊,WG系列模型對(duì)MRT影響最小。
a—架空區(qū)域MRT模擬結(jié)果分布; b—架空區(qū)域PET模擬結(jié)果分布。
由PET計(jì)算結(jié)果(圖13b)顯示,FG-1模型平均PET值更比UG模型高0.5 ℃。FG-2、FG-3、DG與WG系列模型的PET值降幅約為0.8~1.1 ℃。
PET分布(圖14b)可較直觀看出不同綠植模式的調(diào)節(jié)效果。其中,FG-2、FG-3、DG系列模型均對(duì)架空層的熱舒適均有較為好的調(diào)節(jié)作用,WG模型的調(diào)節(jié)作用主要為靠墻區(qū)域。
綜上,從熱舒適的整體評(píng)價(jià)來看,FG-2、FG-3、DG系列模型具有較好的熱舒適調(diào)節(jié)效果。架空過渡空間具有典型穿越式通風(fēng)特征,模擬結(jié)果反映了垂直攀援綠化的布局方式對(duì)熱環(huán)境與熱舒適指標(biāo)均具有影響??v深綠植布局,局部降低了太陽熱輻射,又可保持通風(fēng)效率,促進(jìn)了蒸騰降溫作用,為較優(yōu)選擇。
基于垂直攀援綠化在高密度城市的應(yīng)用與發(fā)展,對(duì)濕熱地區(qū)的攀援綠化案例進(jìn)行了夏季典型高溫日的實(shí)測(cè)研究,討論了攀援綠化對(duì)于半戶外空間的熱環(huán)境與熱舒適調(diào)節(jié)作用。進(jìn)而,結(jié)合CFD與Ladybug + Honeybee工具,對(duì)典型架空過渡空間與攀援綠化的組合進(jìn)行了耦合模擬測(cè)試。主要結(jié)論如下:
1) 實(shí)測(cè)顯示攀援綠化測(cè)點(diǎn)比無綠化廊道測(cè)點(diǎn)平均溫度降低0.06~0.53 ℃,黑球溫度降低0.37~1.73 ℃,風(fēng)速降低0~0.18 m/s,MRT降低0.58~2.74 ℃,PET降低0.27~1.43 ℃。
2) 架空層CFD模擬結(jié)果顯示,除了FG-1模型,其他各模型溫度均稍有降低,降低幅度為0.1~0.3 ℃。
3) FG-2、FG-3模型風(fēng)速降幅約為1.3 m/s,DG系列模型風(fēng)速降幅約為0.8 m/s。
4) 耦合模擬結(jié)果顯示,FG-2、FG-3、DG與WG系列模型的PET值降幅約為0.8~1.1 ℃,進(jìn)而,FG-2、FG-3、DG系列對(duì)空間整體PET調(diào)節(jié)較好,為較優(yōu)的布局選項(xiàng)。
本試驗(yàn)顯示了濕熱地區(qū)垂直攀援綠化的降溫、降低太陽熱輻射的潛力,也反映了綠植對(duì)于風(fēng)環(huán)境具有一定影響,需結(jié)合具體建筑空間環(huán)境特征進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。