肖 敏

李翰宇

张晓烽

近年来，城市热岛效应(UHI)日趋严重，对城市气候、能源消耗等方面产生了极为严重的负面影响。2013—2020年的气象数据研究表明，长沙市炎热季节从6月初—9月中旬，平均持续时长达3.3个月，日平均高温超28℃；全年较闷热时段从4月末—10月中旬，持续5.7个月，期间至少有25%的时间湿度舒适水平表现为闷热难受或极为难受。不断恶化的室外热湿环境加剧了城市居民对空调的依赖，夏热冬冷地区，住宅建筑夏季空调制冷能耗需求逐年攀升，空调耗电量已达我国总耗电量的29%[1]。研究发现，中国建筑运行能耗约占全国能源消费总量的21.7%，其中城镇住宅能耗达建筑运行能耗总量的38%。基准情境下，建筑运行能耗总体呈逐年上升趋势，建筑碳达峰时间远落后于中国拟实现碳达峰时间[2]，严重阻碍了碳达峰和碳中和目标的实现。因此，降低建筑运行能耗、实现低碳绿色发展已刻不容缓。

当前我国已从新城建设转向旧城更新时代，老旧小区提质改造亦成为城市更新的重点内容。近年来各地政府推出的若干城镇老旧小区改造指导意见和技术标准中，大多通过增加绿化面积和植物群落数量、加设屋顶绿化、增加垂直绿化和乔灌草复合绿化等定性方式来改善住区微气候和提升整体绿化品质，缺少与绿化改造相关的定量指标[3-5]。

现有研究发现，绿化在改善建筑周围微气候和降低建筑制冷能耗方面极具潜力。恩瓦凯尔(Nwakaire)等[6]发现，城市绿化设计是可持续的UHI缓解策略。斯克霍恩(Skelhorn)等[7]表示，在城市中增加5%的成熟树种可使UHI峰值降低1℃，7月建筑制冷能耗减少2.7%。阿波利塔(Aboelata)[8]研究表明，场地绿化率为70%的草地可有效降低纵横比(H/W)1:1街道的气温和建筑能源需求。丘克(Tsoka)等[9]发现，当树木形成连续遮阴时，建筑节能率可高达54%。莫拉基诺(Morakinyo)[10]和彭(Peng)[11]等的实验均表明，建筑周围种植植物可改善夏季建筑室内外热环境，并大幅降低建筑制冷能耗。伊萨贝尔(Isabelle)等[12]的研究表明，植物树冠透射率越高，蒸散量越多，蒸腾作用越强。王(Wang)等[13]通过辐射视野因素的敏感性测试验证了树冠透射率在改变辐射交换中的重要性，树木可通过遮蔽和蒸腾作用来降低地面和建筑立面的净辐射和日间气温。

由上述分析可知，科学规划布局的绿化配置可有效缓解夏季UHI；树冠透射率可显著改变建筑周围的微气候，进而降低建筑制冷能耗。为定量评价和预测老旧小区绿化改造对改善建筑周围微气候和降低建筑能耗的综合效果，需建立一种集成微气候和建筑能耗影响于一体的协同工作流。目前，微气候和建筑能耗耦合模拟工作至少需要利用3种不同的软件(2种不同性能软件和1种耦合平台软件)重复构建同一形态模型，还需处理软件间庞杂的模拟数据，耦合模拟工作操作不便且流程烦琐[14-15]。

因此，本文利用Grasshopper(以下简称GH)平台对各类软件的兼容拓展能力，集成微气候软件ENVI-met和建筑能耗软件EnergyPlus的模拟计算内核。在该平台内运用Morpho插件对老旧小区微气候进行仿真模拟，提取目标建筑周围的气温、相对湿度和风速风向数据作为能耗模拟的外部气象边界条件，输入到Ladybug和Honeybee插件中进行建筑能耗模拟，以实现基于同一平台耦合2类不同性能模拟算法的研究目标。并以长沙市典型老旧小区为研究对象，量化评判和预测不同树冠透射率的绿化工况对老旧小区微气候和建筑能耗的综合影响。所提出的耦合模拟方法具有通用性，其适用范围不受限于本文案例，可模拟分析不同类型的建筑设计和园林景观规划方案，从物理环境视角为城市建设和景观绿化设计及改造更新提供理论依据和实践指导。

1 研究方法

1.1 数值模拟软件

采用Morpho插件的模拟引擎ENVImet(4.4.5版)仿真分析区域内的室外微气候，采用Honeybee插件的模拟引擎EnergyPlus(9.3版)建模分析区域内的建筑能耗，所用插件见表1。ENVI-met植物模型可准确模拟室外环境中植物的蒸腾作用、叶片温度变化，以及大气和植物之间的热量及水汽交换等生理特性[16]。树冠透射率(树冠形状和枝叶的综合效果)可通过吸收、反射和遮挡方式影响建筑接收的太阳短波辐射和长波辐射[17]。ENVI-met可通过设置叶面积密度和树冠透射率的方式定义植物模型，而EnergyPlus仅可通过拟定树冠透射率来定义植物模型。故为协同2类模拟算法，采用设置树冠透射率的方式自定义ENVI-met植物模型。在ENVI-met中选取EPW(EnergyPlus Weather)文件中典型气象年的气象数据作为研究区域内的背景气象数据。EPW气象数据多是在城郊或机场气象站中观测所得，因其未考虑特定区域的局部微气候，故采用传统EPW文件的建筑能耗模拟结果并不准确[18]。为突破此限制，在GH平台内将ENVI-met建筑周围微气候的模拟结果生成新的EPW文件，输入到EnergyPlus中作为能耗模拟的外部气象边界条件，以提高能耗模拟的准确性。

表1 Ladybug/Honeybee/Morpho插件

1.2 ENVI-met和EnergyPlus软件集成耦合模拟流程

图1为本文提出的集成耦合模拟框架。基于网格化模型的ENVI-met在进行数值模拟时，每个网格是一个计算单元，而EnergyPlus内每一建筑构件为一个计算单元。故向EnergyPlus传递建筑周围微气候数据时，为兼容这2类不同的计算单元，需要定义一个基本耦合单元，如图2所示，以一栋6层建筑为例说明其定义：将首层4个建筑外立面定义为一个基本耦合单元，同一耦合单元内的所有建筑构件赋予相同的微气候数据。提取ENVI-met生成的建筑首层外立面周围网格单元的微气候数据(如风速、风向、空气温度和相对湿度)，取平均值后替换城郊EPW文件中对应的气象数据，生成新的EPW文件，再传递给EnergyPlus进行能耗模拟。除顶层外，其余层类推。顶层除4个建筑外立面外还包括屋面的基本耦合单元，故取平均值时应囊括临近屋面周围网格单元的微气候数据。GH平台内ENVImet和EnergyPlus软件耦合模拟详细流程如图3所示。

图1 集成耦合模拟框架

图2 ENVI-met和EnergyPlus耦合基本单元示意图

图3 ENVI-met和EnergyPlus软件集成耦合模拟流程

2 案例研究

2.1 案例说明

选取长沙市行列式布局的典型老旧小区，地块规划布局如图4所示，目标建筑尺寸如图2所示。ENVI-met模拟设计日的背景气象数据采用长沙市城郊EPW文件，其典型气象年的日平均气温最高值在7月3日，主要天气特征为：高温(日平均气温33.2℃)、高湿(平均相对湿度66.1%)、轻风(平均风速2.6m/s)、太阳辐射强烈(平均太阳辐射强度306.3Wh/m2)，故选取该日为模拟设计日。

图4 规划布局示例

2.2 不同树冠透射率的绿化工况模拟

通过对长沙市老旧小区树冠透射率的实测和相关文献研究[19]，在常见的树冠透射率(0.05～0.55)范围内设置6种不同树冠透射率的绿化工况和1种无树基础工况进行对比实验，评估树冠透射率对改善建筑周围微气候和降低建筑能耗的综合作用。ENVI-met和EnergyPlus的模拟参数设置见表2～4。

表2 ENVI-met模拟参数设置

3 结果与分析

3.1 ENVI-met模拟分析

3.1.1 基础工况

无树基础工况下，建筑各楼层周围气温、相对湿度和风速如图5所示，气温和相对湿度的曲线走势为相反的波谷波峰形态，呈现低温高湿和高温低湿现象。因该地块日间太阳辐射强烈，地块内储存的热量在午后和夜间持续释放，形成明显的热岛效应。1～6层建筑周围气温较背景气温日平均增加0.45～0.49℃，其中0：00—5：00和14：00—24：00时段的建筑周围气温较背景气温平均增加0.76～0.80℃，而6：00—13：00时段平均降低0.61～0.67℃。除9：00—22：00时段的1层与13：00—15：00时段和18：00的2层，因受日间太阳辐射、温度和风速等因素的影响使得建筑周围的土壤水分蒸发，导致建筑周围相对湿度稍高于背景气象相对湿度外，其他各楼层因受“城市干岛”影响，建筑周围相对湿度均低于背景气象相对湿度。其中1～6层建筑周围日平均相对湿度较背景气象相对湿度低0.91%～15.50%；且楼层越高，建筑周围相对湿度越低。1～6层建筑周围日平均风速较背景气象风速低0.41～1.39m/s，可见建筑周围风速在城市冠层内受到密集建筑物的影响会显著减小；且建筑楼层越低，风速受建筑物和粗糙下垫面的影响越强烈，对建筑周围风速的削弱作用越明显。

图5 无树基础工况下建筑各楼层周围气温、相对湿度和风速模拟结果

表3 EnergyPlus模拟参数设置

表4 建筑围护结构构造

3.1.2 不同树冠透射率的绿化工况

根据老旧小区内的绿化现状，预设6种不同树冠透射率的绿化工况进行ENVI-met微气候模拟，如表2所示。由图6(a)可知，1～6层建筑周围日平均气温减幅呈先依次递升达顶层后骤降趋势。其中建筑5层周围日平均气温减幅最大(最大值0.63℃)，1层最小(最小值0.18℃)；6层因屋面大面积吸收太阳辐射热，周围日平均气温降幅较5层略有下降。树冠透射率越高，太阳短波辐射的吸收和反射量越少，建筑立面接收的太阳辐射越强，建筑周围日平均气温减幅越小。图6(b)中，1～6层建筑周围日平均相对湿度增幅呈递次升高态势，6层周围日平均相对湿度增幅最大(最大值4.36%)，1层最小(最小值0.18%)；且树冠透射率越高，建筑周围日平均相对湿度增幅越小。图6(c)中，1～6层建筑周围日平均风速减幅呈先逐层递升达顶层后突降趋势，建筑楼层越接近树冠中心，减速作用越明显。5层周围日平均风速减幅最大(最大值0.88m/s)，1层最小(最小值-0.02m/s)。不同树冠透射率工况下建筑周围日平均风速减幅相差不大(仅0.01m/s)。因此，树冠透射率会影响建筑周围局部微气候的空间分布，会出现不同程度的降温增湿效果，但对风力的减速作用不明显。

3.2 EnergyPlus模拟分析

基础工况与不同绿化工况下的各层建筑制冷能耗差值如图7所示。从方案一至方案三，1层建筑能耗差值较2层有小幅提升。这是因为：1层紧邻地表，土壤层有一定的恒温调湿作用，改善了室内的热湿环境，且建筑底层接收的太阳辐射较少，降低了建筑能耗。尽管顶层周围气温降幅不小，但因屋面接收的太阳短波辐射范围最广且强度最高，故6层的建筑能耗差值与其他层相比最小。2～5层建筑能耗差值依次提升，越接近树冠中心处，气温降幅越明显，建筑能耗差值越高。结合图6可知，以方案一为例，5层相对湿度增幅较4层高1.09%～1.14%，潜热负荷增加；但因5层气温降幅较4层高0.02～0.05℃，显热负荷降低，显热负荷减少量较潜热负荷增加量相对更多。综合2类因素的结果可以得出，5层总冷负荷较4层低，故1～6层中5层建筑能耗差值最大。方案三与方案一的分析结果相似。而方案二中，5层增加的潜热负荷大于其降低的显热负荷，因此5层总冷负荷较4层高，故4层为1～6层中建筑能耗差值的最大值。由此可见，树冠透射率大小会影响各层建筑能耗，其中建筑上部楼层(除顶层外)较低部楼层的降耗效果更明显，树冠透射率越高时各层建筑能耗降幅差值越小。

图6 建筑各楼层周围日平均气温(a)、相对湿度(b)和风速(c)与基础工况气象数据之间的差值

由图8(a)和(b)可知，在树冠透射率为0.05～0.55的工况下，建筑周围日平均气温降幅和相对湿度增幅随树冠透射率增加而显著下降。树冠透射率每增加0.1，日平均气温降幅分别减少：方案一0.05℃、方案二0.03℃、方案三0.01℃，日平均气温降幅的线性拟合回归系数逐步提高：方案一-0.04、方案二-0.03、方案三-0.01；同时，日平均相对湿度增幅分别降低：方案一0.11%、方案二0.06%、方案三0.02%，日平均相对湿度增幅的线性拟合回归系数同日平均气温降幅变化规律一致：方案一-0.11、方案二-0.06、方案三-0.02。由图8(c)可知，在树冠透射率为0.05～0.55的工况下，建筑周围日平均风速减幅略有下降(极值差0.01m/s)，方案二较方案一和方案三的风速减幅同比增长0.01～0.02m/s，3种方案下日平均风速减幅的线性拟合回归系数基本持平；从方案一至方案三，气温降幅和相对湿度增幅的变动幅度逐渐放缓，风速减幅基本一致。

图8 建筑周围日平均气温(a)、相对湿度(b)和风速(c)与基础工况气象数据之间的差值

由图9可知，方案一、二和三的建筑制冷总能耗差值变化趋势相似，均随树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。树冠透射率每增加0.1，制冷总能耗差值平均降低：方案一3.55kWh、方案二2.22kWh、方案三1.96kWh。从方案一至方案三，制冷总能耗差值降幅不断缩小。

图9 不同树冠透射率工况与基础工况的建筑制冷总能耗差值

综合图8、9可知，不同能耗模拟方案中的建筑制冷总能耗差值变动幅度与建筑周围微气候参数的变动幅度关联紧密。以方案一为例，树冠透射率从0.05提高至0.55时，气温降幅小幅降低0.25℃，相对湿度增幅大幅减少0.52%，风速减幅略降0.01m/s，建筑制冷总能耗差值随树冠透射率增加而逐渐降低。因较低的树冠透射率有效遮挡、吸收和反射了大部分本应照射于建筑立面的太阳短波辐射，使太阳辐射强度在穿透树冠时逐渐减弱，从而降低了建筑周围气温；建筑周围风速在对应工况下受植物枝叶摩擦和局部气流微循环等作用，风速减弱，但影响较小；而较低的树冠透射率可使建筑周围相对湿度大幅提升，加重周围湿环境的恶化，增加潜热负荷。树冠透射率从0.05提高至0.55时，虽然气温降幅的下降趋势小于相对湿度增幅的下降趋势，但因低透射率带来的低气温可大幅减少显热负荷。综合显热负荷和潜热负荷的作用效果，较低树冠透射率的绿化工况可获得较佳的建筑节能效果。分析不同树冠透射率形成的微气候及对能耗的影响可知，微气候环境因子中，室外气温对能耗的影响相较于相对湿度和风速更为敏感。

由上述分析可知，在长沙夏季湿热气候条件下，树冠透射率是影响老旧小区住宅建筑制冷能耗的一个重要因素。老旧小区绿化改造时应选择低树冠透射率的树木，在改善室外热环境的同时降低建筑能耗。18m高的6层住宅周围适宜种植树冠透射率可达0.05的树木，可使住宅建筑制冷能耗日降幅最高达29.49kWh。从湖南当地树种中筛选出香樟、阴香、广玉兰和雪松等适宜树种，树种详情见表5。

表5 湖南树种性状表[23]

4 结论

基于GH平台，建立了ENVI-met和EnergyPlus软件集成耦合模拟工作流程，提出了微气候模拟和建筑能耗模拟的耦合方法，以夏热冬冷地区长沙市老旧小区绿化改造为例，设置了无树工况和6种不同树冠透射率下的3种能耗模拟方案，量化分析了不同树冠透射率下的微气候环境对老旧小区住宅建筑夏季制冷能耗的影响，主要结论如下。

1)不同透射率的树冠通过对太阳短波辐射的遮挡、吸收、反射和植物的蒸腾、冷却及对局部气流微循环的调节等作用，使建筑各楼层周围出现不同程度的降温、增湿和减小风速的效果，使局部微气候随时空推移出现明显变化。其中，树冠透射率每增加0.1，日平均气温降幅减少0.01～0.05℃，日平均相对湿度增幅降低0.02%～0.11%；树冠透射率从0.05提高至0.55时，日平均风速减幅略有下降，极值差为0.01m/s。

2)不同透射率的树冠可改变建筑周围微气候，进而影响建筑能耗，不同的树冠透射率对建筑各楼层的节能降耗作用存在差异。其中建筑上部楼层(除顶层外)较低部楼层的降耗效果更明显，树冠透射率越高时建筑各楼层的能耗降幅差值越小。

3)树冠透射率每增加0.1，建筑制冷总能耗差值平均降低：方案一3.55kWh、方案二2.22kWh、方案三1.96kWh。从方案一至方案三，建筑制冷总能耗差值降幅逐渐缩小。

4)相较于相对湿度和风速，建筑周围气温对节能降耗作用更明显。低树冠透射率虽恶化了建筑周围的湿环境，增加了潜热负荷，但因低透射率形成的低气温可较大幅度地减少显热负荷，从而减少建筑制冷能耗。

5)老旧小区内6层住宅(高18m)周围适宜种植树冠透射率可达0.05的树种，例如湖南当地树种香樟、阴香、广玉兰和雪松等，可使住宅建筑制冷能耗日降幅最高达：方案一29.49kWh、方案二22.58kWh、方案三17.98kWh。

综上所述，老旧小区绿化改造应选择具有适宜树冠透射率的树种，以有效调节小区内微气候，并降低建筑能耗。

夏热冬冷地区暑热期长，严寒期短，夏季建筑制冷能耗普遍高于冬季供暖能耗，因此住宅建筑节能设计以夏季隔热为主，兼顾冬季保温。本文优先选择针对夏季不同树冠透射率的绿化工况进行比较研究。下一步将增设冬季实验，结合方差分析和实测数据对耦合模拟结果进行检验，研究不同初始条件(例如树木高度、树冠反射率和树冠类型)下的综合作用效果。本文仅研究了树冠透射率这个植物因子，但老旧小区绿化改造的种植形式和苗木选择有其地域性、艺术观赏性、生态效益性和经济性等多方面要求。后续研究将融合更多相关学科的专业知识，建立系统化、多维化的住区绿化设计及改造体系，为住区绿地空间优化设计提供更科学、更完善的指导与建议。

注：文中图片均由作者绘制。