陈 宇 李骄娴 宋双双 邹林海

南京市屋顶绿化室外热环境研究∗

陈 宇 李骄娴 宋双双 邹林海

南京农业大学园艺学院 南京 210095

基于南京夏季气候条件,探讨屋顶绿化对城市热环境的影响,对改善城市热岛效应,提高城市热环境舒适度有重要作用。研究运用ENVI￣met模拟技术方法,基于屋顶绿化的相对温度和相对湿度的变化情况,探讨屋顶绿化与城市热环境舒适度的关系结合不同植物配置类型条件下屋顶室外热环境的变化,分析屋顶绿化植物选择与配置布局的优化方法。

屋顶绿化,热环境,ENVI￣met,南京市

快速的城市化进程带来一系列生态问题,城市密集建设造成的城市热岛效应正一步步影响人们生活,使得城市住区的热环境研究逐渐提上议程。屋顶绿化因其与建筑密不可分的联系,能够为日益减少的城市绿地提供一种新型的具有创造力的绿化方式,同时在改善城市生态环境、调节城区气候与建筑节能方面也有其独特优势。南京市作为特大城市发展屋顶绿化,能有效地缓解热岛效应、美化城市生态景观,符合山水城林的建设要求,具有重要的生态、经济和社会效益。目前,关于屋顶绿化热环境的研究大多是对屋顶绿化降温增湿生态效益的延伸,其中对屋顶绿化热环境的分析与模拟尚有欠缺。以往对热环境的研究多采用现场实地分析方法,这种方法需要大量的人力、物力和资金投入[1－2],并且在实验过程中会不间断受到外界干扰,不易获得连续分布的气象格点数据[3]。因此结合微气候模拟软件对实测数据进行模拟分析,具有一定的研究优势。

本文选取ENVI￣met模拟分析软件,通过与现场实测数据进行比对,结合ENVI￣met软件的可视化表达[4],对城市屋顶绿化室外热环境的影响进行分析和评估。同时设定3种不同植物配置模式的绿化屋顶与一个无绿化屋顶作为实验观测样地,比较城市中屋顶绿化植物配置模式对区域热环境的影响。

1 调查对象与方法

1.1 研究地概况

2016年8月,选取南京市仙林区紫东创意园3栋不同绿化屋顶作为观测样地,根据试验地现状,分为“乔－灌－草”“灌－草”和草坪式3种不同的植物配置类型。并设置无绿化屋顶作为对照组(表1)。

表1 3种植物配置模式屋顶详表

1.2 研究方法

2016年8月选择晴好高温无风的天气连续观测3 d(8月16—18日),数据采集时间为9∶00—18∶00,试验分别于“乔－灌－草”“灌－草”和草坪3个类型屋顶设定3个观测点,并设置无绿化屋顶作为对照组(CK)。空气温、湿度测量采用空气湿度和温度测量仪(型号为Testo 610),其具有稳定的湿度传感器,温度量程为－10℃~50℃,精度为±0.5℃,分辨率为0.1℃,湿度量程为0~100%RH,精度为±2.5% RH,分辨率为0.1%RH。测量时每隔1 h手动记录,每天记录10个时间点。

1.3 数据处理统计

采用Microsoft Excel和SPSS 19.0软件。对实测屋顶温、湿度数据进行整理归纳,用统计软件进行进一步比对梳理。

2 屋顶绿化温湿度分析

2.1 不同类型屋顶绿化空气温度日变化

不同类型屋顶绿化的空气温度日变化如图1所示,观测结果表明,3种植物配置类型屋顶气温均低于对照(CK)气温,且在降温程度上存在一定的差异性。在9∶00—18∶00的观测时间段内,平均气温“乔－灌－草”(37.57℃)<“灌－草”(39.09℃)<草坪(39.87℃)<对照(41.41℃)与对照无绿化屋顶相比,全天平均降温幅度“乔－灌－草”(3.84℃)>“灌－草”(2.32℃)>草坪(1.54℃),研究表明“乔－灌－草”植物配置模式的绿化屋顶拥有最佳的降温效应[5]。

数据表明,对照点的气温远高于绿地中的气温,且随时间变化而逐渐升高,在12∶00之后达到峰值后呈现先降低后升高的趋势,于14∶00之后到达第2峰值,之后呈下降趋势,气温变化差异较大“乔－灌－草”“灌－草”这2种植物配置模式下气温在15∶00—18∶00变化波动较小草坪绿地在12点之后温度明显高于其他绿地,表明草坪绿地在缓解外界热环境变化上的作用相对较小。

2.2 不同类型屋顶绿化空气相对湿度日变化

不同类型屋顶绿化的空气湿度日变化如图2所示。观测结果表明,无绿化屋顶的空气湿度远低于其他3类绿化屋顶的实测空气湿度,说明屋顶绿化对增加空气湿度有一定作用。湿度在9∶00—18∶00的观测时间段内,平均空气相对湿度“乔－灌－草”(61.46%)>“灌－草”(58.17%)>草坪(55.54%) >对照(38.82%)与对照组相比,增湿幅度“乔－灌－草”(22.64%)>“灌－草”(19.35%)>草坪(16.72%)。可以看出“乔－灌－草”类型屋顶绿化拥有较好的增湿效果,其次,增湿效果较好的为“灌－草”类型屋顶绿化。

图1 各屋顶空气温度折线图

图2 各屋顶空气湿度折线图

3 模拟比较

在对屋顶绿化的温湿度环境进行实测分析之后,运用ENVI￣met软件进行与实测数据的同步模拟比对。

3.1 环境建模

Envi￣met软件是采用三维非流体静力学模型,专门用来模拟城市环境中构筑物表面－植被－空气的相互关系。它的水平解析度为0.5~10 m,时间步长最大为10 s,时间量级为24~48 h,可用来模拟中小尺度环境下的一系列热环境效应[6]。本文选取南京市紫东创意园“乔－灌－草”屋顶绿化F3栋进行EN￣VI￣met建模。屋顶绿化配置模式是“小乔木－灌木－草”的花园式屋顶。为了更好地验证模型,将草坪设定为0.2 m高,灌木设定为0.8 m高,小乔木设定为2.0 m高。将屋顶绿化内道路设定为大理石材质,周边的非绿化屋面设定为软件默认的建筑材质[4]。屋顶绿化的面积约为900 m2,东西长约32 m,南北宽约33 m,建筑高度约18 m。

根据计算流体力学CFD软件常用的方法来确定模拟计算区域:将区域的长度设定为地块最大长度的3倍区域的宽度设定为地块最大宽度的3倍区域的高度设定为最高建筑物高度的3倍[7－8]。

3.2 条件配置

建模之后,将模型导入Configuration Wizard中进行初始条件设置。日期选择为2016年8月16日,初始温度为20℃,2 m高度处的相对湿度为60%, 10 m高度处的风速为3 m/s,风向为南风,模拟时间从早上9点到下午18点,共9 h。

3.3 计算模拟

设置好初始条件之后,开始进行微气候模拟。选择模拟网络100×100×80进行模拟运算。这一阶段耗费时间较长,模拟结束之后的输出文件是一系列关于样地大气环境、建筑、植被、地表材料等的文件夹。

3.4 结果分析

使用LEONARDO 2014 Visiualize进行结果显示,在Data Navigator中导入计算结构,选择要显示的温度、湿度、风速等,点击Extract 2D查看相应结果。本文选择了上午11点的温度模拟图与下午15点的湿度模拟图以及与模拟叠加图作为参考对比(图3、图4、图5、图6)。

图3 11点温度模拟图

图4 11点温度模拟与模拟叠加图

图5 15点湿度模拟图

图6 15点湿度模拟与模拟叠加图

将模拟时刻的温湿度与现状模型作比较,发现在种植有小乔木与小灌木的区域比单独的草坪区域拥有更好的降温增湿效益,小乔木在一定区域内对水平方向的影响范围较大,这可能是由于植物自身的遮蔽性所造成的,通常也与植物的生长特性有关。Envi￣met软件的可视化图像能更加直观地用色块的差异将温湿度差异表达出来,通过模拟与现状的对比,展现在同一环境下不同植物布局对相应区域内温湿度的影响。软件模拟数据对屋顶绿化热环境有一定参考作用,而不论是实测还是模拟数据都表明:植物较为密集的绿化区域所呈现出的降温增湿效应更为明显。

图7 空气温度的实测与模拟数据对比

在LEONARDO 2014中可以得出各坐标点的温湿度模拟数据,将模拟数值与实测数值比较得到图7、图8数据[以实测点对应的网格图坐标点(23,20)为例]。

图8 空气湿度的实测与模拟数据对比

从图7、图8可以看出,实测数据随时间变化呈现不同的数据波动,受周围环境的影响比较大模拟结果的温度均低于实测温度,这可能是由于温湿度计实际测量的空气温度及风速均为瞬时值,而Envi￣met软件所模拟出来的数值是一段时间内和一定空间内的平均结果[4]。除几个拐点之外,实测数据与模拟数据基本保持一致。

4 结论与讨论

1)通过比较不同类型屋顶绿化对屋顶温度的影响可知:“灌－草”、草坪2种类型的屋顶温度日变化动态基本呈“单峰”分布,均在12∶00左右达最大值在观测时间段内“乔－灌－草”“灌－草”和草坪的平均降温率幅度分别是9.27%、5.60%和3.71%,“乔－灌－草”模式的屋顶绿化降温率约为草坪的3倍左右。

2)通过比较不同类型屋顶绿化对屋顶湿度的影响可知:3种类型屋顶湿度日变化动态均呈现出先降低后升高的分布趋势,并存在不同的变化趋势,最低值均出现在下午12∶00—15∶00区段中在观测时间段内乔－灌－草、灌－草、草坪的屋顶绿化的平均增湿效应幅度分别是58.32%、49.85%、43.07%,乔－灌－草屋顶绿化增湿效应达草坪屋顶绿化1.3倍左右。

3)绿化屋顶的降温、增湿效应均高于未绿化屋顶,“乔－灌－草”式屋顶绿化的降温效应明显高于草坪式屋顶绿化,其中“灌－草”式屋顶绿化的增湿效应更为显著。绿化屋顶外表面平均温度与无绿化屋顶外表面平均温度相比,两者相关性较高,且差异明显。屋顶绿化一定程度上降低了室内外温度差异,削减了人体的不舒适性,起到明显降温作用。

4)在实测与模拟条件下,对屋顶绿化室外热环境影响呈正相关性的都是植物对温湿度的影响,且不同植物配置、不同植物类型也会引起温湿度变化差异。从得到的可视化表达软件模拟图中可以看出,软件模拟的数据与实测数据相比确实有正相关性,屋顶绿化对其周边水平及垂直方向的影响范围可以达到2 m左右,且拥有较大的温湿度影响范围(如图3),模拟的屋顶绿化降温平均达到2℃左右,较实测数据偏低。

[1]曾巧楠,吴学谦,陈志骏,等.绿化对住宅小区热环境的影响研究进展[J].中国园艺文摘,2016,32(2):67－70.

[2]秦文翠,胡聃,李元征,等.基于ENVI￣met的北京典型住宅区微气候数值模拟分析[J].气象与环境学报,2015,31(3):56－61.

[3]秦文翠.街区尺度上的城市微气候数据模拟研究[D].重庆:西南大学,2015.

[4]李月鹏.深圳市屋顶绿化对室外热环境的影响研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.

[5]吴志能,陈祥,冯义龙.重庆花园式屋顶绿化生态效益的初步研究[J].南方农业,2013,7(11):1－4.

[6]王娜.严寒地区住区组团微气候研究[D].沈阳:沈阳建筑大学,2012.

[7]王晶.基于风环境的深圳市滨河街区建筑布局策略研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012.

[8]彭扬华,张晓霞,张园琴.建筑师眼中的城市绿化:屋顶绿化[J].中国城市林业,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年江苏省农业科技自主创新项目“基于休闲创意农业的植物景观配置方法技术研究与应用”

陈宇(1975－),女,博士,副教授,研究方向为植物造景与运用,E－mail:qomoo＠163.com