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基于城市冠层尺度的绿色围护结构热行为细节研究：

上海地区的一个案例分析

何杨，杭宇，AkihitoOzaki，董楠楠，郑士林

同济大学机械工程学院HVAC＆GAS研究所，中国上海

日本福冈九州大学人类环境研究学院

同济大学建筑与城市规划学院景观研究室，中国上海

同济大学建筑与城市规划学院建筑系，中国上海

摘 要

作为一个历史悠久的建筑组件，绿色围护结构在过去几十年中因其热量和能量的好处而备受关注。然而，在热性能评估过程中，很少有研究考虑绿色围护结构对室内和室外环境的双向影响。在本文中，绿色围护结构的耦合湿热传递模型被开发并通过现场测量进行验证，结果表明该模型可合理再现绿色围护结构中温度和湿度的时间变化。然后本文将绿色围护结构模型引入城市冠层模型，预测上海地区城市冠层环境下的热力性能。对一个办公大楼区域的模拟表明，绿色围护结构显著降低了进入室内和室外空间的显热，并且在自由浮动条件下，具有和不具有绿色围护结构的建筑物之间的最大室内温差高达0.34℃。同时，对于室外环境，在空调条件下，空气温度，平均辐射温度和SET *的最大差异分别高达0.1，0.9和0.2℃。更重要的是，敏感性分析表明，建筑密度对绿色围护结构相对于普通围护结构的相对冷却效益具有显著影响。

关键词：绿色围护结构 湿热传递模型 城市冠层

1.介绍

随着近几十年经济的快速发展，大量人口从农村流入城市，城市越来越大。为了避免城市扩张，许多国家采用发展高密度城市的战略。一方面这一策略有助于缓解公共设施的流动压力，提高公共设施的运营效率，但另一方面也会导致热岛效应的风险增加，进而增加空调的能源需求。根据Oke等人的研究，影响局部热环境的因素很多，如辐射俘获，避风，表层蒸发减少，显热储存和人为放热等。由于测量和不可控制的条件（如土地覆盖模式和天气数据）的限制，实验不足以对机制进行详细分析这些物理现象。在此背景下，随着计算技术的迅速发展，各种数值工具已经被开发出来，并且具有不同程度的简化。经实测数据验证后，这些工具可用于预测室外气候参数，评估对策措施对降低建筑能耗和城市热岛效应的有效性。

前面提到的常用数值工具主要分为能量平衡模型（也称为城市冠层模型或UCM）和计算流体动力学模型（CFO模型）两大类。对于能量平衡模型，所有表面和控制体积都被视为相互连接的电气节点。通过求解上述节点的能量和水分方程矩阵，可以快速获得城市冠层的温度和相对湿度分布。 根据城市冠层的垂直结构表示，目前的UCM可以分为单层模型和多层模型。单层UCM将城市街谷和城墙视为一层和一个表面，而多层UCM则考虑垂直异质性并表示。

命名法

希腊的符号

标

墙壁是由多层表面组成的，考虑到城市街谷中所有建筑物的几何结构和热力性质的复杂性，UCM通常会取代真正的建筑物与类似建筑物的同质柱。此外，UCM模型中的速度场计算也被简化，经常使用风速剖面或一维阻力方程[2]。CFO模型同时解决了目标区域内的所有控制方程，包括质量守恒，动量，能量，物种和湍流。由于较高的计算成本和无与伦比的空间和时间分辨率，CFO模拟通常以台面尺度和微尺度进行。对于台面尺度模拟，城市冠层被简化为具有平均粗糙度长度，反照率和湿热特性的平板。尽管这种处理被广泛使用，但冠层内的详细数量不可用。相反，微观CFO模拟考虑了复杂的建筑物几何形状以及表面与当地环境之间的各种相互作用。但由于模拟时间和计算机负荷的限制，通常不考虑城市冠层以上的行星边界层。相反，对边界条件作了若干假设，如对数律或幂律风剖面。

鉴于上述模型的缺点和优势，最近已经实施了各种类型的集成以覆盖更多的物理现象并提高了模拟的准确性。第一类将城市冠层模型（UCM）与台面尺度模型（MM）相结合[5-7]，为小尺度建模提供更多的精度边界条件;第二类将建筑能量模型（BEM）为了考虑室内条件，建筑物的组件（如光伏面板，冷却屋顶，墙体），表面特性，冠层几何形状以及室外人为放热等因素对UCM的影响[8-12]环境;第三种方法将CFO代码（如Fluent，Envi-met，SATURNE和QUIC-URB）与BEM结合[13-16]，并且这种耦合允许在冠层空间给出更详细的代表低场此外，通过耦合BEM，UCM和MM一起，开发了一种多尺度数值模型，并将其应用于东京23个区域，具有多样性城市檐篷[6]。由于计算成本高且计算时间长，所以一些研究人员提出了具有中等精度的不同模型[17-19]。例如，用简化的热辐射模型替换Energyplus，并用恒定电阻和容量的模型替换Fluent。这些中间模型可以用来进行全年模拟并覆盖更广泛的领域。

在以前的模型基础上，对建筑节能和UHi减灾的各种策略进行了参数分析。作为生态建筑的一种组成部分，过去几十年来，绿色围护结构已经引起了人们的广泛关注，对绿色屋顶或绿色墙体的热性能和能量性能进行了大量的研究[20]，结果表明，在大多数情况下，尤其是炎热和干旱地区，热环境的热性能优于普通地表，例如，在典型的地中海气候（炎热干燥的夏季）中进行的一项实验表明，当绿化屋顶的外部土壤温度不超过33℃时最大外部温度高达40℃，平屋顶外表面温度超过60℃[21]，另一项半干旱气候条件下的实验表明，活壁能将外表面温度降低至30℃（22）此外，已经提出了各种模型来预测绿色信封在不同区域与传统信封相比的相对热效益，例如绿色屋顶模型DJ Sailor（23）和Massimiliano Scarpa [24]开发的活墙模型。在城市变暖的背景下，绿色信封对打破太空能源恶性循环起到了积极作用冷却。然而，大多数绿色包裹的热性能模拟没有考虑到室外树冠环境与建筑本身之间的双向相互作用，这导致了评估的不准确。只有少数研究人员在一定程度上考虑了这种交互作 Benjarmin等人发现，对于低隔热和低玻璃建筑，城市中的绿墙现场引起7％的节能[14]。Rabah等人的模拟结果显示，在附近建筑物的东面和西面安装的绿色墙壁可以减少37％的冷却负荷，而在雅典夏季，幽静的建筑只有33％[25]。基于普林斯顿城市冠层模型与天气预报模式耦合的结果，李丹认为，如果绿色屋顶比例接近90％，近地表UHi可以降低0.5℃[26]。Yasunobu的数值结果表明，屋顶种植能够将城市气温（1米高处的最高温度）降低0.4-1.3℃，冷却能量降低3-25％[27]。

众所周知，绿色围护结构的传热过程是涉及阴影，蒸发，隔热和储存效果的复杂过程。除了前面提到的因素外，绿色围护结构的热性能还取决于植物和基质的湿热性质。因此，很难将绿色围护结构的热性能从一个地方推断到其他地区。为了综合评价上海地区城市环境下绿色环境的热性能，本文开发了绿色围护结构的热湿耦合模型，并通过现场实验数据验证。然后，该模型与多层城市冠层模型AUSSSM相结合[28]分析不同场景下绿地的热行为，同时考虑城市林冠气候对当地气候的影响。

1.绿色围护结构模型的开发和验证

这里研究的绿色围护结构包括广泛的绿色屋顶和生活墙，这两种围护结构的组成可以简化为植物层，基底层，支撑层，气腔和结构层，如图1所示。

本文提出的绿色围护结构模型着重于沿深度方向的一维热量和质量传递，以模拟耦合湿热传递过程，基于以前的研究采用以下假设[29- 31] :

1)基质表面和植物冠层足够大并且可以被认为是均质的，并且传热仅在深度方向上发生。

2)植物参数，如叶面积指数，最小气孔在模拟期间电导率保持不变。

3)底质含水量的变化仅受蒸发耗水量的影响，植物叶片含水量不随时间变化。水分转移仅发生在基质和植物层，其他层则被视为防水处理。

4)植物冠层被认为是一种半透明的媒介，其辐射服从蜜蜂定律; 忽略通过植物的生物化学反应和热传导; 空气下的气孔孔隙被水蒸气饱和。

5)在湿热传递的模拟过程中不考虑降水的影响。

如图2所示，以绿墙为例，前面提到的绿色围护结构机制是呈现。湿热传递的主要方程如下表示。

1. 叶面层的能量平衡模型

其中，R_SR，fi和RLR，fi是植物层各部分的短波和长波辐射; TSR，fi和PSR，fi是透射率和叶组织的反射率; Fij辐射视图因子，ε是长波辐射吸收系数，Tg和Tf.i分别是地表温度和每层的叶片温度; 一个是Stefan - Bolt zmann常数;LAI_i天空是天空长波辐射;（pCp）a是植物层的容积热容量，dt是叶片厚度，r是时间，Hfi和Efi分别是植物层各部分的显热和潜热传递，rb是叶边层阻力，首先是叶片气孔阻力，Tc是冠层空间的平均温度。e_{fi 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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