LA研究 | 姜之点 杨峰 | 建筑立体绿化方式和设计高度对三维空间降温潜力的影响
全文刊登于《风景园林》2023年第5期 P75-82
姜之点，杨峰.建筑立体绿化方式和设计高度对三维空间降温潜力的影响[J].风景园林，2023，30（5）：75-82．
建筑立体绿化方式和设计高度对三维空间降温潜力的影响
姜之点
男 / 同济大学建筑与城市规划学院在读博士研究生 / 研究方向为立体绿化热效应、城市微气候
杨峰
男 / 博士 / 同济大学建筑与城市规划学院副教授 / 高密度城市气候响应设计技术分实验中心主任 / 研究方向为城市微气候、被动式低能耗建筑和立体绿化综合效益
摘要
【目的】立体绿化方式和设计高度是影响立体绿化降温强度的潜在指标，但现有研究较少在同一时空维度下对两者进行分析。【方法】借助ENVI-met，对上海市典型单体建筑开展4种立体绿化方式和10种设计高度的多场景微气候模拟与降温潜力三维时空分析。【结果】在三维空间内，立体绿化的降温时段主要集中在午后，其降温强度在太阳辐射累积强度最大时达到峰值。其中，屋顶绿化降温强度随设计高度增加而递减，降温覆盖范围随之变化较小，并多停留在屋面空间；垂直绿化降温强度受设计高度影响微弱，但降温覆盖范围随设计高度增加明显扩大，主要作用在近地面人行空间；前者单位面积降温强度更大，后者在降温累计时长和降温覆盖范围上更优。【结论】屋顶绿化因其在单位面积内具有较高降温强度，宜先行布置；垂直绿化全覆盖模式能够最大化扩展降温覆盖范围；局部垂直绿化在低层建筑或高层建筑底层空间的降温潜力甚微，应考虑其视觉景观效益。
关键词
屋顶绿化；垂直绿化；ENVI-met模拟；三维空间；降温强度；降温覆盖范围
高密度、紧凑型的空间发展模式，使得城市建设用地紧缺，大幅提高城市绿化覆盖率举步维艰。立体绿化（Green Building Planting, GBP）与自然绿地的植被和土壤结构相似，可充分利用建筑外表面闲置空间为城市“添绿”，将绿地从传统平面延伸至建筑三维空间，弥补地面绿化不足，已成为中小尺度下解决全球性热环境问题的重要举措。
作为建筑立体绿化的主要形式，屋顶绿化（roof greening，简称RG）和垂直绿化（vertical greening，简称VG）在城市热环境缓解方面具有巨大的应用潜力。然而，场地观测中难以控制复杂气候变量，较少同步比较两者的降温差异；数值模拟多关注单一平面空间，未能准确评估同时发生在三维空间的热作用过程。另有研究聚焦于环境参数和热效应指标，但尚未对直接影响立体绿化可利用面积的设计高度因素进行深入探讨。笔者基于城市矢量数据，提取上海市典型建筑单体的高度特征，借助ENVI-met模拟同尺度下屋顶绿化与垂直绿化在近建筑三维空间降温强度的时空规律，着重分析绿化设计高度引起的热效应差异。
1 研究方法及场景设计
1.1 ENVI-met模型
ENVI-met主要基于计算流体力学和热力学原理模拟城市中小尺度下“建筑—植被—大气”中的物质和能量交换过程，被广泛应用于热环境模拟和微气候设计领域。
1.1.1 模型误差
相较早期RayMan和SOLWEIG等同类模型，ENVI-met的气象参数拟合度最高，植物传热过程最优，小尺度模拟域和1 m×1 m~2 m×2 m网格精度时效性较高。Tsoka等基于52个验证案例总结得出，ENVI-met的RMSE范围为0.52~4.30 ℃。相关研究证实ENVI-met模型具有较高稳定性，其误差主要与下垫面理想化辐射反射、人为热简化及土壤横向热传递等模型本身的不准确性有关。
ENVI-met模型的地面绿化验证日趋丰富；但立体绿化验证工作尚不充分，主要借助1D或3D植物模型，近似替代依附于建筑表面的立体绿化。在屋顶绿化和垂直绿化案例中，大气温度的RMSE范围分别为0.55~1.21和0.50~1.42 ℃（表1）。受模型开发进程限制，已有模型尚未考虑立体绿化土壤基质及其蒸散发与多重辐射作用，因而模拟结果可能整体低估了热效应强度。
表1 ENVI-met 立体绿化模拟实验及其验证结果
1.1.2 绿化表皮模块
新版ENVI-met模型中嵌入绿化表皮模块，能够详细设置植被和基质的类型、厚度、间隔，以及叶面积指数和土壤含水量等属性；综合考虑直射和散射辐射、入射和出射辐射、建筑墙壁间热反射、植物蒸腾热通量及植被与土壤间的热过程。Peng等利用该模块对夏热冬冷地区的垂直绿化场景进行了初步性能评估。结果显示，10：00—16：00的大气温度RMSE平均值约为0.57 ℃，其他时段均在0.12 ℃以下。绿化表皮模块能够较大程度地减小模型模拟与现实的误差，且能有效还原实测场地未绿化表面与绿化表面之间的微气候差异和空间分异①，为后续立体绿化多场景模拟结果的可靠性提供了保障。
1.2 模型配置及场景设计
1.2.1 模型配置
上海（120°52′~122°12′E，30°40′~31°53′N）属亚热带季风气候，夏热冬冷，晴天平均热岛强度约1.8 ℃。模型依据《城市居住区热环境设计标准》中夏季典型气象日数据设置逐时太阳辐射、大气温湿度、风速和风向等背景条件，参照《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》设置建筑反射率、传热系数和窗墙比。云量、土壤温湿度和绿化条件均参照同一气候区验证模型（表2）。
表2 ENVI-met模型输入参数及取值
1.2.2 场景设计
统计上海市建成区内327 912栋建筑轮廓矢量数据得到，单栋建筑基底面积和周长的中位数分别为579 m2和106 m；建筑长宽比约为3∶1；建筑层数的中位数为6层，且50%集中在3~12层。参照《住宅设计规范》，将层高设为3 m。设置长36 m、宽12 m、高9~36 m的简化模型，统一成南—北朝向，以代表上海市典型单体建筑。在设置气候和建成环境条件后，设定10种立体绿化设计高度（记为h，简称设计高度，在9~36 m范围内，每间隔3 m递增）、4种立体绿化方式和未绿化参照模型（与绿化场景建筑体量一致）的组合，共50个模拟场景（表3）。以同一单体建筑绿化后的室外大气温度Tgreen和未绿化场景中的室外大气温度Tbare的差值作为降温强度（Tbare－Tgreen），以剔除建筑后的剩余降温网格面积作为降温覆盖范围，指示各场景中立体绿化热效应的平均状况和分布差异，表征立体绿化的降温潜力。
表3 立体绿化模拟场景设计
2 立体绿化热效应
2.1 逐时变化规律
4种立体绿化方式的降温强度均呈“白天显著、夜晚微弱”的日变化规律（图1），且各设计高度场景之间始终保持相似的差异规律。屋顶绿化的降温效应始于05：00；在12：00—16：00表现出较大降温潜力，随后迅速减小；在20：00至次日清晨一直保持较低水平；白天各设计高度场景之间的降温效应差异也随时间推移先增后减，夜晚差异较小。垂直绿化降温效应逐时变化和各设计高度场景间差异规律与屋顶绿化类似，但降温发生和结束时间分别提前和延后约1 h，最大降温时段集中在17：00前后。
1 各立体绿化模拟场景三维空间降温强度的逐时变化规律
2.2 三维空间分布
以立体绿化热效应差异较大，且较为突出的16：00为例，分析降温强度的三维空间分布特征。立体绿化产生的冷空气不仅停留在屋面或近建筑表面空间，下垫面的空气对流也会促使其扩散至建筑之间的开敞区域，并在建筑下风向形成“冷岛”（图2）。屋顶绿化最大降温强度一般出现在屋顶或建筑西北侧。而垂直绿化降温强度的空间分布呈逐时变化，最大降温强度通常出现在太阳直射面；主要降温区域随太阳轨迹运行，由建筑东南侧逐渐向西南侧转移。
2 16：00各立体绿化模拟场景降温强度的三维空间分布（h=21m）
各设计高度场景三维空间降温强度均存在相似的边际效应②（图3）。RG场景中，设计高度越低，降温强度越大；各设计高度间差异也随高度增加而渐小。局部覆盖垂直绿化的VG 1和VG 2场景中的降温强度变化和差异与RG场景相似，但最大和平均降温强度均更小。全覆盖垂直绿化的VG 3场景中的降温强度普遍高于VG 1和VG 2场景；随着设计高度增加，降温强度变化较小。
3 16：00各立体绿化模拟场景三维空间降温强度
分析不同场景下的三维空间降温网格覆盖范围及某一设计高度下不同降温强度覆盖范围的占比情况（图4）。RG场景中，h=24 m时的降温覆盖范围最大；h≥27 m时，降温覆盖范围随设计高度的增加逐渐减小。VG 1场景的降温覆盖范围随高度增加而递减；VG 2场景受高层建筑影响，冷空气向上扩散的空间被压缩，因而降温覆盖范围较VG 1场景略有减小。VG 3场景的降温范围和较高降温强度的网格占比在4种形式中最大，且两占比均随设计高度增加逐级递增。
4 16：00各立体绿化模拟场景在三维空间的冷空气覆盖范围
2.3 逐高度变化规律
屋顶绿化产生的冷空气主要聚集在屋面，部分气流可从屋面扩散至近地面空间。垂直绿化产生的冷空气在重力主导下迅速下沉，在近地面区域的降温强度最大；并因湍流交换③，冷空气也能向上流动至屋顶边缘区域（图5）。RG中的冷空气聚集在背风面一侧，建筑边缘存在明显下沉气流；由于在此高度冷空气向下传输距离较长，屋顶绿化对地面热环境的改善作用相对较弱。VG 1和VG 2的降温区域均集中在绿化设计层。VG 3的冷空气主要在迎风侧的近地面空间集聚，且在水平方向扩散范围明显更大。
5 16：00各立体绿化方式在纵向空间的降温强度及空气流动（h=21 m）
立体绿化降温强度呈现逐高度（距地面）变化规律（图6）。整体上，降温强度随高度增加，先增大后减小；其中，垂直绿化设计高度较低或全覆盖场景下，降温强度仅呈现随高度增加而递减的趋势。RG的最大降温强度多出现在屋面高3 m处；h≤12 m时，表现出对近地面热环境的改善作用；h≥27 m时的风速更大，冷空气水平扩散速度更快，降温强度逐高度变化更趋平缓。VG 1和VG 2中的最大降温强度均在设计高度出现，但前者冷空气纵向覆盖范围仍可延伸至屋面以上5 m处。VG 3中距地面5 m以下的空间是主要“冷岛区”，普遍降温强度为0.12~0.19 ℃；降温强度在近屋顶高度骤降，且均小于0.07 ℃。
6 16：00各立体绿化模拟场景降温强度逐高度变化
2.4 单位绿化面积的热效应差异
图7显示了各立体绿化场景16：00时的三维空间平均降温强度和单位面积（每500 m2）降温强度。立体绿化面积固定（RG、VG 1和VG 2）场景的降温强度均随设计高度增加而递减；而垂直绿化全覆盖场景VG 3的降温强度随设计高度增加而递增。VG 3场景的模拟结果也进一步表明了垂直绿化降温的规模效应，即绿化覆盖面积越大，平均降温强度越大；但h≥30 m时，平均降温强度增幅不再显著，最终维持在0.12 ℃左右。
7 各立体绿化模拟场景的平均降温强度（左）和单位面积（每500 m2）降温强度（右）
屋顶绿化在整个三维空间的单位面积降温强度明显大于垂直绿化。VG 3在垂直绿化场景中的单位面积降温强度最大，但与屋顶绿化相比，未表现出优势。在近建筑三维空间中，屋顶绿化的降温区域更加集中，而垂直绿化产生的冷空气更易在纵向传输过程中被稀释，越接近地面，向外扩散的范围也越大。
3 讨论与结论
基于上述结果，提出以改善局地热环境为导向的建筑立体绿化方式选择与设计高度布置原则：1）在难以大面积开展立体绿化的混合建筑区，屋顶绿化可提供相对独立的户外空间，并因其单位面积降温强度更大，宜被先行布置；2）垂直绿化依附于建筑立面，可利用面积更大，在不考虑绿化资金、施工条件等情况下，垂直绿化全覆盖方式能够最大化扩展降温覆盖范围，改善近地面热环境；3）低层建筑或高层建筑底层的局部垂直绿化降温潜力甚微，应综合考虑其视觉景观效益；4）在更大尺度上，公共活动空间上风向的低层建筑宜布置屋顶绿化，下风向布置垂直绿化，以汇聚更多凉爽空气。
笔者在有限的建筑尺度下探讨了立体绿化对三维空间热环境的改善效果。为控制绿化方式和设计高度等单一变量，模型简化了周边建成环境，部分输入变量取自预设值或同类模型，因而难以完全代替复杂现实状况。另相较以往模拟结果，本文所得降温强度值偏小，除模型本身误差外，背景气象、模拟尺度和植被属性设置等也是造成差异的重要原因。尽管如此，研究结果仍反映了夏热冬冷地区不同建筑立体绿化方式和设计高度之间热效应的相对差异。若将空调热排放减少和绿视率增加等经济和社会效益考虑在内，建筑立体绿化应用潜力将更加突出。因此，在优化转变“存量”用地的城市地区，合理补充立体绿化不失为调节局地热环境的一种有效途径。
注释：
① 空间分异：一定地理范围内，特定要素因各自特点呈现空间分布上的差异，或组成成分的比例不均衡的现象。本研究中表示垂直绿化的降温强度在三维空间中的分布差异。
② 边际效应：当生产要素的投入增至一定数量后，收益的增量逐步减小的规律。本研究中表示当垂直绿化设计高度增加到一定程度后，降温强度的增量或减量逐渐减小。
③ 湍流交换：由流体运动引起的物质输送和混合的现象，并伴随潜热和显热的能量变化。本研究中表示垂直绿化降温引起的冷热气团混合。
图表来源：
文中图表均由作者绘制，其中，表1主要依据参考文献[21][25]~[29]整理绘制，表中插图截取自对应文献观测场地实景图片。
为了微信阅读体验，文中参考文献标注进行了删减，详见杂志。
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文章编辑 于婷 王一兰
微信编辑 刘芝若
微信校对 李清清
审核 曹娟
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