球状冠体乔木对邻近墙面热辐射扰动机理研究_王子.pdf

球状冠体乔木对邻近墙面热辐射扰动机理研究王子（浙江农林大学，浙江杭州414150）摘要：为了充分发挥乔木在夏季降温节能的生态效益，通过 ENVI-met 模拟与实测相结合的方法，探讨了夏季无遮阴条件下球状冠体乔木（桂花）对邻近墙面的长波、短波热辐射扰动机理。实测与模拟结果均证明了夏季球状冠体乔木对邻近墙面具有热辐射扰动现象。通过进一步分析发现，在无遮阴的条件下，乔木冠体有以下两方面可对邻近墙面产生热辐射扰动效应，一是通过遮蔽天空中的短波反辐射来降低相邻墙面的净吸热量，二是墙面与乔木冠体间的长波辐射换热替代了墙面与地面等邻近地物体表面间的长波辐射换热。上述研究对优化宅旁乔木绿化及充分挖掘乔木降温节能等生态效益具有重要的理论意义。关键词：乔木；冠体；墙面；热辐射扰动机理的方式，研究夏季乔木对邻近墙面的长、短波热辐射影响机理，为楼间乔木绿化时的树种选择及空间设计提供科学依据。1研究方法模拟分析法是分析乔木等植被对建筑热环境影响机理时常用研究方法，其中 ENVI-met 是常用软件之一。ENVI-met 是一款基于流体力学、热力学的三维网格模拟软件，可以模拟树木、地面、空气、建筑之间的热辐射过程10。目前，此软件多用于不同绿化条件下模拟城市热环境的，其辐射换热模块已被广泛应用在树木降温模拟中。本研究采用 ENVI-met4.4 软件分析球状冠体乔木对墙面热辐射的影响机理。同时，为检验模拟法的可靠性，试验场地设置在浙江农林大学三号教学楼前，完成桂花树对邻近墙面的热辐射扰动试验。采用模拟与实测相结合，探讨乔木在夏季不同时间段及不同条件下对临近墙面热辐射扰动影响机理。1.1研究地概况试验地点地处中国浙江省西北部、杭州市临安区，位于东经 119.72、北纬 30.23。杭州市属亚热带季风气候，具有夏季高温、冬季寒冷的天气特征。实验系统由乔木（桂花树）、三面围合墙板组成。选择桂花树的原因是它可作为中国南方代表性常绿乔木。试验场地为 2 处三面围合空间，其中西侧空间为乔木区，东侧空间为无乔木区。在乔木区内有 1 株桂花树。由于 2 个测试区内的地面材质包含草坪与瓷砖 2 种类型，为避免不同地面材质的影响，试验时在 2 个区域内均铺上相同材质的地毯（图 1）。试验时间为 2019 年 8 月，在近十年来，中国经济快速发展，人们越来越重视人居环境问题，并提出了一系列美丽中国发展战略。努力改善城市与乡村的绿化环境，是实现美丽中国目标的一项重要举措。常见的绿化形式包含楼间绿化、道路绿化、水岸绿化、郊外绿化等多种模式。对中国楼间绿化而言，科学合理的树种选择与配置，在夏季可以充分发挥其降温节能的生态效益1。具有类似球状冠体的中、小型乔木，是中国楼间绿化的主要代表性植被2。在选择乔木种类进行空间配置时，设计者多考虑文化习俗、经济效益和景观设计等方面的因素2。随着城市化的发展，下垫面的硬质化导致了城市地区的温度高于周边乡村的温度，即热岛效应3。对以往城市热岛效应研究总结发现，热岛效应导致建筑冷却能耗的中位数增加 19%，由于城市化程度的不同，热岛效应使建筑冷却能耗增加 10%120%不等，越靠近城市中心位置其影响越大4。楼间树木合理的空间配置带来良好的遮阴效果，这使得进入地面的太阳短波辐射减少60%90%5，同时由于树木的蒸腾作用，使树下气温低于周边温度6，并且入射的太阳辐射中有 33.2%被转换为潜热7。在二者共同作用下，树木对于改善人居热环境，缓解热岛效应具有优异的表现。因此，加强球状冠体类乔木对邻近建筑热环境影响的研究，对充分发挥其降温节能等生态效益和科学改进乔木的楼间绿化设计等均有重要的理论指导意义。研究现有树木对建筑室外热环境的影响主要集中于树木的蒸腾作用及太阳遮阴效应。但在中低纬度地区，夏季的太阳高度角大，白天建筑南侧的树木难以在邻近墙面上留下阴影。因此，建筑南侧树木的冷却效果往往认为可以被忽略8。太阳辐射由短波直射及天空漫射两部分组成，其中天空漫射随太阳天顶角的变化而改变强度9，乔木邻近墙面可收到部分天空漫射辐射。因此，即使乔木没有对邻近墙面投射阴影，也会因对天空漫射辐射的遮蔽而影响邻近墙面接收的辐射热量，但遗憾的是，目前尚缺乏研究无阴影条件下乔木对邻近墙面热辐射的影响。因此，利用实验与模拟相结合图 1试验场地周边关系及测点位置图 2长短波热辐射仪2023 年第 13 期现代园艺试验研究輥輳訛DOI:10.14051/ki.xdyy.2023.13.046（a）有乔木墙面的净长波辐射吸收（b）无乔木墙面的净长波辐射吸收（c）乔木的长波热辐射扰动图 6 乔木对墙面长波热辐射扰动云图这个月里杭州白天太阳角度高，桂花全天均无阴影投射到北侧板，这样不必考虑树木遮阴效应对墙面热辐射的影响。因此，北侧板可以更好地探究稳定状态下的长短波热辐射对建筑墙面的影响。为避免风环境及云层的干扰，试验选择具有准静风条件下晴朗的天，分别为 8 月 1 日、8 月 2 日、8 月 3 日，这 3d 的相关天气情况见表 1。与净短波热辐射分布云图，最后根据云图分析乔木冠体对邻近墙面的热辐射影响机理。模型中的墙面长为25m，高为 15m，乔木冠体直径（DC）为 7m，叶面积密度（LAD）为 2m2/m3，墙冠距为 2m。墙冠距（DW-T）是指冠体边缘与墙面的垂直距离（图 5b）。墙冠距的设定值保证冠体阴影不会投射到墙面上，因此，可不考虑树木遮阴效应对墙面热辐射的影响。08-0134.926.678.851.20.31.508-0235.327.574.250.60.31.508-0336.026.078.851.00.31.5表 1实验期天气情况时间（月-日）最高气温（）最低气温（）最高湿度（%）最低湿度（%）风速（m/s）1.2试验方法因北侧板未受乔木阴影的影响，所以选取北侧板上正对桂花的 3 个点作为长、短波热辐射强度测试点（如图 1）。乔木测点 A1、A2、A3与相对应无乔木测点 B1、B2、B3同高，高度分别为 0.5m、1.5m、2.5m，测点水平方向上距离东西侧墙面的垂直距离为 3.5m。实测时间为每天 9:00、11:00、14:00、17:00、19:00。在每个时间点上，使用长、短波热辐射仪（图 2）分别测量 3 个测点的长、短波热辐射强度。同时使用 TES-1333 太阳能功率表（准确度10W/m2）测量太阳辐射总量，并使用TES1361C温湿度记录仪测量环境温湿度（湿度精度：3%R.H.；温度精度：0.8）。1.3模拟方法及其准确性评估应用 ENVI-met 软件建立与现场实验等尺寸比例的乔木、墙板及地面模型（图 3），并以实测期间的天气情况作为模拟条件，模拟并提取有、无桂花树区对应的北侧墙面板 3 个高度处的长波热辐射发射强度、接收强度及短波热辐射接收、反射强度值。对比实测与模拟结果发现（图 4），两者的长、短波热辐射强度的变化趋势基本一致，从早到晚均呈现先升高再降低的趋势。有的乔木实测在 11:00 时长短波热辐射接收高于模拟，这是因为模拟中乔木受网格限制，略大于实测，因此在模拟中 11:00 时乔木对太阳辐射产生了更多的拦截。但总体而言，模拟结果与试验实测数据吻合度高，说明本次研究所用的模拟法具有较好的准确性与可靠性。因此，可用其进一步开展球状冠体乔木对邻近墙面的热辐射扰动机理研究。2结果与分析2.1模拟工况设计应用前文所提 ENVI-met 模拟方法，先构建墙面与乔木模型（图 5a），并分别获取墙面的净长波热辐射图 3ENVI-met 检验模型图 4实测与模拟热辐射扰动对比（a）树木-墙面三维模型图（b）树木-墙面模型顶视图图 5树木-墙面模型图2.2模拟结果分析为分析乔木对建筑墙面热辐射影响，提出一个新的评价指标，即热辐射扰动强度。热辐射扰动强度是指在建筑附近种植乔木后，在相同初始与边界条件下所引起的邻近墙面净吸收热辐射强度量的改变，即为有乔木墙面热辐射强度与无乔木墙面净热辐射强度之差。如热辐射扰动强度为正，则表示墙面净吸收热量在增加，这不利于节约夏季制冷能耗。如热辐射扰动强度为负，则表示墙面净吸收热量在减少，这有利于节约夏季制冷能试验研究现代园艺2023 年第 13 期輥輴訛射扰动对节约室内制冷能耗是有利的。相比较而言，乔木对墙面的短波热辐射扰动强度约为长波热辐射扰动强度的 5 倍。因此，建筑南侧乔木对邻近墙面的热辐射扰动以短波热辐射扰动为主，且对节约夏季室内制冷能耗是有利的。耗。应用 ENVI-met 对该模型进行模拟，分别得到 8 月11 日 14:00 有乔木及无乔木的墙面长、短波热辐射分布云图（图 6（a、b）、图 7（a、b）。根据热辐射扰动的概念，可进一步得出同时刻墙面净长波与净短波热辐射扰动的分布云图（图 6c、图 7c）。在墙面附近种植乔木后，墙面净长波热辐射强度最大值为-5.7W/m2，且在乔木的墙面正投影处（图 6a）。墙面附近无乔（a）有乔木墙面的净短波辐射吸收（b）无乔木墙面的净短波辐射吸收（c）乔木的短波热辐射扰动图图 7乔木对墙面短波热辐射扰动云图木时，其净长波热辐射强度变化较小（小于 1 W/m2），大致呈带状对称分布（图 6b）。根据热辐射扰动强度概念，可得出墙面净长波热辐射扰动强度分布云图（图6c）。由图 6c 可知，墙面净长波热辐射扰动强度最大值在乔木的墙面正投影处（6.8 W/m2），随着与最大净长波热辐射扰动强度位置的距离加大，净长波热辐射扰动强度随之减少，直到接近 0 W/m2。这证明了乔木对邻近墙面具有长波热辐射扰动效应。这主要是因为乔木具有长波热辐射换热的替代作用，即乔木冠体投影处墙面与邻近乔木间的长波热辐射的换热过程替代了该处墙面与邻近地面等地物表面间原定向辐射的长波热辐射的换热过程（图 6）。这种替代作用可使墙面净长波热辐射强度有所增加，增加就意味着在长波方面，墙面净吸收热量在增加，是不利于节约夏季制冷能耗的。由图 7a 可知，在墙面附近种植乔木后，在乔木离墙最近的位置，墙面净吸收短波热辐射强度出现最小值（159.6W/m2）。墙面附近无乔木时，其净短波热辐射强度变化较小（小于 3W/m2），且大致呈带状对称分布特征（图 7b）。根据热辐射扰动强度概念，可得出墙面净短波热辐射扰动强度分布云图（图 7c）。由图 7c 可知，墙面净短波热辐射扰动强度绝对值最大值出现在乔木的墙面投影处（35.9W/m2），随着与该点位置距离的增加，净短波热辐射扰动强度的绝对值随之减少，直到接近 0 W/m2。这证明了乔木对邻近墙面具有短波热辐射扰动效应，且远大于长波热辐射扰动效应。这是由于乔木对邻近墙面的短波热辐射具有阻隔作用，即乔木冠体减小了邻近墙面的天空视野因子（SVF），从而阻隔了天空散射短波热辐射，同时也阻隔了周边地物表面反射的短波热辐射（图 8）。乔木的这种短波热辐（a）无乔木墙面的辐射接收（b）有乔木墙面的辐射接收图 8球状冠体乔木热辐射扰动机理3结论以典型球状冠体乔木桂花树为研究对象，应用实测与模拟相结合的研究方法，在无阴影投射条件下植被冠体对邻近墙面热辐射的扰动机理，得到如下结论。（1）应用 ENVI-met 软件建立与实验场景 11 等比例模拟模型，模拟提取有无植被对应的墙面不同位置处的长、短波热辐射强度。通过对比发现了模拟结果与试验实测数据吻合度高，趋势一致性好。因此，应用 ENVI-met 软件模拟分析乔木冠体对邻近墙面热辐射扰动机理具有较高的准确性与可靠性。（2）通过进一步模拟发现，种植乔木后，邻近建筑墙面净热辐射强度均发生了改变，此改变量证明了乔木冠体对邻近墙面具有热辐射扰动效应。如果扰动量为负值，则墙面在热平衡状态下主要向外发射热辐射，这对建筑节能是有利的，反之则不利。（3）对邻近墙面具有长波热辐射换热的替代作用，即乔木冠体投影处墙面与邻近乔木间的长波热辐射的换热过程替代了该处墙面与邻近地面等地物表面间原定向辐射的长波热辐射。这种替代作用可使墙面净长波热辐射强度有所增加，这种增加意味着在长波方面，墙面净吸收热量在增加，是不利于节约夏季制冷能耗的。（4）乔木对邻近墙面具有短波热