如何通过建筑外壁绿化改善城市热环境

为了改善城市热环境，诸如控制建筑密度与容积率、提高绿地率、建设生态小区等设计及技术手段，已经在城市规划与建筑设计中被广泛应用。为了城市的“建筑沙漠”中多增加一些绿色，人们采用了各种各样的设计与技术手段。例如，日本的东京市议会于2000年4月通过了一项议案，要求东京市内的所有面积在1 000 m2 的建筑必须进行屋顶绿化。本文应用计算流体力学（CFD）的方法，对建筑物外壁进行绿化后的室外空间的风速、风向、空气温度、相对湿度、平均辐射温度（MRT）的空间分布进行数值模拟，从而对建筑外壁绿化所产生的改善城市热环境的效果进行定量的分析。
一　计算概要
1　计算模型
　计算的街区根据日本东京典型的低层高密度住宅区墨田区的资料作为基本的街区模型。建筑物设定为单边长 9 m的正立方体。计算分为三个方案。其中：方案1作为基本方案，即建筑外壁全部为混凝土墙面；方案2建筑全部外壁面（包括屋面）进行绿化处理；方案3的建筑外壁仅屋面进行绿化处理，其余的外壁均为混凝土墙面。计算中混凝土墙面和绿化墙面的相关物理性质的参数见表1。
2　计算条件
　计算的气象条件是以东京1989～1992年7月23日下午3时的气象数据为基准。此时的太阳高度角为45.1°，室外气温为 31.6 ℃，相对湿度为58%，风向为南风，高度 74.6 m 处风速为 3 m/s （以上数据为平均值）。
二　计算结果
1　建筑物外壁面的温度
　此所示为建筑物外壁的平均表面温度，括号内的数值为屋面的平均表面温度。从此我们可以看出三个方案之间建筑物外壁表面温度的明显变化：外表面为全部绿化的方案2与外表面为混凝土的方案1相比，屋面的表面温度降低 13.6 ℃；建筑物侧壁的表面温度也有7.5 ℃～13.8 ℃的下降。另外，仅有屋面被绿化的方案3与方案1相比，屋面的表面温度下降13.6 ℃；建筑物侧壁的表面温度仅有0.2 ℃～4.8 ℃的下降。建筑物外壁表面温度降低的主要原因在于建筑物表面绿化所带来的水分的蒸发将带走大量的热量，使得绿化壁面比混凝土墙面的表面温度大大降低。而方案3由于仅在建筑物的屋面处进行绿化，所以建筑物侧壁的表面温度与方案1相比并没有很大的差别。
2　风速分布
　在高度为1.5 m处（常人头部高度）的室外风速矢量，我们可以看出，在风速矢量方面三个方案之间没有很大的差异。而风速标量从计算领域内平均值来看，方案2（全部绿化）比方案1（全部混凝土）低0.05 m/s，而方案3（屋面绿化）反而比方案1高0.04 m/s。另一方面，此所表示的是前面所示的A～D等4个代表点的主流方向速度的垂直分布。方案2与方案1相比，在屋面的上方风速有一定程度的增大。而方案3与方案1相比，各点的差别不明显。但是从建筑之间的间隙处C点及D点的地面附近的风速的绝对值来看，方案3比方案1有一定程度的增大。说明方案3中建筑之间的间隙处垂直方向的循环流增大。其原因在于屋面绿化所引起的屋面附近空气温度降低，地面与屋面之间的温差增大，造成空气不稳定状态加强，从而使垂直方向空气的循环流动得到加强。
3　气温分布
　此所表示的是与前面相同断面建筑物周围的气温的水平分布。在计算的全领域内，方案2的气温比方案1的气温低0.5 ℃～4 ℃。这说明建筑物的壁面绿化对于降低建筑物周围的气温的作用十分明显。但另一方面，与预想相反，方案3与方案1相比在多数范围内几乎没有什么差别，而在建筑物的间隙处的气温，方案3反而比方案1上升1 ℃～2 ℃。其原因在于上一节中我们分析过的C、D两点处的空气垂直方向的循环流动得到加强，使得建筑物间隙处流入的空气量增加。两组建筑物之间的日照部分地面附近的温度较高的空气随着循环流动进入建筑物间隙，从而导致方案3在这一区域的气温较方案1升高。
4　相对湿度分布
　高度1.5 m处室外的相对湿度的水平分布如此所示。对于方案1来说，由于方案2在全部计算领域内的气温较方案1低，并且由绿化所产生的水分蒸发作用引起空气中绝对湿度上升，所以方案2的相对湿度比方案1上升2%～10%。另一方面，与方案2不同，方案3与方案1相比差别不大，但是在建筑的间隙处随着气温的升高，相对湿度存在一定程度的下降。
5　MRT的分布
　平均辐射温度即MRT也是室外热环境的一个重要的评价指标。此所示为高度1.5 m处室外的MRT的水平分布。与方案1相比，方案2的室外MRT在计算的全部领域内低5 ℃～10 ℃。其原因主要在于方案2的建筑外壁面温度较方案1有相当大幅度的降低，从而使建筑物壁面的辐射传热也大大降低。另一方面，方案3与方案1相比，由于建筑物侧壁的状态相同，而屋面的绿化对于所表示高度MRT的水平分布影响不大，故在室外MRT的水平分布上没有大的差别。