球狀冠體喬木對鄰近墻面熱輻射擾動影響分析

德 克

(浙江農林大學，浙江 杭州 311300)

1 概述

對宅間及庭院等綠化而言，科學合理的樹種選擇與配置，可以充分發揮降溫增濕、固碳釋氧、滯塵減噪等生態效益[1]。在宅間、庭院綠化時，中小喬木與大型的花灌木是主要的植被類型，影響喬灌木樹種選擇與空間配置的關鍵因素包含文化風俗、景觀要求與經濟效益等方面[2]，卻忽視了喬灌木對熱環境等方面的影響，導致其巨大的降溫節能效應難以發揮，造成生態效益的巨大浪費。因此，加強喬灌木類植被對農宅群熱環境影響方面的科學研究，對充分發揮其節能生態效益與完善村域喬灌木類植被的設計導則等方面均具有重要的理論指導意義。

喬木對建筑熱環境影響有多種方式，蒸騰作用是喬木對建筑熱環境影響的主要機理之一[3]。喬木通過冠層葉片排出水分氣化，降低了冠體周圍的空氣溫度，其作用受季相變化、氣溫、土壤水分、葉片形態、葉片氣孔導度等因素共同制約[4]，其中葉片氣孔導度是整棵樹蒸騰作用的預測因子[5]，Grylls量化了不同條件下蒸騰冷卻效果占總冷卻效果的比例關系，為喬木冷卻作用的研究提供了便利[6]。喬木對鄰近建筑熱環境影響的另一因素是其對太陽輻射的遮陰作用，減少了鄰近墻面所吸收的總熱輻射，從而可減少傳入室內的熱量，同時也可降低制冷能耗[7]。喬木的熱輻射遮陰能力主要受冠體結構的影響，較小的冠體結構透射率有助于攔截更多的太陽直接輻射和天空短波散射，從而具有更好的降溫節能效果[8]。Deng通過十種樹木輻射性能實測發現，在樹木冠體沒有明顯縫隙或凹形的情況下，其輻射性能的差異主要取決于葉片的大小，其透反射率也與太陽高度呈線性相關[9]。除對喬木本體研究外，還有城市宏觀視角下的研究，如Lee應用城市冠層模型計算城市峽谷喬木帶來的輻射遮陰和吸收[10]。這些冠體輻射性能研究，為喬木輻射冷卻效果的應用及評估提供了便利。綜上所述，目前尚缺乏無陰影條件下喬木對鄰近墻面熱輻射擾動影響因子的研究。鑒于此，本文利用實驗與模擬相結合的方式，分析喬木對墻面熱輻射擾動影響因子，為喬木綠化時的樹種選擇及空間配置提供科學依據。

2 研究方法

一般而言，樹木與建筑的位置都是固定的，而難移動的特點無法滿足研究中參數變化的要求。比如，冠體直徑、墻冠距等參數的變化對鄰近墻面熱輻射的影響等研究，就難以通過一個現場實驗完成。為使研究更加經濟有效，本文選取軟件模擬作為探索樹木冠體對鄰近墻面的熱輻射影響的研究方法。但模擬方法的結果是否準確可靠則首先需要評估。本文所提方法主要包含兩步：第一步是應用實測結果對模擬過程和結果進行檢驗，并調整優化模擬參數的設置，最終確定較高精度的模擬方法；第二步是應用檢驗過的模擬方法完成更多工況的模擬與分析，以探索不同冠徑、墻冠距等參數的變化對鄰近墻面的熱輻射影響。

在第一步中，先現場布設由球狀冠體喬木(桂花樹)、墻板及地面組成的實驗系統，同時也在ENVI-met軟件中構建1∶1的仿真實驗模型，在確保邊界條件一致的情況下分別獲取墻面的相關熱輻射強度數值，然后對二者進行對比，如有差異，再修改相關模擬基本設置參數，獲得模擬結果后再次比較，直至確定與實際實驗數據較為吻合的模擬參數及模擬過程。在第二步中，應用確定的模擬參數和方法模擬分析更多喬木參數，如樹木不同冠徑、樹木冠體LAD、墻冠距等對墻面的熱輻射影響規律。具體的方法流程圖如圖1所示。

3 喬木熱輻射擾動實測及模擬校驗

3.1 喬木熱輻射擾動實驗

實驗地點位于中國杭州市臨安區，屬亞熱帶季風氣候，具有夏季高溫、冬季寒冷的天氣特征。實驗系統由南方典型代表性喬木桂花樹、三面圍合墻板組成。試驗場地為兩處三面圍合空間，其中西側空間為喬木區，東側空間為無喬木區。在喬木區內有一株桂花樹。由于兩個測試區內的地面材質包含草坪與瓷磚兩種類型，為避免不同地面材質的影響，實驗時在兩個區域內均鋪上相同材質的地毯。實驗時間為2019年8月，杭州在這個月里白天太陽角度高，桂花全天均無陰影投射到北側板，這樣可不必考慮樹木遮陰效應對墻面的熱輻射的影響。實測時間為每天9:00,11:00,14:00,17:00,19:00。在每個時間點上使長、短波熱輻射儀分別測量三個測點的長、短波熱輻射強度。同時使用TES-1333太陽能功率表(準確度±10 W/m2)對太陽輻射總量進行測量，并使用TES1361C溫濕度記錄儀測量環境溫濕度(濕度精度：±3%R.H.;溫度精度：±0.8 ℃)。

3.2 模擬方法及其準確性評估

應用ENVI-met軟件建立與現場實驗等尺寸比例的喬木、墻板及地面模型(見圖2)，并以實測期間的天氣條件作為模擬條件，模擬并提取有、無桂花樹區對應的北側墻面板三個高度處的長波熱輻射發射強度、接收強度及短波熱輻射接收、反射強度值。對比實測與模擬結果發現(見圖3)，兩者均出現了熱輻射擾動。這里的熱輻射擾動是指種植喬木后，墻面凈長、短波熱輻射吸收強度的改變量。同時，兩者的長、短波熱輻射強度的變化趨勢基本一致，從早到晚均呈現先升高再降低的趨勢。有喬木的實測在上午11：00長短波熱輻射接收高于模擬，這是因為模擬中喬木受網格限制，略大于實測，因此模擬中在上午太陽11：00時喬木對太陽輻射產生了更多的攔截。但總體而言，模擬結果與試驗實測數據吻合度高，說明本研究所用模擬法具有較好的準確性與可靠性。因此，可用其進一步開展喬木對鄰近墻面熱輻射擾動的影響因子分析。

4 喬木對墻面熱輻射擾動影響因子分析

現場實測及數值模擬均證明了喬木冠體可對鄰近墻面產生熱輻射擾動影響，但喬木冠體本體參數及其空間位置對熱輻射擾動的影響規律難以通過現場實驗進行研究，需要應用模擬方法進一步探究。根據實際情況，本文提出一套由不同冠徑DC(3 m,5 m,7 m)、不同葉面積密度LAD(1 m2/m3,2 m2/m3,3 m2/m3)與不同墻冠距DW-T(1 m,2 m,3 m)等不同參數值組合而成的27種模擬情景。其中墻冠距為樹冠邊緣至鄰近墻面的最短距離。此外，可定義LAD=1 m2/m3的喬木為稀疏型喬木，LAD=2 m2/m3代表中等茂密喬木，LAD=3 m2/m3代表茂密型喬木。通過對上述27種情景的模擬，可分析喬木冠徑、葉面積密度及墻冠距對鄰近墻面的熱輻射擾動規律。為定量分析不同情景下喬木對墻面熱輻射擾動強度在不同方向上的變化規律，可以擾動區中心為坐標原點建立笛卡爾坐標系，水平向右方向為X軸方向，豎直向上方向為Y軸方向。應用此坐標系，可以分析不同喬木冠徑、葉面積密度及墻冠距等參數改變的情況下，熱輻射擾動強度在墻面不同方向上的演變規律(見圖4)。

4.1 喬木冠徑對墻面熱輻射擾動的影響

從不同冠徑DC的熱輻射模擬結果中分別提取X,Y軸上整米坐標處的凈長、短波熱輻射擾動強度值，然后將二者求和得到相應坐標下的總熱輻射擾動強度值，最后應用SPSS軟件擬合墻面總熱輻射擾動強度與對應坐標間的關系(見圖5)。

從擬合圖5中可知，X軸的擾動強度與水平中心距間的關系都符合復合函數的特征，且均呈衰減特征(見圖5(a))。從整體來看，X軸墻面的熱輻射擾動衰減趨勢呈三階段變化規律，即由快速衰減區、衰減區和平緩區三區段組成。其中熱輻射擾動快速衰減區為與擾動中心點相距5 m以內的范圍，這個區段內熱輻射擾動急劇下降，這說明快速衰減區是喬木對鄰近墻面熱輻射影響最敏感的區段，也是對室內制冷能耗影響最大的區段。水平向熱輻射衰減區為與擾動中心相距5 m～10 m間的區段，在這個區段內，熱輻射衰減速度開始下降，但仍對水平擾動中心距有一定的敏感性。水平向熱輻射平緩區為與擾動中心相距10 m以外的區段，在這個區段里熱輻射擾動逐漸收斂，且對水平擾動中心距與冠徑變化均不敏感，是可以忽略喬木對夏季室內制冷能耗影響的區段。Y軸的擾動強度與豎向中心距間為線性函數關系，且呈負相關關系，即隨中心距的增加，熱輻射擾動強度勻速衰減，且衰減速度較為接近。應用SPSS可進一步擬合得出不同冠徑條件下，通過水平向與豎直向的熱輻射擾動強度與擾動中心距間的關系式(見圖5)。

4.2 喬木LAD對墻面熱輻射擾動的影響

從不同冠體LAD的熱輻射模擬結果中分別提取X，Y軸上整米坐標處的凈長、短波熱輻射擾動強度值，然后將二者求和得到相應坐標下的總熱輻射擾動強度值，最后應用SPSS軟件擬合得到墻面總熱輻射擾動強度與對應坐標間的關系(見圖6)。

從圖6中可知，X軸的擾動強度與水平中心距間的關系也符合復合函數的衰減趨勢(見圖6(a))，且呈三階段變化特征，即由快速衰減區(擾動中心距小于5 m)、衰減區(擾動中心距介于5 m～10 m間)和平緩區(擾動中心距大于10 m)三區段組成。從對室內制冷能耗影響角度來看，三者大小關系為快速衰減區>衰減區>平緩區。但總體而言，喬木冠體對墻面熱輻射擾動在水平向的演變對LAD的變化并不敏感。Y軸的擾動強度與豎向中心距間為線性函數關系，且呈負相關關系，即隨中心距的增加，熱輻射擾動強度勻速衰減，且衰減速度較為接近。

4.3 喬木墻冠距對墻面熱輻射衰減的影響

從不同墻冠距的熱輻射模擬結果中分別提取X,Y軸上整米坐標處的凈長、短波熱輻射擾動強度值，然后將二者求和得到相應坐標下的總熱輻射擾動強度值，最后應用SPSS軟件擬合墻面總熱輻射擾動強度與對應坐標間的關系(見圖7)。

從圖7中可知，X軸的擾動強度與水平中心距間的關系都符合復合函數的特征，且均呈三階段衰減特征，衰減規律同上(見圖7(a))。Y軸的擾動強度與豎向中心距間為線性函數關系，且呈負相關關系，即隨中心距的增加，熱輻射擾動強度勻速衰減，且墻冠距越小的衰減速度越快。

5 結論

以球狀冠體喬木桂花樹為對象，應用實測與模擬相結合的方法，分析了在無陰影投射條件下，不同喬木冠徑DC、葉面積密度LAD、墻冠距DW-T對鄰近墻面熱輻射擾動的影響規律，所得結論如下:

1)對墻面凈短波熱輻射而言，隨著喬木冠徑的增大，墻面熱輻射擾動強度隨之減小。喬木冠徑越大，鄰近墻面接收的凈長波熱輻射擾動強度越大。喬木冠徑的增大所帶來的短波熱輻射擾動影響要遠大于長波熱輻射擾動。因此喬木冠徑越大，其對鄰近墻面總輻射擾動強度越大，越有利于節約夏季室內制冷能耗。

2)對不同冠徑、墻冠距及葉面積密度條件下的墻面熱輻射擾動而言，通過墻面擾動中心的水平軸的擾動強度與水平中心距間的關系符合復合函數的特征，且均呈衰減特征。從整體來看，X軸墻面的熱輻射擾動衰減趨勢呈三階段變化規律，即由快速衰減區、衰減區和平緩區三區段組成。從對室內制冷能耗影響角度，三者大小關系為快速衰減區>衰減區>平緩區。

3)對不同冠徑、墻冠距及葉面積密度條件下的墻面熱輻射擾動而言，通過墻面擾動中心的豎向軸的擾動強度與豎向中心距間為線性函數關系，且呈負相關關系，即隨中心距的增加，熱輻射擾動強度勻速衰減，且墻冠距越小的衰減速度越快。