街区尺度屋顶绿化热效应及其与城市形态结构之间的关系

研究探讨大面积屋顶绿化如何改善城市冠层内部三维空间的热环境,改善效果与城市形态结构之间存在的关系。基于三维小气候模型ENVI-met 4.2,开展街区尺度屋顶绿化热效应研究。在南京市选择具有不同形态结构特征的8个典型样区,每个样区设置2种朝向(街道与主导风向平行或相交)、3种屋顶绿化情景(传统光屋顶、简易型绿化、复合型绿化),共对48种情景进行了微气候模拟与分析。结果表明,街区尺度屋顶绿化产生的"冷岛"可从屋面扩散到地面空间,缓解城市冠层热岛效应。白天14:00时,8个样区屋顶1.5 m高处的降温强度最高可达0.64℃,样区平均降温强度最大值为0.44℃;地面1.5 m高处的降温最大值为0.55℃,样区平均降温强度最大值为0.25℃。建筑高度、高宽比、容积率与屋面、地面降温强度之间均存在显著负相关关系;建筑密度与屋面降温强度显著正相关,但与地面降温强度之间无显著相关性。总的来说,紧凑低层建筑区和开敞低层建筑区实施屋顶绿化后产生的降温效应明显高于紧凑和开敞高层建筑区;建筑高度和密度相同时,街道走向与主导风向呈45°夹角比与主导风向平行具有更高的降温强度。研究结果能够促进对亚热带城市地区建筑-植被-大气相互关系的深入认识,并为屋顶绿化实践提供指导。

亚热带季风区城市典型绿化屋顶的径流削减效应

屋顶绿化能够削减暴雨径流,降低城市内涝发生频率,促进可持续雨洪管理。针对亚热带季风气候区典型绿化屋顶的全年径流削减效应,以南京为研究区,以简易型、花园型两类绿化屋顶为研究对象,基于1年现场观测数据及水量平衡方程,分析屋顶雨水的滞蓄、蒸发与径流量随季节变化规律及其关键影响因子,采用SCS CN模型计算绿化屋面的径流曲线数(CN),并估算城市尺度大面积屋顶绿化的暴雨径流削减效果。结果显示,简易型、花园型绿化屋顶全年径流削减率分别为42%和60.7%;径流削减效应的四季排序为春季>冬季>秋季>夏季,平均径流削减率依次为78.6%、47.5%、33.2%、32.9%(简易型)及98%、84.3%、49.5%、48.1%(花园型);土壤基质层对雨水截留起主导作用,分别占径流削减总量的52%和62%;雨量和雨强是影响径流削减效应的关键因子,与径流削减率均呈显著负相关关系(P<0.01),初始土壤湿度与简易型绿化屋顶的径流削减率呈显著负相关(0.01<P<0.05),但与花园型的径流削减率无显著相关性;基于全年77次降雨事件的降雨量 径流量数据测算得到简易型和花园型绿化屋顶的CN值分别为92和88;若南京主城区所有建筑屋顶面积的60%实施两类绿化,则其全年径流量可分别削减2.8×10^7 m^3和4.2×10^7 m^3。以上研究结果可为城市雨洪管理和海绵城市建设提供科学依据。

城市局地气温对建筑冷负荷的影响

局地气候区(Local Climate Zone,LCZ)是一套用于城市气温研究的客观、标准、通用的局地热气候分类方法。对南京9个不同类型LCZ地块的近地气温进行实测(2016年07月22日至2016年09月30日),然后结合EnergyPlus软件分析局地气温对典型居住建筑和办公建筑冷负荷的影响。结果表明:1)热岛强度夜间显著高于白天;对于整个研究时段的夜间平均热岛强度,紧凑建筑区最高(1.8～1.9℃),其次是开敞中高层建筑区和重工业区(1.4～1.5℃),低层建筑区为0.9～1.1℃;稀疏建筑区最低(0.3℃);热岛强度在少云弱风的典型天气条件下更高;2)与采用郊区气象参数的基准案例相比,整个研究时段各LCZ地块居住建筑的累积冷负荷增幅为8%～17%,办公建筑的累积冷负荷增幅为4%～7%;典型天气条件下的夜间时段各LCZ地块的居住建筑累计冷负荷增幅为8%～26%。

空调结合风扇策略对建筑空调能耗的影响

首先通过对比南京某办公建筑典型房间室内热环境的实测值(含过渡季自然通风工况和夏季空调+风扇工况)和基于CFD软件PHOENICS的模拟值,验证了模拟方法的可行性;然后重点研究在办公建筑中将空调与电风扇相结合的室内热环境调节策略,基于PHOENICS对不同调控方案(空调+吊扇、空调+落地扇)进行模拟,分析对人体热舒适的影响;最后运用建筑能耗模拟软件De ST定量评价各调控方案的节能潜力。研究结果表明:在办公室内通过适当调高空调设定温度并利用电风扇来提高室内空气流动速度,可在满足热舒适的同时显著降低空调能耗;相对湿度为60%时,相对于仅采用空调的方案,空调+落地扇的调节策略可在满足热舒适的同时实现节能53.7%。

城市绿化屋顶的微气候调节与径流削减效应研究

快速城市化与气候变化双重作用下,热岛效应与城市内涝成为最为突出的城市环境问题。绿化屋顶因能有效利用闲置屋面添緑、帮助城市缓解热岛和暴雨径流而受到关注。以往研究较多探讨单种气象条件下、单个小面积实验型绿化屋面的气候水文调节功能,本研究基于夏秋两季的微气候水文观测数据,定量分析不同气象条件下5种典型绿化屋顶的降温和径流削减效应。首先选择晴朗、多云、降雨3种典型夏日天气条件,分析草坪、裸土、菜地、小面积花园、大面积花园5种类型绿化屋顶与对照光屋顶之间的温度差日变化规律,探讨绿化屋顶热效应强度及时空特征;其次,选择暴雨、大雨、中雨及小雨4次典型降雨,分析大面积草坪与花园型绿化屋顶上的降雨-滞蓄过程及径流削减率。研究结果表明:绿化屋顶降温与升温效应并存,晴朗无风天气条件下,距离屋面10 cm和150 cm两个高度上,绿化屋顶最高可降低气温5.3℃和2.5℃,多云及降雨天气条件下降温强度下降,升温时段延长;白天草坪与裸土上的大气温度高于对照光屋顶,其它绿化屋顶的温度低于对照屋顶;夜间5个绿化屋顶的大气温度均低于对照屋顶,且降温效应按照大面积花园、草坪、小面积花园、裸土、菜地的顺序递减。绿化屋顶径流削减效益与绿化类型及降雨强度密切相关,花园型绿化对一次典型暴雨、大雨、中雨、小雨的径流削减率分别为50.8%、78%、100%、100%,简易型绿化的4次径流削减率分别为24.3%,58.6%,98.2%和100%。研究结果可为同气候区其他城市绿化屋顶环境设计及管理提供一定参考价值。

一个日最大热岛强度诊断方程的检验

应用南京城市气温观测数据对一个2017年最新提出的日最大热岛强度诊断方程进行了检验,这是首次用欧洲之外的城市气温实测数据对该方程进行检验。南京气温观测实验基于城市局地气候分区(Local Climate Zone,LCZ)方法进行,该方法是一种用于城市气温研究的客观标准的局地热气候分类方法。用于本次研究的气温观测数据来源于南京城区7个不同类型的LCZ地块,从2016年7~11月期间挑选出29 d天气特征为晴朗、微风、少云的典型气象日。对比分析了各LCZ地块的日最大热岛强度观测值和基于该诊断方程的计算值,结果表明:该方程的整体精度(r^2=0.46,RMSE=1.08 K,MEAE=0.76 K)接近其在欧洲西北部14个城市的诊断表现(r^2=0.65,RMSE=0.91 K,MEAE=0.58 K),初步表明该方程可用于诊断我国城市的日最大热岛强度。