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基于热环境效益的广州地区建筑垂直绿化设计研究

日期:2021年03月07日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:85
论文价格:150元 论文编号:lw202102241004572702 论文字数:86522 所属栏目:建筑学论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇建筑学论文,本文总结归纳了建筑垂直绿化关于热环境效益方面的四个调节机制,主要包括遮阳效果、降温增湿效果、隔热效果和控风效果等,以及主要影响因素。通过建筑垂直绿化的实验实测和数值模拟研究,深入分析了不同设计因素对热环境效益的影响;最后基于热环境效益,对广州地区的建筑垂直绿化提出设计方法。


第一章 绪论


1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

随着绿色低碳时代的到来,建筑垂直绿化作为一项高新技术在世界范围内蓬勃兴起。在国家积极推进生态城市建设的背景下,国内建筑垂直绿化技术进入了全新发展阶段,尤其于 2010 年举办的上海世博会更是推动了我国建筑垂直绿化的发展和实践应用,同时也促进了相关绿化技术研究。建筑垂直绿化作为城市环境的绿化方式之一,不但可以拓展城市绿化面积、提高城市绿化率和缓解城市热岛,也能改善室内环境品质与降低建筑能耗。

(1)拓展城市绿化面积

利用建筑墙体面积进行建筑垂直绿化,不仅可在高密度的城市中充分拓展城市垂直空间的利用途径,提高土地的利用率。尤其是城市建设使下垫面大量硬质化之后,导致了城市绿化面积的减少;通过建筑垂直绿化进行绿化补偿,可为城市开拓广阔的绿化空间,对缓解城市建设用地与城市绿化用地之间日益突出的矛盾具有积极的意义。

建筑垂直绿化可将绿化从二维水平面延伸到三维空间中。由于其具有柔和,美化城市的景观效果,利用建筑立面进行绿化,不仅能在保持既有空间功能的基础上起到装饰效果,也能起到很好的组织和分割空间的效果,增强了空间的变化感。除此之外,建筑垂直绿化在充分发挥植物应有的生态效益和增强城市原有自然生态调节功能等方面具有积极的意义,是生态城市建设和缓解城市热岛效应的重要途径之一。研究发现:在城市化发展迅速的地区,城市热岛效应对局地增温的贡献从 10%~40%提高到 80%[1];而当一个城市的建筑垂直绿化达到 20%时,热岛效应可得到缓解[2]。

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1.2 相关概念界定及释意

1.2.1 热环境效益

热环境又称环境热特性,指由太阳辐射、空气温度、相对湿度、风速和物体表面温度等物理因素组成的作用于人,影响人体的冷热感和健康的环境;主要包括了自然环境、城市环境和建筑环境的热特性[3]。本文中的“热环境”主要概指建筑环境的热特性。“效益”一词是效果和利益的总称,包含了经济效应和社会效益两个方面,其在建筑上除以上两个方面外,还包含环境效益、心理生理效益以及景观效益等。

因此,“热坏境效益”是指借助系统论观点从规划、设计、构造、园林绿化等方面充分合理地利用当地气候资源,通过营造或者改善热环境,寻求人、建筑、环境与经济、节能之间的最佳结合,以完善、提高建筑自身整体功能和综合效益,并创造具有地区特色的且相对舒适、健康的建筑空间环境[4-5],从而达到建筑的绿色低碳、舒适健康和可持续发展的目标。

1.2.2 建筑垂直绿化

1973 年美国学者 Stanley Hart White 提出“垂直花园”的概念,也称“垂直绿化”[ 6];而最初的中文概念来源于原苏联文献中的翻译,通常英译为“Verticalplanting”或者“Vertical greening”。不同文献对垂直绿化概念的叙述有所差异,主要为以下两种观念:狭义概念上将垂直绿化作为立体绿化的一种形式,如《垂直绿化工程技术规程》CJJ/T236-2015 将垂直绿化定义为:利用植物材料对建筑物或构筑物的墙面及立面进行绿化和美化,将垂直绿化作为生态建筑建设的组成部分[7]。广义概念上则将垂直绿化称为立体绿化,指在不占用或很占用规划用地的情况下,对各类建筑物和构筑物的垂直或平行于地面的立面或顶面进行绿化的形式,即相对于传统平面绿化而言,在立体空间中利用建筑物或构筑物表面攀附、固定、贴植、垂吊等形式进行绿化的一种方法[8-9]。

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第二章 建筑垂直绿化实验设计


2.1 建筑垂直绿化墙试验台搭建

2.1.1 搭建需解决的问题

广州市地处我国“夏热冬暖地区”南区,东经 113.33゜,北纬 23.17゜[50]。广州的夏季从 5 月到 10 月中旬,其中 7、8 和 9 月为典型的夏季气候。夏季高温炎热,以偏东南风为盛行风,雨量充沛,太阳高度角大,太阳辐射强烈,全年平均温度 21.8℃,平均相对湿度约 80%[51~52],是我国湿热地区典型城市。

根据我国建筑热工设计原则,广州地区建筑必须充分满足夏季隔热设计要求,可不考虑保温设计,强调自然通风、遮阳设计[50]。在建筑设计时应采取最大限度借助隔热、遮阳和自然通风等被动式设计手段来改善建筑室内外热环境。营造健康舒适的空间始终是广州地区建筑的研究重点。

建筑垂直绿化一方面通过植物层的蒸腾作用以及基质层水分的蒸发作用,降低周围环境温度并增加相对湿度,对建筑室内外环境具有降温增湿作用;另一方面枝叶可直接遮挡、反射和吸收太阳辐射,避免外墙因吸收过多的辐射热量而升温,降低外墙表面温度,可满足广州地区建筑防热、遮阳的要求。

因此,本实验旨在解决以下问题:

(1)研究建筑垂直绿化对太阳辐射的遮阳效果,对室内外环境的降温增湿效果,对墙体的降温隔热效果;

(2)研究建筑垂直绿化的土壤墒情(土壤体积含水率和土壤温度)对空气温湿度和墙体隔热的影响;

(3)研究自然通风、绿化覆盖率和布局方式等因素对热环境效益的影响。

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2.2 建筑垂直绿化的实验方案设计

2.2.1 实验目的与内容

(1)实验目的

本实验的主要测试目的:在广州地区晴朗炎热天气,实测建筑垂直绿化对热环境降温增湿的效果和建筑墙体热工性能的影响;其次实验实测自然通风、绿化覆盖率和布局方式等三个实验因素对热环境效益的影响。

(2)实验内容

1)在广州地区晴朗天气,实验实测垂直绿化墙对室内外热环境、墙体内外表面温度和墙体内表面热流的影响。

2)实验分析自然通风、绿化覆盖率和布局方式等实验因素对热环境效益的影响。

3)分析各环境因素(太阳辐射、空气温度、相对湿度和风速)和墙体热工参数的相关性。

2.2.2 实验测试仪器

(1)实验仪器

表 2-3 为本次实验使用的实验仪器及其参数,测试参数见表 2-2,本次实测高度取离地 1.4m。其中自记仪都采取防辐射措施,每间隔 30 分钟记录一次。小型移动气象站放置于无遮挡的地方,记录测试期间天气气象数据(室外空气温度、室外相对湿度、太阳辐射和室外平均风速)。

表 2-3 实验的主要仪器及其参数

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第三章 建筑垂直绿化对热环境效益的影响.............................34

3.1 前期准备实验...........................34

3.1.1 叶面积指数(LAI)的测定............................34

3.1.2 实验房验证实验分析...................35

第四章 建筑垂直绿化对热环境效益的数值模拟研究.........................81

4.1 ENVI-met数值模拟软件简介...........................81

4.2 数值模拟方法................83

第五章 总结与展望.........................126

5.1 本文主要结论............................126

5.2 本文不足之处..................128

第四章 建筑垂直绿化对热环境效益的数值模拟研究


4.1 ENVI-met 数值模拟软件简介

本文采用德国Bruse和Fleer[55]在1998年基于计算流体力学与热力学原理开发城市微气候模拟软件 ENVI-met 进行建筑垂直绿化的模拟研究。ENVI-met 包括了大气、辐射、土壤、建筑和植被等 5 个子系统,水平范围为 0.1~1.0km,竖直范围小于 200m,水平解析度为 0.5~10m,时间步长最大为 10s,能输出空气温度、相对湿度湿度、风速和平均辐射温度等物理参数;该软件可以模拟城市环境中的实体表面-植物-空气的相互作用。模型计算时,ENVI-met 会考虑建成环境和绿化植被影响的短波或长波辐射;绿化植被和空气的蒸发、蒸腾以及显热交换;涵盖所有绿化物理参数的模拟;实体表面温度的模拟计算;土壤系统的水-热系统。

由于上述特点,ENVI-met 可适用于小尺度微气候的模拟研究,而且可以定量的分析乔木植被、室外热环境与建筑物之间的关系,近年来已被广泛用于城市微气候环境的研究[56-57]。

表 4-1 ENVI-met 输入量和输出量

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第五章 总结与展望


5.1 本文主要结论

建筑垂直绿化作为城市环境的绿化方式之一,对拓展城市绿化面积和改善室内环境品质有着重要的作用。本文总结归纳了建筑垂直绿化关于热环境效益方面的四个调节机制,主要包括遮阳效果、降温增湿效果、隔热效果和控风效果等,以及主要影响因素。通过建筑垂直绿化的实验实测和数值模拟研究,深入分析了不同设计因素对热环境效益的影响;最后基于热环境效益,对广州地区的建筑垂直绿化提出设计方法。本文的具体工作和主要结论如下:

(1)本文选用了广州地区常绿的灌木植物——鸭脚木和种植盒式的垂直绿化类型,于实验房的西南向墙体搭建了垂直绿化实验墙。首先,以两个实验房为实验对象(其中一个为垂直绿化房,另一个为对比房),设计了建筑垂直绿化的基础实验方案;其次,以自然通风、绿化覆盖率和布局方式为实验因素,设计了分类实验方案。

(2)利用垂直绿化房与对比房进行前期准备实验、基础实验和分类实验的现场实测,深入分析了建筑垂直绿化对热环境效益的 4 个调

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