室外绿化景观源项化模拟研究及应用

1. PHOENICS用户交流会，2007 室外绿化景观源项化模拟研究及应用 清华大学 建筑节能研究中心 清华大学 建筑技术科学系

2. 背景：当前小区景观设计的问题 非本地树种 绿化稀少，或者布局简单 过密的灌木绿化，通风不良 绿化无生态价值

3. 随意的水体设计，大部分时间无水；下垫面材料选择不当随意的水体设计，大部分时间无水；下垫面材料选择不当

4. 需求 • 急需提供量化评价景观设计的生态效应，对热岛的缓解作用的有效手段 • 建设部标准《绿色建筑评价标准》、《绿色建筑技术评价细则》、国家环保总局标准《生态住宅（住区）技术认证标准》中均要求： • 评价室外风环境，要求：冬季室外风速不高于5m/s，建筑前后压差不超过5Pa；夏季无涡旋死角，建筑前后压差不低于1.5Pa • 室外热岛效应，要求：热岛强度不高于1.5℃

5. 景观绿化对室外热岛有多重作用，需要量化评价景观绿化对室外热岛有多重作用，需要量化评价

6. 其中： • 绿化对风环境、热岛影响明显，在模拟评价中不能忽略其作用 • 水体、湿地的降温作用也需要进行准确描述 • 问题的提出： • 以前的建筑周围风环境模拟中，基本上不考虑植物存在的影响。这在植被稀疏、树木较少的情况下是可以的，否则不能忽略。 • 能不能直接拿城市气候学里的模型来用？

7. 三维植物冠层流动模拟 • 方法：在流动方程中增加源项 连续性方程： 修改后的动量方程：

8. 修改后的k方程： • 修改后的ε方程：

9. 与风洞实验的对比

10. 冠层模型源项中参数Cpe研究 • 目前冠层流动模拟最大的不同

11. 推荐Cpe1、Cpe2取值为1.8和0.6

12. 不同树形对流场影响模拟分析

13. 模型参数选择优化研究（ Cpe1） (Mochida et al.,2004) ・ By comparing CFD results with measurements, Cpe1 was optimized. 築地松 （Rectangular-cutted-pine-trees as wind-break ）

14. 树后垂直方向速度轮廓线比较 a=1.17[m2/m3] : 实测 : CFD Cf =0.8[-] (x1/H=1) (x1/H=2) (x1/H=3) (x1/H=4) (x1/H=5) (x1/H=1) (x1/H=2) (x1/H=3) (x1/H=4) (x/H=5) (1) Cpe1=1.5 (4) Cpe1=1.8 (x1/H=1) (x1/H=2) (x1/H=3) (x1/H=4) (x1/H=5) (x1/H=1) (x1/H=2) (x1/H=3) (x1/H=4) (x/H=5) (2) Cpe1=1.6 (5) Cpe1=1.9 (x/H=1) (x/H=2) (x/H=3) (x/H=4) (x/H=5) (x/H=1) (x/H=2) (x/H=3) (x/H=4) (x/H=5) (3) Cpe1=1.7 (6) Cpe1=2.0

15. 垂直速度分布比较 (Cpe1取值设为1.8时) 推荐选值＝1.8 measurement Type B model(Cpe1=1.8)

16. Cd值选择的讨论及说明 • Cd （拽力系数）会直接影响植物冠层对流动，因此在建筑环境领域应用时需仔细选取

17. 实例应用1：不同绿化方式对居住区热岛效应和热舒适的模拟分析实例应用1：不同绿化方式对居住区热岛效应和热舒适的模拟分析

18. 不同绿化方式对居住区热岛效应和热舒适的模拟分析不同绿化方式对居住区热岛效应和热舒适的模拟分析 总的绿量率（3600m3/m2） 住宅楼 草 气象数据（7月21日） 风向风速 1.5 m/s at 10m 高度 灌木 树

19. 边界条件设定：

20. 北京；7月21日；南风；风速1.5m/s；来流空气温度29℃北京；7月21日；南风；风速1.5m/s；来流空气温度29℃ 以24h为周期，传导、辐射、对流耦合计算 1.5m气温分布 （草）：12：00 1.5m气温分布 （灌木）：12：00 1.5m气温分布 （树木）：12：00 住宅楼 1.5mSET分布 （草）：12：00 1.5mSET分布 （灌木）：12：00 1.5mSET分布 （树木）：12：00 由于草、树木和灌木对风速的衰减作用和对太阳辐射的遮挡作用不同，对热岛和热舒适的影响不同 在相同绿量（LAD）下，不同绿化方式对居住区热岛效应（温度）和热舒适状况（SET，标准有效温度）的影响

21. 草坪 灌木 树木 MRT比较（10:00） 草坪 灌木 树木 SET比较（10:00）

22. 草坪 灌木 树木 MRT比较（12:00） 草坪 灌木 树木 SET比较（12:00）

23. 草坪 灌木 树木 MRT比较（15:00） 草坪 灌木 树木 SET比较（15:00）

24. 分析 • 10:00、15:00时建筑东、南、西面周围环境1.5m高处的MRT和SET值的高低顺序是：树木<灌木或草坪。树木对其周围热环境的改善效果最好，灌木和草坪则差别较小。 • 建筑北面由于基本处于建筑阴影之下，无论树木、灌木还是草坪，差别都很小 • 但在12:00，建筑南面周围环境1.5m高处的SET值基本没有区别，甚至树木绿化对应的SET值略高 • 不同绿化对室外热环境影响与具体的时刻、实际的建筑布局、朝向等条件 有关

25. 东西朝向不同形式绿化比较

28. 分析 • 无论12：00、15：00，总的说来，树荫下最舒适，其次是凉亭，最后是灌木和草坪（二者差别不大） • 在后排建筑的东西朝向，凉亭的效果和树木差不多，原因是树木对风速有一定的衰减作用，因此尽管树荫下的平均辐射温度略低于凉亭下，但二者的热感觉基本相同

29. 不同树木布置方式的比较

30. （Case 1） （Case 2） （Case 3） MRT比较（15:00） （Case 1） （Case 2） （Case 3） SET比较（15:00）

31. 小结 • 多数情况下（不同时间、建筑不同朝向周围环境）树木对夏季室外热环境的改善作用较好，而灌木则和草坪相差不大 • 存在树木对周围热环境改善效果不如灌木和草坪的情况 • 对于不同朝向的建筑而言，相同绿化形式在不同时刻对热环境的改善效果不同 • 即便是完全遮挡阳光的凉亭，由于自身材料蓄热和长波辐射作用，它对热环境的改善效果一般情况下反而不如树木

32. 实例2：上海世博园住宅重置区景观绿化模拟优化研究实例2：上海世博园住宅重置区景观绿化模拟优化研究

33. 工作内容 • 上海世博会需要对原居住居民进行重新安置，重建小区 • 上海植物园负责新建小区的景观、园林设计工作 • 根据十一五课题“景观绿化与热岛缓解技术”要求，清华大学和上海植物园合作，利用模拟技术对不同的景观绿化进行评价、改进 • 在这里，不同的模拟方法进行的比较分析，给出了设计建议，这也是CFD模拟技术全面和景观、园林规划相结合的重要探索

36. Case study 1: Block 15#

37. CFD model with trees • 5 tracers to analyze the differences between two cases (with trees & without trees) Focused spots

38. Boundary conditions • Log-law inflow profile is used, reference velocity 3.2m/s, SE wind direction • Also simulate the NE wind direction to gain more conclusions • In this case all the plants are considered as the same, such as arbors(植樹) or shrubs(低木)

39. Velocity distribution (SE) • In this case the differences are not very significant Wind direction

40. Pressure distribution (SE) Wind direction

41. Velocity distribution (NE) Wind direction • Top: without trees • Right: all shrubs • Top Right Corner: all arbors

42. Pressure distribution (NE) Wind direction • Top: without trees • Right: all shrubs • Top Right Corner: all arbors

43. Discussions • Wind velocity is much lower when the plants are all shrubs because shrubs have a larger Cd and a larger LAD (leaf area density) • shrubs shouldn’t be located at the upwind side of a district for the sake of good ventilation in the district. • Arbors can also reduce the wind velocity, besides arbors can provide shadings in summer and allow sunshine in winter after leaves fall.

44. Case study 2: Block 11#－ A Much more complicated case • Nearly 10 kinds of trees are involved • All trees are modeled as real size and parameters • All tree parameters are from experimental data • A main wind direction of SE is simulated • Also simulate the NE wind direction to gain more conclusions CFD model (these colorful things are different kind of trees)

45. Plants parameters

46. Velocity distribution (SE) • Trees can affect the wind velocity distribution obviously • Planting Street trees is a effective way to reduce the wind velocity between buildings Wind direction

47. Velocity distribution (NE) Wind direction • Wind velocity in the district is much lower when plants are considered • The upwind side plant plays a significant role in this case. • Plants in the district also reduce the wind velocity • Number of tree should be reduced in some region to ensure good ventilation Result without trees Result with trees

48. Pressure distribution (NE) Wind direction • Pressure distribution is more uniform when trees exist Result without trees Result with trees

49. Discussion • How detailed is accurate enough? • A large amount of calculation will occur when heat transfer is also involved • One way is to use a second software to get the solar radiation distribution and building surface heat gain which can serves as boundary conditions in CFD. • Another way is to simplify the around buildings and plants as one porous media, use uniform parameters to simulate the characteristic of all the surroundings——still in research.

50. Alternative • Use block model to simplify the calculation • Treat different kinds of trees as one block which can reproduce the characteristic of real trees • The block model shows good agreement with the old modeling way