[摘要] 本文是一篇建筑论文，本文首先从居住建筑的室外热环境出发，研究了建
本文是一篇建筑论文，本文首先从居住建筑的室外热环境出发，研究了建筑室外热平衡及风舒适性国内外评价标准，选取西安市两个典型居住小区作为课题研究对象，其中对高层住宅的室外风环境及日照条件进行模拟分析，提出绿化改善室外风环境的必要性。其次，对高层建筑中布置单排树木、双排树木，及树木和草地互植的绿化模式的情形进行建筑室外风环境模拟，通过监测点风速值大小的比较，研究不同绿化布局模式对改善室外风环境大小的作用。最后通过对低层居住小区室外热环境参数的实测所得数据，分析各种绿化条件及地面类型对热环境参数的影响，并计算了绿化对建筑节能量的影响大小。
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着城市高层居住建筑数量的剧增，通过利用城市空间营造舒适的人居环境以及高水平住宅的开发使得打造绿色人居环境在社会市场上有了更高的需求。随着国家对于房地产开发的引导，住宅已从过去单纯考虑满足人类居住的单一功能发展到了从人的需求出发，不仅要满足自身居住功能，还需达到满足人体舒适度要求的发展阶段。良好的人居环境一方面可以愉悦居住者的身心，另一方面通过利用自然环境与人达到和谐统一，可使建筑耗能降低。但是，目前许多房地产开发商只是提出了绿色、生态、健康的口号，在各种现实条件下，并未真正做到建筑物、人与室外热环境的协调统一。
景观设计是建筑室外设计的一个重要环节，景观设计师如何从人身心健康角度出发，提出既能满足美学要求，又能与小区规划相结合的设计方案，并能达到节能的目的，是需要各个专业相互配合完成的。暖通专业着重点在于使建筑的能耗降低，并调节居住建筑的室外热环境满足人类居住要求。通过绿化设计可以实现减少窗及围护结构的得热量从而降低建筑能耗、利用植物的蒸腾作用可将太阳辐射热转化为汽化潜热，树木阴影可以缩小围护结构表面温度的波动范围。植物还可以调节室外环境温湿度、降低污染物浓度、遮挡太阳辐射、植物的树荫还可以起到遮阳的效果。植被对于居住环境温度的改善具有积极作用[2, 3]。
建筑设计出于地形、地块的限制，在建筑布局难以调整的条件下，可利用调整绿化布局形式改善居住小区室外热环境。
建筑室外风环境作为建筑室外热环境的重要组成部分，其优劣性直接影响着人的室外活动能否顺利进行，良好的室外风环境不仅可以改善微气候，并且可加强建筑室内的通风效果，夏季可降低空调使用的冷负荷和耗电量，冬季树木的防风可减少冷风渗透，降低冬季采暖热负荷，在一定程度上可节约能源。建筑室外风环境已经受到各个国家的重视，我国也相继出台了相关标准规范对其进行标准化规定。冬季雾霾天气风速过低不利于污染物的扩散，在北方大风天气的情况下应考虑防风，因而冬季防风林带应布置合理，绿化既要起到防风挡风的效果，还要有引流导流作用。
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1.2 国内外研究现状
国内外学者关于建筑室外热环境主要研究了建筑布局、下垫面种类（包括绿化形式、水体设置、地面材料）、气候因素等影响因子、人体热舒适度评价、室外热环境模拟方法等方面，并取得一定的进展。从建筑节能角度分析，各种调节室外热环境的方法都能达到不同的节能效果。通常采用模拟与实测相结合的方式对建筑室外热环境进行研究。
1.2.1 国外研究现状
（1）植被对热环境的影响作用研究现状
近年来，城市人口的不断增长使得城市化成为发达国家或发展中国家的发展态势。由于人口增长需求，更多的专家学者开始注重建筑物、景观设计、人的行为活动对城市环境产生的影响[4]。城市的热岛效应导致市区的温度上升。 Takahashi 等提出导致市区温度上升的原因为：绿地的减少、风速的降低、密集的建筑群以及路面材料的选择[5]。景观绿化可使单体建筑达到 25%-50%的节能率[6-8]，最高可达 80%[9]，美国绿色建筑委员会接受北美健康城市委员会的提议将墙体绿化这一改善室外热环境的形式作为 LEED 评价体系中的一个得分条款[10]，由此看出，绿化对人居条件及建筑节能的重要作用。
Akbari 等总结了居住小区绿化对降低建筑能耗及净化空气的过程[11]。Liyan Rui等使用计算流体动力学计算模拟了居住区小气候模型 ENVI-met，采用了四个绿色指数，即绿色覆盖率、草地和灌木覆盖率、生态景观用地比和景观隔离指数，评估居住区模型的热场和风场以及空气质量。研究结果表明，当树木存在时，二氧化碳在树木下的浓度较低，并且可对风及污染物扩散起到阻挡作用，低生态景观面积比与高景观隔离指数（意味着植被的分布结构）相比，高景观隔离指数增强了局部冷却能力和一般热舒适性，平均温度降低约 0.5℃，预测平均评价值（PMV）高达约 20％。分析植被—微气候—空气质量关系不仅要考虑植被覆盖总面积，还要考虑植被覆盖面积布局和聚合程度。
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2 居住建筑室外热环境理论基础研究
2.1 建筑室外环境中的热平衡
2.1.1 建筑室外热环境能量平衡方程
净辐射可以通过下列等式来描述城市表面单独的四个辐射过程[49]：净辐射=入射太阳能-反射太阳能+大气辐射-地面辐射。入射太阳能代表太阳发出的短波辐射，根据维度、季节、时间、云层高度的不同而不同[51]，它包括直接短波辐射（太阳光直接来自太阳）和漫射短波辐射（太阳辐射从云和尘埃粒子反射）。反射太阳能是来自城市表面反射的短波辐射可以通过表面材料确定太阳反射率。许多研究人员通过材料表面的反射率来定义材料的特性。大气辐射是来自天空的粒子发射到城市地面的长波能量通量。排出的热量随着空气温度和空气颗粒物数量的增加而增加[50]。地面辐射主要是城市地面发出的长波辐射，主要受两种因素控制，一为城市物体的热辐射，二为地表面温度。当地面温度越高，从地表面辐射的能量越多[49]。净辐射是城市冠层的主要能源，其中太阳能的数量取决于季节、日常周期、纬度、太阳角和所处位置。入射太阳能和大气辐射对于特定的城市是不可控制的，而短波辐射和表面热辐射是可以通过材料的选择控制的。植物覆盖率的反照率值根据植物物种、大小、和排列方式表现出不同的变化，值的大小可从 0.07 到 0.3[51]。
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2.2 建筑室外热环境数值模拟软件的选取
2.2.1PHOENICS 软件在建筑室外风环境中的应用 能量平衡起源于热力学的第一定律，可用等式表达为能量增加=能量损失+能量存储。对于城市建筑环境中的地面—空气系统，太阳短波辐射或人为产热量意味着能量的增加，能量损失包括三种形式（1）对流，以显热的形式加热空气；（2）蒸发和蒸腾（水份从植被蒸发）损失，均以潜热的形式进行；（3）净能量转移到其他系统，
或储存在建筑物、道路中的能量[47-49]。能量平衡方程如公式（2-1）[50, 51]： 
PHOENICS 作为本文模拟的选用软件，故以介绍 PHOENICS 软件为主。自 1981年以来，商用软件开发的第一版 PHOENICS-81 问世，历经近 40 年的创新发展，更新了多个版本。暖通专业用到的 PHOENICS 一般指其 FLAIR 模块。CFD 商业软件模块 PHOENICS 其解决的控制方程有多种[65]，这些公式可以在 PHOENICS 用户手册[66]和其余 CFD 课本中借鉴。模拟中用到的表示为 k-ε 的湍流方程，模拟的迭代计算应达到相对收敛值为 10-3，精度取决于计算网格的分辨率，更精细的网格划分可以提供更准确的计算结果。增加网格数量也会增加所需要的计算资源，因为计算域的宽度和高度会影响计算结果的输出，采用 PHOENICS 软件可观察空气流动模式及温度分布。
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3 高层居住建筑室外热环境的模拟分析 .......................... 21
3.1 研究对象的选取 ............................................. 21
3.1.1 研究对象概况 ......................................... 21
3.1.2 西安市气候气象条件 ........................................... 22
4 不同绿化布局模式对高层居住建筑室外热环境的影响研究 ..................................... 41
4.1 树木周围流场模拟分析 ........................................ 41
4.1.1 单棵树木周围流场分析 ..................................... 41
4.1.2 单双排树周围流场分析 ................................... 43
5 低层居住建筑室外热环境实测与模拟研究 ................................. 53
5.1 低层居住建筑室外热环境研究概况 ........................................ 53
5.1.1 低层居住建筑概况 ..................................... 53
5.1.2 测点位置选取 ........................................ 54
5 低层居住建筑室外热环境实测与模拟研究
5.1 低层居住建筑室外热环境研究概况
5.1.1 低层居住建筑概况
本章选取的研究对象为低层居住小区，位于西安市临潼区，项目共有 11 栋住宅楼，1#—4#楼为 6 层建筑，5#—11#为 7 层建筑，小区的实际绿化条件较好，满足西安市住宅绿地率 35%的要求，但存在地面停车位，未实行人车分流，对小区室外热环境会产生一定的影响，且有一定的噪音和污染。小区的地面为草地、水泥地面和透水砖地面，绿化为部分复层绿化，存在成熟高大的乔木。因项目的北面临近道路，处于广阔地带，无周边建筑对其形成日照遮挡和通风的阻挡，通风条件良好，故研究的为该建筑群自身的热环境条件。
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6 结论与展望
6.1 课题主要研究工作和结论
本文首先从居住建筑的室外热环境出发，研究了建筑室外热平衡及风舒适性国内外评价标准，选取西安市两个典型居住小区作为课题研究对象，其中对高层住宅的室外风环境及日照条件进行模拟分析，提出绿化改善室外风环境的必要性。其次，对高层建筑中布置单排树木、双排树木，及树木和草地互植的绿化模式的情形进行建筑室外风环境模拟，通过监测点风速值大小的比较，研究不同绿化布局模式对改善室外风环境大小的作用。最后通过对低层居住小区室外热环境参数的实测所得数据，分析各种绿化条件及地面类型对热环境参数的影响，并计算了绿化对建筑节能量的影响大小。以下为本研究的几个重要结论：
针对高层居住建筑得出的结论为以下 4 条结论：
（1）居住建筑对冬季室外风环境的评价要求可通过改变建筑室外绿化布局模式的方法来实现。冬季对于前排迎风面建筑室外风环境的改善需设置防风林。
（2）高层居住建筑中日照条件较差的低层住户应尽量避免高大树木对其形成遮挡，可选用低矮灌木及草地的方式进行绿化布置。
（3）单棵树周围流场分布体现出梯度风的变化规律，风速随树木高度的增加而增加，且树木对于来流风具有一定的阻挡作用，气流在流经树木时，也会有部分气流绕过树木，在树木两侧风速较大，且在树木之间可对气流形成引导作用，加大来流风的风速，对气流扰动较大的区域，高层居住建筑可通过设置单排树木的方式对建筑室外风环境进行改善。
（4）对于高层居住建筑，在围合结构的建筑布局中应布置双排树的绿化模式对建筑室外风环境的改善效果较好，建筑室外布置双排树木与草地互植模式对建筑室内通风改善效果最优。互植模式的绿化使室外气流的流场更加均匀，扰动较小，后排建筑室外风速衰减较小，利于建筑的自然通风，且无风区域相比其他绿化模式较小，极大的改善了室外风环境。采用互植的绿化模式，对建筑室外涡旋现象的改善效果明显。
参考文献（略）
