[论文分享]Numerical simulation of diurnal and nocturnal impact of vegetated facades on microclimate
📃 基本信息
[论文标题] 《植被立面昼夜对微气候影响的数值模拟》
[期刊信息] Building and Environment (2025) | 作者: Yi Zhao, Ruibin Li, Jianlei Niu, Xing Shi, Naiping Gao
📌 一句话概括
本研究通过数值模拟探究了间接式植被立面在昼夜条件下对微气候的调节机制，揭示了植被厚度、叶面积指数与朝向对温湿调节和蒸腾速率的关键影响。
📚 深度总结
本研究致力于解决城市热岛效应加剧背景下的局部气候调节问题，重点关注建筑上城市绿色基础设施（UGI）中的间接式植被立面，分析其在夏季条件下对微气候的昼夜影响。论文首先指出现有研究在控制变量、测量范围以及对植被与微气候相互作用机制深入理解方面的局限性，特别是对动态气孔阻力、蒸腾速率以及昼夜变化的关注不足。
研究采用OpenFOAM v6中的urbanMicroclimateFoam求解器进行数值模拟，并结合可实现式k-ϵ湍流模型、热湿耦合（HAM）模型、叶片能量平衡模型、动态气孔阻力模型和辐射模型，构建了一个多物理场耦合的模拟框架。将植被建模为多孔介质，并以源项形式加入到控制方程中。研究对象是一个10x10x20m的建筑，其所有垂直立面（迎风、背风、向阳、背阴）均覆盖间接式植被立面，植被层与建筑表面之间保留0.05m的空隙。模拟了苏黎世在初夏条件下的连续三天（72小时）。关键参数包括植被层厚度（0.10m、0.25m和0.35m）和叶面积指数LAI（2、3和4），并以无植被立面作为对照组。通过网格敏感性分析，选择了5.4百万网格的精细网格，并对叶片温度、空气温度和气孔阻力分布进行了验证，确保了模拟的准确性。
研究结果显示，植被立面对微气候具有显著的调节作用。在日间，植被立面能有效降低建筑周围的空气温度和立面温度。具体而言，在向阳侧建筑角落附近，0.35m厚、LAI为4的植被立面实现了约-2.7℃的最大降温效果。厚植被层由于更高的热惯性，在白天吸收热量并夜间逐渐释放，能更长时间地维持降温效果，且其加湿效应也更显著。例如，0.35m厚的植被层能在正午达到最佳降温效果，并在距离立面0.5m处降低约0.55℃，其降温影响范围最广，并持续到傍晚17:00。在夜间，由于叶片的辐射冷却效应强于空气的热缓冲能力，植被层内的空气温度会高于叶片温度。研究还发现，最佳植被配置因朝向而异：向阳侧以厚植被层（0.35m）配高LAI（4）效果最佳；而在背风侧，过高的LAI（例如LAI 4）可能限制气流，导致热量积聚，反而不如LAI较低但足够提供遮蔽的厚植被层（例如0.35m厚，LAI 2）降温效果好。关于蒸腾速率，虽然更厚的植被层总蒸腾量更大，但在特定厚度下，较高的LAI有时会伴随较低的蒸腾速率，这与高LAI导致的内部气流受限和气孔阻力增加有关。
本研究揭示了植被立面在改善微气候方面的多方面调节机制，包括生理适应和局部微气候调节，为气候适应型绿色基础设施设计提供了理论基础。研究局限性在于仅在温带海洋性气候的夏季条件下进行模拟，未来的研究可扩展到更多气候区及季节性表现。
本速览仅作研究参考，不替代原文阅读。如需引用，请参考原论文。
🔍 要点追溯
- 研究方法: 数值模拟 (CFD), 热湿耦合模型, 叶片能量平衡模型, 动态气孔阻力模型, 辐射模型
- 适用范围: 间接式植被立面, 夏季条件, 温带海洋性气候 (苏黎世)
- 使用工具: OpenFOAM v6 (urbanMicroclimateFoam求解器)
- 数据来源: 典型的气象年测量数据 (苏黎世, 2009年7月15日), Kichah et al. [40] 实验验证数据
- 参考标准: CFD最佳实践指南 [37]