冷材料涂层与垂直绿化对街道峡谷中行人热舒适度的综合影响

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Combined effects of cool material coatings and vertical greening on pedestrian thermal comfort in street canyons

　　

摘要
城市过热加剧了街道峡谷中行人的热暴露，而冷材料涂层和垂直绿化的综合效果仍缺乏充分的量化研究。本研究开发了一个三维计算流体力学框架，耦合了辐射、组分传输、多孔介质和树冠蒸散发模型，以评估风速、气温、水蒸气质量分数和通用热气候指数 (UTCI)。各个子模型分别针对相关实验或基准数据进行了验证。系统地考察了缓解策略布置、峡谷宽高比、太阳辐射、背景温度、相对湿度 (RH)、叶面积密度和最小气孔阻力的影响。模拟的场模式显示，仅在冷材料案例中风流和湿度变化有限，而包含垂直绿化的案例表现出较低的气温、较高的湿度和改变后的行人层风流。在基准热天气条件下（宽高比为 2，直射和漫射太阳辐射分别为 800 和 150 W m-2，气温为 318.15K，相对湿度为 20%），与未处理的峡谷相比，结合相等立面面积的冷材料涂层和垂直绿化的配置使路径平均 UTCI 在背风侧降低了 1.65K，在迎风侧降低了 2.27K。降低叶面积密度会增加路径平均 UTCI，而降低最小气孔阻力则会减少它。这些发现取决于测试的稳态条件、垂直入流和固定的太阳配置。

引言
气候变化和快速城市化加剧了城市热岛效应，并增加了户外热暴露的风险。在建成环境中，缓解城市过热、减少制冷能耗和改善户外热舒适已成为关键研究关注点。以前的研究表明，夏季较高的户外气温会显著增加建筑制冷需求，且受城市热岛效应影响，城市建筑每单位面积的空调能耗通常高于郊区建筑 [1,2]。因此，改善社区和街道峡谷尺度的户外风热环境对于降低热暴露风险和增强城市空间宜居性至关重要。

为缓解城市热岛并改善户外热环境，已提出各种被动策略，包括优化城市几何形态 [[3], [4], [5]]、增加城市绿化 [6,7]、提高城市表面反照率 [[6], [7], [8]] 以及引入水体 [[9], [10], [11]]。在这些方法中，冷材料涂层 (CM) 和垂直绿化 (VG) 引起了越来越多的关注，因为它们可以直接应用于建筑围护结构表面和街道峡谷空间 [12,13]。CM 主要通过增加建筑表面的太阳反射率来减少表面得热和表面温度。相比之下，VG 通过遮荫、蒸腾和阻碍近壁风流来影响局部风热湿环境。由于这两种策略通过不同的机制运作，它们的联合应用可能会产生互补效应。然而，由于反射辐射增强、通风减弱或湿度增加，也可能导致抵消效应。

以前的研究表明，冷材料可以显著降低建筑表面温度，而其对街道峡谷气温和风速的影响相对有限。基于南京典型居住区的数值模拟，Xu 等人发现冷材料和超冷材料对居住区微气候中的风速影响甚微 [14]。他们在广州的缩尺户外实验进一步表明，冷材料对街道气温的影响有限，最大降幅仅为 0.2K [15]。Li 等人也报告说，冷涂层主要冷却直接暴露于太阳辐射的建筑表面，而其对峡谷气温和风速的影响较弱 [16]。同样，Hang 等人在缩尺户外实验中发现，应用 CM 仅导致街道气温发生小幅变化 [17]。这些发现表明，仅从表面冷却的角度评估冷材料可能不足以解释其对街道峡谷微气候和行人热舒适的总体影响。

此外，冷材料对行人热舒适的影响不一定与其表面冷却性能一致。冷材料改变了街道峡谷内的辐射热传递，从而影响平均辐射温度 (Tmrt) 和行人热舒适。一些研究表明，冷表面或红外反射墙可以改善户外热舒适 [20]。然而，其他研究表明，降低路面反照率可能通过减少短波反射来改善夏季行人热舒适 [18]。Salvati 等人发现，增加城市峡谷中的表面反射率可能会增强表面之间的多次反射，从而增加 Tmrt 并对户外热舒适产生不利影响 [19]。同样，一些研究报告称，高反照率表面可以降低表面和空气温度并缓解城市热 [20,21]，而另一些则表明，这种表面可能会通过增强反射辐射来增加热应力 [22,23]。因此，冷材料的热舒适影响具有高度的情境依赖性，应综合考虑风速、气温、湿度和辐射条件进行全面评估。

与冷材料相比，VG 通过更复杂的风、热和水分耦合过程影响街道峡谷环境。以前的综述表明，绿墙和垂直绿化系统可以通过遮荫、蒸腾、隔热和改变近壁气流来降低建筑表面温度和局部热负荷 [[24], [25], [26], [27]]。在这些机制中，遮荫和蒸腾通常被认为是 VG 提供热调节的主要贡献者，而植被层也通过气流阻力改变近壁风速和对流传热 [25,28]。现场测量和数值模拟表明，VG 可以降低外部表面温度，尽管冷却幅度受植物类型、叶面积、立面朝向和气候条件的影响 [[29], [30], [31], [32], [33]]。同时，VG 会减弱植被层附近或内部的风速。几项研究报告称，绿化层后方或内部的风速显著低于无障碍墙表面附近的风速 [[34], [35], [36], [37]]。因此，VG 不仅仅是冷却措施；其对街道峡谷热环境和行人热舒适的影响取决于通风减少和蒸腾冷却之间的平衡。这种平衡也受植被特征的影响：叶面积密度影响蒸腾和气流阻力，而气孔阻力调节水汽交换和蒸发冷却。

VG 对户外热舒适的影响也表现出明显的空间变异性和情境依赖性。Tan 等人发现，VG 可以显著调节户外 Tmrt；在移除单侧绿墙后，距墙 0.5 米处的点 Tmrt 增加了 10.9-12.9K，较远处的点增加了 1.9-6.4K [38]。Zhang 等人进一步报告说，垂直绿立面使户外峰值湿球黑球温度降低了约 2.7K [37]。Cui 等人表明，垂直立面绿化系统使行人层生理等效温度降低了 0.17-1.4K，且街道峡谷下部绿化覆盖率每增加 10%，行人层气温降低 0.3-0.5K [28]。在一个真实尺度的街道峡谷中，Zuckerman 等人发现垂直绿化系统降低了 Tmrt、生理等效温度和 UTCI，行人高度的平均 UTCI 降低量为 0.63-0.8K，当墙表面被植被覆盖时最高可降至 2.7K [39]。然而，其他研究表明，在某些覆盖条件下，活体墙不一定能在生理等效温度方面产生显著改善，这表明 VG 的热舒适效益共同受峡谷朝向、遮荫条件、绿化形式和空间位置的影响 [40]。

尽管这些研究阐明了单个缓解策略的性能，但仍存在几个研究空白。Salvati 等人 [19] 表明，尽管增加了表面反射率可能通过城市峡谷内的多次反射提高平均辐射温度，尽管降低了表面和空气温度，并强调反射材料的净效应强烈依赖于峡谷几何形态。对于垂直绿化，Su 等人 [25] 识别出遮荫、蒸散发、隔热和气流阻碍是相互关联的机制，其相对贡献受植被和环境参数的影响。Zheng 等人 [36] 进一步指出，以前的研究主要集中在建筑尺度应用上，而垂直绿化在街道峡谷中的冷却性能及其对峡谷宽高比的响应仍了解不足。此外，Zuckerman 等人 [39] 表明垂直绿化的冷却性能随气象条件变化。这些发现表明，冷材料和垂直绿化的热舒适效应不能仅从表面冷却推断。

然而，冷材料涂层和垂直绿化通常被单独研究，关于冷材料引起的辐射变化如何与垂直绿化引起的遮荫、气流阻力、蒸散发和加湿相互作用，可用的证据有限。辐射和遮荫效益可能会因蒸散发而增强，而气流阻碍和加湿可能会通过减少通风和增加湿度来抵消这些效益；因此，由此产生的综合响应可能是互补或抵消的，而不一定是协同的。特别是，它们在不同峡谷几何形态、气象条件和植被特征下对行人热舒适的综合影响仍缺乏充分的量化。为填补这些空白，本研究应用了一个三维计算流体力学 (CFD) 框架，耦合辐射传输、组分传输、植被诱导的动量和湍流源项，以及树冠能量和水分交换。该框架用于比较不同的冷材料和垂直绿化布置，并量化它们在峡谷宽高比、太阳辐射、背景气温、相对湿度、叶面积密度和最小气孔阻力变化下对行人层 UTCI 的影响。因此，本研究中通篇使用“综合效果”一词；CM-VG 响应未归类为协同、相加或拮抗，因为模拟配置不构成匹配的析因设计。

章节片段
户外风热环境模拟
所有 CFD 模拟均使用 ANSYS Fluent 2019 R3 (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA) 进行。使用 CFD 方法模拟 CM 和 VG 综合影响下街道峡谷的风热环境。模拟变量包括街道峡谷内的风速、气流场、气温和水蒸气质量分数。VG 的动量、湍流、能量和水分交换效应通过用户定义的...实现的源项来表示

CM 和 VG 布置的影响
行人高度处风、热和湿度场的比较揭示了与 CM 和 VG 相关截然不同的场响应，如图 4 (a-c) 所示。参考峡谷和全 CM 峡谷在行人高度处具有相似的气流模式。在两种情况下，峡谷两个侧向开口附近的风速较高，峡谷中心附近的风速较低。相比之下，引入 VG 后，峡谷中心附近的低速区域扩大，并出现局部涡旋

CM 和 VG 对行人热舒适的综合影响
CM 和 VG 产生了不同的行人层响应。全-CM 案例显示气流、气温和水蒸气分布变化有限，但 UTCI 低于参考峡谷。额外的辐射诊断显示，全 CM 和 CM-VG 案例分别将反射短波通量增加了 30.11 和 27.97 W·m-2，同时减少了吸收的短波通量、净辐射增益和用于 UTCI 后处理的辐射温度输入。因此，在

结论
本研究使用耦合的三维计算流体力学框架，考察了冷材料涂层和垂直绿化对街道峡谷微气候和行人热舒适的综合影响。冷材料涂层导致行人层气流和湿度变化有限，而其 UTCI 降低与辐射贡献一致。垂直绿化降低了气温并增加了水蒸气质量分数，但也改变了

CRediT 作者贡献声明
孟凡正：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，方法论。王海宁：可视化，形式分析，数据整理。阮党茂：可视化，验证，调查。高志：写作 – 审查与编辑，监督，资金获取。杭建：监督，调查，资金获取。张建顺：监督，资金获取，数据整理。王嗣中：调查，数据整理。许富寿：验证，监督，资金
孟凡正 | 王海宁 | 阮党茂 | 高志 | 杭建 | 张建顺 | 王嗣中 | 许富寿
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