植被对建筑室外热辐射环境影响因素的研究

近年来，全球气候正经历着以变暖为主要特征的显著变化，城市消耗了全球70?%以上的能源，成为温室气体聚集的主要区域，形成了城市热岛。城市下垫面的硬化、植被的减少、建筑密度增大等因素加剧了城市热岛效应，使得城市热环境恶化，人居环境品质下降。在中纬度地区的夏季，城市热岛效应加剧了城市高温的出现频率和高温灾害，使空调设备的工作状况恶化，能效比降低。田喆等发现中心城区热岛强度每增大1?℃，办公类建筑空调能耗平均增加16.73%，而住宅类建筑空调能耗平均增加了13.82%。此外，中国拥有超过5.5亿的农村人口，农宅占比为总住宅建筑面积的41.7%。同时，农村建筑能耗约为9246亿kW·h，是城市住宅能耗的两倍多，约占总能耗的40%。农村建筑能耗已成为我国能源消费总量的重要组成部分，值得高度重视。热辐射是建筑室外热环境的重要影响因素之一，尤其是太阳辐射。热辐射对建筑得失热产生重要影响，从而影响建筑能耗，同时对人体舒适性产生重要影响，因此热辐射是城市和农村热环境、建筑节能领域的重要研究内容。聚焦室外热辐射，通过国内外植被对建筑室外热辐射环境影响的相关研究，进行了全面梳理和总结，并对其存在的问题进行评析，为将来的建筑室外热辐射环境的研究提供借鉴与帮助。

1城市视角下植被对建筑群热辐射环境的影响

1.1城市密度

城市密度会影响城市表面对太阳辐射和长波辐射的吸收。天空视野因子SVF（Sky View Factor，以下简称SVF）来表达城市密度。SVF是地面对天空的视角系数，表示城市地面向半球空间热辐射到达天空的比例，其是求解城市建筑群内太阳辐射的一个关键因素，也是影响室外热舒适和城市热岛效应的因素。

Wang等通过ENVI–met软件模拟，发现低SVF空间比高SVF具有更好的热环境舒适性。增加植被改变城市建筑群的SVF，可以使辐射环境（MRT）大幅减少。Aboelataa等[7]比较了在开罗30%和50%树木覆盖率的降温效果，发现在高密度城市区域使用50%的树木覆盖率能降低0.5K的空气温度；在低密度城市区域，树木对降低空气温度没有明显作用，反而会使白天空气温度升高1~3K。而另一项研究则认为树木的降温效果在低密度城市区域更明显。在SVF较高的区域，树木覆盖率较高的城市公园可以有效降低空气温度。二者不同的研究结论说明，城市绿地对不同密度的城市热环境参数的影响还有进一步挖掘的空间。城市建筑主要通过对热辐射的反射和辐射捕获两种途径来影响室外热辐射环境，密集型围合建筑群落会增大辐射捕获效应。城市树木通过改变城市SVF、拦截太阳辐射和影响长波辐射，在改善城市热辐射环境方面发挥着重要作用。在高密度城市区域SVF较低，树木通过遮蔽太阳辐射可以有效改善热舒适性；低密度城市区域可用相对高大的乔木来减小区域内的SVF，从而降低周围空气温度。

1.2城市绿地

学者基于不同参数探索城市绿地对城市热环境的影响。Kuang等在奥林匹克森林公园场地及周边建筑屋顶场地进行实测，发现不同地表覆盖类型的净辐射通量有明显差异，森林公园的净地表辐射高于建筑用地、裸地等土地覆盖类型。陈爱莲等、Lee等分别使用遥感数据提取和实测的方法，研究结果都表明乔木林地具有更好的降温效果，而灌木林地、草地对地表温度的影响不明显。不同类型的城市绿地对城市热环境的影响不同，相对而言，以乔木类型为主的城市绿地更具缓解城市热岛的潜力。

针对城市绿地的水平结构，张宇轩等利用公园降温强度（以下简称PCI）和公园降温距离（以下简 称PCD）这两个指标来衡量公园对环境的降温效果。其中PCI用来衡量公园区域的降温强度，PCD用来衡量能够探测到公园降温效果的最大距离。

研究表明，面积较大的公园具有更好的降温效果，形状不规则的公园相比于形状规则的公园具有更高的PCI和更低的PCD。由于该研究的测量时间仅有15?d，因而并未体现不同季节的差异。Jiao等通过研究北京的树木斑块大小对降温效果的影响，发现小斑块比大斑块温度高、湿度低，斑块内温度和湿度变化大；在相同覆盖面积下，多个小斑块可以提供比单个大斑块更多的总阴影面积。城市绿地的水平结构对城市热辐射环境的影响研究目前主要集中于遮阴的降温效果，且主要针对结果而非对影响机理的研究。

城市周围的农村绿化覆盖率也会影响城市的热岛效应强度。Yao等通过研究城市地表热岛强度（以下简称SUHII）的变化趋势，发现在生长季节，农村增强植被指数（以下简称EVI）较高的年份通常白天SUHII也较高。农村EVI的增加是生长季节白天SUHII增加的重要原因，因为较高的农村EVI会增加城市和农村地区之间的EVI差异，进而SUHII增大。该地农村的热环境研究应引起更多关注。

2街区视角下植被对建筑群热辐射环境的影响

2.1街谷几何形态

街谷空间是居民活动产生的各种人工热集聚的区域。目前有关于街区尺度下的室外热辐射研究多是对城市空间形态、建筑外形及内部状况进行了大幅简化，城市街道与建筑形成了类似“峡谷”的街谷空间环境。街谷有吸收太阳辐射的能力，被称为有效反照率或城市反照率。街谷的高宽比、下垫面以及走向都是影响街谷热辐射环境的因素。赵敬源等通过数值模拟，发现街谷高宽比会直接影响街谷中各界面之间的角系数和太阳辐射区域，从而影响街谷界面的热过程。Fazia等基于物理等效温度（PET）评估街谷白天的热舒适性，结果表明，街谷的SVF越大，热应力越高。街谷下垫面反照率会直接影响下垫面温度，进而影响相对湿度、空气温度以及平均辐射温度。Wang等表明在街谷环境中下垫面和墙面的热辐射会直接影响人的热舒适水平。街谷走向会影响街谷内热环境均匀性的变化。

植被是街谷环境的重要组成部分。郭飞等在其研究中提出适当增加绿化能改善街谷内的热环境。Tan等基于实际的观测数据和模拟表明，在街谷尺度上，树木的降温效应与SVF密切相关。

在高SVF（0.4~0.8）的环境中，集中种植树木可以大幅降低空气温度（Ta）、表面温度（Ts）和平均辐射温度（Tmrt）。而在中等SVF及以下（SVF<0.4）环境中，树木也能降低平均辐射温度（Tmrt）和表面温度（Ts），但对空气温度（Ta）的影响不大，其研究仅限于一种树模型的冷却效果。SabrinA等、 Tsoka等的研究表明，植被对夏季社区环境的总体高温环境没有明显改善，但可以通过减少平均辐射温度（Tmrt）和生理等效温度（PET）来改善街区热环境舒适度。Abdallah等指出，影响街谷及居住区户外舒适度最重要因素不是空气温度（Ta），而是平均辐射温度（Tmrt）。与城市公园等植被密集区不同，街道社区内线状或块状绿地面积较小，影响范围有限。树木通过遮阴和蒸腾作用降低了地面和墙壁的净辐射，改善了白天街谷的热环境，但通过辐射捕获效应，夜间的街道峡谷可能略有升温。

2.2城市冠层模型

“城市冠层模型”（UCM）被广泛用于描述建筑 物和街道结构对城市环境气候的影响。城市冠层是指地面到城市建筑物平均高度这一空间。城市冠层模型不描述街道及建筑的具体几何形状，而是通过对城市冠层进行参数化描述来分析冠层内的物质和能量变化过程。城市冠层模型一般用于中尺度到街谷尺度的研究。城市冠层模型在植被对建筑热辐射环境的研究中，针对植被的建模经过由简单到复杂、由模糊到精确的过程。Lee等开发的单层城市峡谷模型包含了树木的影响，但只能在街谷空间中种植树木。有学者研究城市冠层模型时，对树木和建筑物的辐射截获和交换的处理尚且缺乏。Wang用蒙特卡洛光线追踪方法为带有树木的单层模型开发了辐射模块，但忽略了树木对短波辐射的拦截作用。还有学者开发了包含街谷树木对短波辐射交换影响的模型。多层城市冠层模型能够更好地表示树叶的垂直分布和建筑元素及其对街谷气候的影响。Krayenhoff等开发的两个模型都明确包含了树木–建筑相互作用。在2020年又开发了BEP–Tree模型，解决了树木的小气候问题，能够评估低层街区环境。

单层模型在城市冠层中只有一个大气层，计算一个气温、风速和湿度来代表整个城市冠层的体积。多层模型计算冠层内几个垂直层的气象变量，包括建筑物及树木的高度分布，能预测更加详细的街谷热 换，但计算要求更高。高精度的模型可以直接用于实际城市的热辐射环境分析，但繁重的计算量限制了实际应用。

2.3树种及种植方式

不同树木的遮阴系数（单个树冠周长内被树叶和树枝覆盖的天空百分比）存在较大的物种差异，例如，三角皂荚（gleditsia triacanthos）的遮阴率为62?%，椴树（tilia cordata）的遮阴系数高达93?%。学者通过不同参数量化室外热环境的变化，来评价不同树木种类对街区热辐射环境的影响。

Harbich等通过分析树木的生理等效温度（PET），发现城市街道中树木的树冠大小、树冠形状与街区的热舒适性有关。Chen等基于物理等效温度（PET）和热应激指数（ITS），发现在街谷环境中种植密度相同的情况下，大树冠的树木种类缓解城市街谷热环境的潜力更佳。Speak等记录夏季不同树种下的3种常见城市表面（沥青、斑岩和草地）的表面温度，从最高降温效果来看，叶面积指数较高（LAI）的树木降温效果最好，比如针叶形状的树木；从降温范围考虑，树冠形状对表面温度的影响较大，伞状树冠树木优于柱状树冠树木。Wang等 发现树木冠层高度对遮挡太阳辐射有重要影响。Wang等、Zhang等发现树木的树冠直径越大，遮阴效果越好。在炎热的夏季，D/PH（树冠直径与分枝位置高度的比率）从0增加到8，平均辐射温度（Tmrt）降低约15?℃。树木的树冠大小、树冠形状、叶面积指数以及冠层高度都会影响树木的遮阴系数，从而影响树木对太阳辐射的遮蔽和周围环境辐射的遮挡效果。因此在城市街道，为了更有效地利用树木遮阴效应，应选择合适树冠的树木种类。

树木的种植方式也会影响各热环境参数。Sabrina等认为当树木种植形成连续遮阴的树冠，叶面积密度为2.5m2/m3时，具有最好的辐射遮蔽效果。Liu等发现平均分布的树木能最大限度降低太阳吸收辐射，最大化阴影区域，具有最佳热性能。学者通过不同方法确定树木的最佳种植位置。Hong等利用几何模型分析居住区建筑之间合理的树木位置、适宜的高度和树冠形状，并对居住区建筑间绿地的树种和布局进行了优化。Azcarate等在其研究中提出了一种基于数学公式的方法，可根据街谷的E–W太阳方向和建筑物高度确定待种植树木的最佳几何特性和位置。

树木通过树冠对太阳辐射的遮蔽及阻挡来自天空和周围表面的漫射辐射来改变建筑群与周围环境间的辐射换热，从而改善居住区热环境，提高居民人体舒适度。树木种类的选择以及排列方式会影响街区热辐射环境，目前研究通过软件模拟或实测数据，选择合适的树木种类、树木之间位置和树木密度。但对此类的研究还多集中于城市高密度建筑区域的研究分析，对农村等建筑群落中的热辐射环境尚需进一步研究。

3　建筑本体视角下植被对建筑群热辐射环境的影响

太阳辐射和宏观气候是影响建筑室外微气候的重要因素，但建筑与邻近地物之间的热辐射对局部微气候的影响也不可忽视，如城市下垫面对高层建筑的热辐射会影响建筑的能耗。许多研究已经证明建筑物周围的植被有助于减少建筑物对制冷和供暖的能耗需求。Ko表明周围有树木和其他植被的建筑所消耗的制冷能耗减少2.3%~90%，供暖能耗热能减少 1%~20%。了解城市树木对建筑物热辐射环境的影响是评估树木潜在节能的重要方法。

3.1季相变化

一年中的季节变化会引起植被的季相变化，常绿乔木与落叶乔木由于季相变化有所不同，在不同季节对建筑室外热辐射环境的影响也有所差异。这种差 异主要集中体现在夏季与冬季。Morakinyo等、Berry等分别通过实测与模拟证明了夏季树木遮阴有良好的降温作用。在落叶季节，Heisler利用模拟技术发现树形相似的情况下，落叶乔木对辐照度的减少量只有常绿乔木的一半左右。落叶乔木在落叶季节也会因为树干、树枝等阻挡约35?%~50?%的太阳辐射。Cheung等发现入射短波辐射对树木降温幅度的影响最大，而常绿树木能够全年高效且稳定地遮蔽入射短波辐射，与其降温效果相比，树木造成的夜间辐射增加和风速地减缓相对而言可以忽略。

一般来说，在夏季树木主要通过减少建筑表面的太阳辐射来达到节能效果，同时提高空间热舒适性。在冬季，树木会遮挡太阳辐射，并导致建筑热负荷增加。树荫引起的冬季热辐射减少是在建筑周围种植树木的主要问题之一。在太阳角度较高的地区，树木产生的阴影面积较小，树荫对太阳辐射的遮挡效果较弱，在建筑四周种植常绿树种更适合营造一个全年舒适的环境。在纬度较高城市，建筑周围的树木限制了冬季太阳能利用。这时需综合考虑该地区树木对夏季冷却能源与冬季供暖能源消耗影响情况。

3.2空间位置

树木的不同位置、不同数量对建筑外表面的净辐射换热量的影响不同，从而影响节能效果。由于实际操作的困难，针对树木的位置、数量对建筑室外热辐射环境的研究以模拟方法为主。有学者通过模拟数据分析，发现适当位置和数量的树木可减少住宅10?%~40?%的制冷能耗。Darvish等发现建筑庭院热集中区域的树木减少了建筑庭院每年的能源需求。Stojakovic等基于日照模拟和进化算法阐述了如何通过改变树木的位置来减少太阳辐射直射。Calcerano等将动态多区域模拟、参数化设计和遗传算法相结合，对罗马两栋住宅楼（一层和两层）的树木遮阴效果进行了数值评估，根据树木数量与位置的不同，一层住宅和两层住宅制冷能耗分别下降11.1%~44.4%和12.8%~48.5%。

根据模拟结果，在独立建筑的西侧和东侧种植落叶乔木是最佳节能方案，能够在夏季遮蔽太阳辐射而不减少冬季太阳辐射收益。随着建筑物周围树木数量的增加，能源消耗的减少与树木数量的相关性逐渐降低。因此，有限的树木即可对建筑的能源消耗产生重大影响，在建筑周围种植两棵树就可使能源消耗减少20%以上。也有研究表明在距离西墙约9~10m的地方种植中型树木，在距离西墙约9~15m的地方种植大型树木，在提供了足够遮阴的同时，也使建筑物的潜在结构危害降至最低。另外在考虑树木种植空间位置时，仍需与其季相变化和当地季节气候环境变化结合，才能得到最佳方案。

3.3绿色围护结构

太阳辐射是建筑围护结构得热的途径之一。太阳辐射吸收系数决定建筑外表面对照射到其表面的太阳辐射能的吸收程度。建筑外表面材料的太阳辐射系数并不是越小越好，需要根据当地气候环境评估。有学者提出了日本各区域建筑表面太阳辐射吸收率和绝缘厚度的最佳组合。在热辐射方面具有高发射率与高反射率的材料被称为“冷材料”。

目前已有国家在太阳辐射较强和室外温度较高的地方，采用冷材料减少制冷能耗，缓解过热现象。Shahidan等发现在热带气候下，城市树木与地面材料双优化可以达到城市最佳降温效果，较大的树木数量、较高的树冠密度（LAI=9.7）加上冷材料（反照率=0.8）能使城市气温降低2.7?℃，并使建筑的制冷能耗降低29?%。屋顶是建筑围护结构中承受太阳辐射最多的部位。绿色屋顶具有良好的节能、隔热、遮阳和蒸散特性。不同研究表明，绿色屋顶的夏季能耗比传统屋顶低2.2%~16.7%。冬季也有类似的趋势。Santamouris[63]在其研究中对比了反射式屋顶与绿色屋顶缓解城市热岛效应潜力和节能潜力。

总体而言，在阳光充足的气候条件下，反射式屋顶更具优势；在温和寒冷的气候条件下，植被屋顶则更具优势。但在高层建筑中安装反射式屋顶或绿色屋顶时，对热环境的影响和缓解潜力极为有限。建筑墙体的热能直接影响建筑室内外热环境。垂直绿化是在建筑墙体外侧种植绿色植物，改善室内热环境，并起到较好的建筑节能效果。其作用原理与绿色屋顶一致都是利用植被对太阳辐射的遮蔽和热阻的增加。

垂直绿化有效缓解“西晒”过热现象，其中植物密度和覆盖率对建筑立面的遮阳效果有显著影响。根据Susorova的研究，绿色立面的西向墙受到189W/m2太阳辐射时，叶片反射28W/m2，被树叶吸收133W/m2，而其余的太阳辐射通过叶层到达建筑外表面。Rabah发现绿色墙体对炎热气候的影响更显著。绿色屋顶与垂直绿化通过对建筑物表面的遮阴，减少建筑围护结构吸收的太阳辐射，并通过植物的物理过程和蒸散使周围空气冷却。目前针对二者的研究是植被的优化和围护结构的传热过程计算。 研究表明，不论是“冷材料”还是植被都能有效减少建筑对热辐射的吸收。在城市或街谷尺度下，已有学者探索“冷材料”和植被对建筑群落热环境的双重影响，探索城市或街谷下垫面的反照率与植被覆盖率的最佳组合配置。但在建筑本体视角下，类似的研究还有待挖掘。未来或许能在建筑本体视角下，从建筑外表面的“冷材料”和植被对建筑的热辐射影响的综合角度出发，探索二者之间的最佳配置。

4结束语

随着计算机与遥感技术的发展，在植被对建筑室外热辐射环境影响方面的研究方法和手段都在不断完善，研究的视角与尺度也在不断拓展。但目前的研究存在以下几个问题。

（1）在城市与街谷视角下，建筑室外热环境影响因素研究多以城市环境为主，缺少农村环境的对比研究。在建筑本体视角下，农村建筑热环境的研究多集中于建筑本身的设计与结构，对于农村植被对建筑室外热辐射环境的影响还有待研究。

（2）在街区视角和建筑本体视角下，植被对建筑室外热辐射环境多以特定案例为研究对象，且以夏季乔木为主，植被四季的总影响以及树木季相变化的影响还有待进一步探索，在全面揭示不同种类树木冠体的热辐射影响方面也有待进一步挖掘。

（3）对于植被对建筑室外热辐射环境的影响研究主要集中于植被的遮阴效应，对植被的阴影未落在建筑围护结构的情况下相关热辐射的影响研究尚且欠缺，需要进一步研究。

未来研究还可补充以下几个方面。（1）在时间尺度上，进一步考虑植被的季相变化引起的对建筑热辐射环境的影响变化，开展在不同气候条件下，植被在全年时间里对建筑热辐射环境的综合影响研究。（2）在空间尺度上，基于传热学的原理，探索在不同物种、不同种植方式以及与建筑的不同距离、不同方位下，植被对辐射角系数的影响，进而研究植被对热辐射的影响机理。（3）植被对城市热岛效应的影响已有大量研究，但在村镇空间尺度上，是否也存在热岛效应，需要通过试验及理论进一步论证和研究。