夏熱冬冷地區(qū)活墻系統(tǒng)熱工性能實測分析

陳秋瑜 李保峰 劉小虎 李曉東 / CHEN Qiuyu, LI Baofeng, LIU Xiaohu, LI Xiaodong

夏熱冬冷地區(qū)活墻系統(tǒng)熱工性能實測分析

陳秋瑜 李保峰 劉小虎 李曉東 / CHEN Qiuyu, LI Baofeng, LIU Xiaohu, LI Xiaodong

1 引言

隨著中國城市化進程的加快，城市綠化用地有限，植被覆蓋率較低。近年來，中國許多城市頻繁發(fā)生霧霾現(xiàn)象也為城市的生態(tài)環(huán)境敲響了警鐘。弗朗西斯（Francis）和洛里默（Lorimer）（R. A. Francis，J. Lorimer，2011）曾指出，綠化墻面和綠化屋頂具有顯著的調(diào)和生態(tài)系統(tǒng)的潛力，它們可復制自然或半自然的生態(tài)系統(tǒng)成為新的城市生態(tài)棲息地。同時，綠化墻面不占用土地面積，是在高密度的城市中增加綠化和改善生態(tài)環(huán)境的有效手段。

活墻系統(tǒng)（living wall system）是一種新型的墻面綠化技術。不同于傳統(tǒng)的使用單一攀爬植物的表皮綠化（如爬墻虎），活墻需要額外的支撐結構，對植物的選擇也更豐富多樣。鄧尼特（Dunnett）和金斯伯里（Kingsbury）（N. Dunnett，N. Kingsbury，2008）按結構將活墻分為兩類：一類使植物在模塊化種植容器中生長，種植容器垂直懸掛于墻面上，用防水層將其與墻面隔開，由滴灌系統(tǒng)向容器內(nèi)補充水份及營養(yǎng)；另一類多應用于生態(tài)工程，如護坡、擋土墻等，使植物直接扎根于墻體內(nèi)部與其成為一體。

活墻系統(tǒng)有利于建筑節(jié)能，對活墻系統(tǒng)熱工性能的研究可幫助最大化利用活墻的保溫隔熱效果，促進建筑的可持續(xù)化發(fā)展。

2 文獻綜述

現(xiàn)有的學術研究對活墻系統(tǒng)熱工性能的探討尚停留在現(xiàn)象描述階段，缺乏深入的科學分析。多項研究都呈現(xiàn)了綠化對建筑的溫度影響：普雷（Prez）等（2011）發(fā)現(xiàn)表皮綠化的植物層與建筑墻壁之間形成了一個低溫高濕的微型氣候區(qū)。佩里尼（Perini）等（2011）研究了直接攀附于墻上的表皮綠化與帶有空氣間層的活墻綠化在相同條件下其熱工性能的差異。與裸露墻面相比，直接附在墻上的表皮綠化可將墻體表面溫度降低1.2℃，而帶有空氣間層的表皮綠化可將墻體表面溫度降低2.7℃。Wong等（2010）對8種不同的活墻和表皮綠化系統(tǒng)進行實測研究，發(fā)現(xiàn)活墻最高可降低墻表面溫度11.58℃，并可減小墻表面平均溫度的日波動范圍；表皮綠化對墻面溫度無顯著影響。奧利韋里（Olivieri）等（2009）對裝有活墻的實驗房進行研究，發(fā)現(xiàn)白天房間內(nèi)的溫度裝有活墻的比沒有活墻的低20%，且波動范圍更小。另外也有少量研究探討綠化墻面對風速、室外環(huán)境的影響，佩里尼（Perini）等（2011）發(fā)現(xiàn)活墻可以減小建筑表皮周圍的風速：從外墻前10cm的距離到空氣間層，風速從0.56m/s減少至0.10m/s。由此可使建筑外表面換熱阻增大至與內(nèi)表面換熱阻近似相等，從而使圍護結構的綜合傳熱阻增大。亞歷山德里（Alexandri）和瓊斯（Jones）（2008）通過模擬發(fā)現(xiàn)，綠化墻面比綠化屋頂對城市街道空間熱學環(huán)境有更大的影響。綠化墻面與綠化屋頂相結合可以降低環(huán)境溫度，減少32%～100%的建筑制冷能耗。

多項研究指出活墻的降溫效果遠遠強于表皮綠化。對比這兩種綠化技術，活墻有不透光的種植容器和更密集的植物葉片，對太陽輻射的遮擋和蒸騰降溫作用均強于爬藤植物。但對于活墻和建筑的夾層內(nèi)發(fā)生的熱交換及其對建筑的影響尚無研究，本文將重點探討活墻與建

筑墻體熱交換發(fā)生的過程，以更好地解釋活墻的降溫隔熱原理。

3 研究方法

3.1 實驗方法

本文采用實驗研究方法對兩個標準實驗房進行了3項對比實驗。

實驗1：在夏、冬兩季對安裝和沒有安裝活墻的實驗房進行實測對比，發(fā)現(xiàn)活墻具有夏季降溫和冬季保溫的效果，對活墻與建筑墻體之間的熱交換過程進行分析，解釋活墻的降溫隔熱機制。

實驗2：夏季兩個實驗房均安裝活墻，活墻距建筑均為30mm。將其中一個實驗房的間層封閉，另一個開敞（只保持空氣流動但無太陽輻射進入間層內(nèi)部），對比間層封閉或開敞對活墻降溫效果的影響。

實驗3：夏季兩個實驗房均安裝活墻但間距不同，分3組對比不同間距對活墻降溫效果的影響。

在實驗2、3中，兩面活墻獲得的太陽輻射量一樣，植物品種、數(shù)量和灌溉水量也一樣，可以認為植物的蒸騰作用一致，從而保證唯一的變量為間層的參數(shù)。

3.2 氣候背景

實驗地武漢屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏季白天酷熱，夜晚高溫且缺乏自然風；冬季嚴寒，日氣溫常在5℃以下（表1）。針對此氣候特征，研究活墻系統(tǒng)設計是否具有夏季降溫、冬季保溫的功能，以及在何種條件下可達到效果最優(yōu)。

3.3 實驗環(huán)境及器材

表1 武漢60年氣候情況

圖1 兩座實驗房和活墻

圖2 實驗房剖面

在4層樓屋頂建造兩個完全一致且不受其他構筑物遮擋的熱工實驗房，實驗房的西墻面用于安裝活墻系統(tǒng)（圖1）。由于實驗房體積小，為避免夏季暴曬導致室內(nèi)溫度過高，墻體采用加厚保溫材料（150mm巖棉夾芯彩鋼板加50mm聚苯乙烯泡沫內(nèi)保溫），屋頂為可自然通風的雙層屋頂，南北兩扇窗戶使用雙層Low-E玻璃及外遮陽百葉。活墻與建筑墻壁之間的距離可調(diào)，范圍為30～600mm。為避免太陽輻射進入活墻與建筑墻壁之間，在夾層的頂部和側面均安裝可完全遮擋太陽輻射的遮陽板，僅留頂部和底部保留開口使空腔內(nèi)可自然通風（圖2、3）。6種不同種類的植物在實驗前2個月移植到25個邊長500mm、深10mm的方形種植盒里。種植盒覆蓋整個西墻面，每天使用滴灌系統(tǒng)澆一次水。

實驗使用熱電偶（T型，銅-康銅，0.2mm）測量溫度、數(shù)據(jù)采集器（DataTaker DT600），記錄熱電偶的數(shù)據(jù)。每個墻面上設6個熱電偶測點以減小偏差。數(shù)據(jù)采集器的測量精度對于T類型熱電偶在100℃以下最大誤差為±0.1℃。溫濕度自記儀（AZ Instrument Corp.，型號8829）記錄室內(nèi)和空氣間層的相對濕度，測點距地面高1.5m，溫度為25℃，濕度在10%～90%時，其濕度測量誤差為±3%，其他測量環(huán)境時，誤差為±5%。氣象站（VantagePRO2）記錄太陽輻射。所有儀器在實驗之前進行標定，記錄頻率為每30min一次。每次實驗的活墻及實驗房設置詳情見表2，并選取晴天的數(shù)據(jù)進行分析。

4 結果與分析

4.1 實驗1：活墻系統(tǒng)和裸露墻面對比

圖3 活墻大樣及測點布置

4.1.1 數(shù)據(jù)分析

夏季，活墻在白天可完全遮擋太陽輻射，建筑墻體的熱量大大減

小，其內(nèi)、外表面溫度都遠低于無活墻遮擋的墻體：外表面最大降低20.8℃，內(nèi)表面最大降低7.7℃（圖4）。在夜晚，活墻不利于墻體向外界散熱，墻體外表面溫度略高于裸露墻體（最高0.6℃），內(nèi)表面溫度則始終低于裸露墻體。3天的測試數(shù)據(jù)均顯示有活墻遮擋的墻體晝夜平均溫度低于裸露墻體，外表面平均溫度最大降低4.2℃，內(nèi)表面平均溫度最大降低2.0℃（表3）。測試當天的太陽輻射強度越大，降溫幅度越大。

冬季，太陽輻射強度較小，雖然活墻在白天阻礙建筑墻體得熱，但在夜晚對其保溫效果較好：墻體內(nèi)、外表面溫度在白天低于裸露墻體（外表面最大降低3.6℃，內(nèi)表面最大降低0.5℃）；在夜晚高于裸露墻體（外表面最大高3.0℃，內(nèi)表面最大高0.5℃）。以晝夜平均溫度來衡量，有活墻遮擋的墻體既有可能略高于也有可能略低于裸露墻體（表3）。

此外，不論是夏季或冬季，活墻均大大降低了建筑墻體的內(nèi)、外表面溫差（圖4）。A的內(nèi)外墻面溫差始終小于B，故通過A墻的熱流量更小。在夏季可減少進入室內(nèi)的熱量，在冬季減少流失到室外的熱量。

綜上，活墻在夏季白天降溫效果顯著，在冬季夜晚保溫效果較好。在夏冬兩季都會使墻體溫度更恒定，減少通過墻體的熱流量，利于建筑節(jié)能。

4.1.2 建筑墻體與活墻的熱交換

活墻消除了最大的熱源太陽輻射，使墻體不受外界輻射及室外空氣的直接影響。墻體僅與空氣間層對流換熱及與活墻背面輻射換熱（圖5）。

實驗發(fā)現(xiàn)空氣間層為一個“夏涼冬暖”的微氣候區(qū)，其溫度波動范圍遠小于室外空氣（圖6）。間層的晝夜平均溫度，在夏季比室外空氣最多降低3.1℃，在冬季比室外空氣最多高3.2℃，可對墻體起到良好的隔熱和保溫作用。

表2 活墻與實驗房設置

表3 墻面溫度對比

活墻背面（種植盒底部）由于內(nèi)部潮濕且溫度較低，在夏冬兩季均略低于建筑墻面溫度（圖7）。故活墻在與墻體的輻射換熱中對墻體吸熱降溫。可見活墻不僅遮擋太陽輻射，還可吸收墻體的熱量，這也是爬藤植物所不具有的。

4.1.3 熱交換過程的定量計算

下面對通過墻體的熱流進行定量計算。在活墻、建筑墻面，以及空氣間層3者之間，對流、輻射和導熱現(xiàn)象同時存在。其中，建筑墻面主要參與兩種熱交換：墻面與空氣間層的對流換熱、墻面與活墻背面的輻射換熱。在輻射和對流同時發(fā)生的情況下，對流和輻射熱流量是彼此獨立的，可以分別計算并簡單地合計起來（Michael F. Modest，2003）。通過墻體外表面的凈熱量應為對流和輻射換熱量的總和。

圖4 兩個實驗房墻體內(nèi)外表面溫度對比

圖5 墻體受熱分析

4.1.3.1 對流換熱

對流換熱是空氣沿圍護結構表面流動時，與壁面發(fā)生的熱交換過程。根據(jù)牛頓冷卻定律，對流換熱強度（W/m2）為：。

由于間層空氣與墻面發(fā)生的對流為垂直表面上的“自然對流”，故對流換熱系數(shù)為：

根據(jù)7月25日的數(shù)據(jù)，室外墻面的平均溫度為33.0℃，低于空氣間層平均溫度為33.2℃，=0.2℃，墻體的平均對流換熱強度為=0.2W/m2，狀態(tài)為吸熱。同理，在冬季1月22日，墻體的平均對流換熱強度為q =（-0.1）W/m2，狀態(tài)為放熱。

4.1.3.2 輻射換熱

兩塊面積相等的平行表面間輻射換熱強度（W/m2）為：

綜合傳熱量q為對流換熱量和輻射換熱量的總和：

由此可得出墻面、空氣間層和活墻3者之間的熱流方向（圖8）：夏季，建筑墻體向活墻放熱的同時從空氣間層得熱；冬季，墻體向空氣間層和活墻背面放熱。根據(jù)此特征可知，在夏季為增強對墻面的散熱，可加強墻體與活墻背面的輻射換熱和（或）減小與空氣間層的對流換熱。在冬季為加強對墻體的保溫，則應減弱墻體與活墻背面的輻射換熱和（或）與空氣間層的對流換熱。

4.2 實驗2：間層通風狀態(tài)對降溫效果的影響

夏季室外空氣溫度遠高于活墻的空氣間層，因此將間層封閉或開敞可顯著影響間層內(nèi)空氣溫度。由實驗1可知降低空氣間層的溫度，活墻的降溫效果更好。實驗2對比間層封閉或開敞對活墻降溫效果的影響。

圖7 活墻背面與室外墻面溫度對比

表4 封閉和開敞間層的溫度對比

圖8 熱流方向

在白天，封閉間層的空氣溫度、墻外表面溫度和活墻背面溫度均比開敞間層更低，最大溫度差分別為1.7℃、1.4℃、1.9℃，晝夜平均溫度如表4所示。同實驗1的計算方法可得：封閉間層的墻體綜合散熱強度為（-0.5）W/m2，高于開敞空腔的墻體綜合散熱強度

為（-0.3）W/m2，即封閉間層的降溫效果優(yōu)于開敞間層。但由于封閉空腔會導致空氣相對濕度增大，在濕度大的地區(qū)，可選擇開敞空腔的做法；如為達到更好的降溫效果而選擇封閉空腔，則應加強建筑外墻面的防潮措施。

4.3 實驗3：活墻與墻面的距離對降溫效果的影響

將活墻與建筑墻面處于不同間距的情況在夏季進行了3組對比（表5）：間距30mm與200mm、200mm與400mm，400mm與600mm。3組實驗得出同樣的變化趨勢：間距越小，墻體外表面、空氣間層及活墻背面的溫度均越低。計算得出室外墻面在3組對比中的換熱強度（表6）。建筑墻體散熱強度在活墻間距為30mm時是2.1W/m2，比200mm時高0.5W/m2；同樣，間距200mm時建筑墻體比間距400mm時散熱強度高0.8W/m2、間距400mm時建筑墻體比間距600mm時散熱強度高0.6W/m2。可得出結論，在同樣的外界環(huán)境條件下，活墻與墻面的距離越小，墻面的散熱強度越大，活墻的降溫效果越好。

5 結論

通過實驗對夏熱冬冷地區(qū)活墻的熱工特性進行研究，對活墻與建筑墻面的熱交換過程分析和熱交換強度進行定量計算，得出以下結論：活墻除遮擋太陽輻射和植物蒸騰降溫之外，對建筑墻面具有吸熱降溫的作用；活墻與建筑墻面形成的空氣間層為一個“夏涼冬暖”的微氣候區(qū)，對建筑墻體可起到夏季隔熱和冬季保溫的作用；活墻在夏季白天降溫效果顯著，在冬季夜晚保溫效果較好；在夏季封閉空腔的活墻降溫效果更好；夏季活墻與建筑墻面的距離在30～600mm范圍內(nèi)，兩者間距越小，降溫效果越好。

6 優(yōu)化設計建議

在夏季，為增強活墻的降溫效果，可通過增大室外墻面與活墻的輻射換熱強度、減小室外墻面與空氣間層的對流換熱強度來實現(xiàn)?？尚械拇胧┯校哼x擇熱輻射能力高的材料作為活墻背面圍護材料，如黑色無光澤漆面、鍍鋅鋼板等；保持植物生長基質潮濕以降低活墻背面的溫度；減小間層內(nèi)的空氣流動速度，避免間層開口朝向風口。

在冬季，為加強對墻體的保溫效果，則應減弱墻體與活墻背面的輻射換熱和與空氣間層的對流換熱?？尚械拇胧┯校憾局参锷L所需水量小，減少澆水量及澆灌頻率；避免間層開口朝向風口。

選擇活墻和墻面之間的合適間距需考慮氣候因素、節(jié)能要求、建筑圍護結構熱工性能，以及活墻的結構需求等。在夏季高溫高濕的地區(qū)，為達到良好的降溫效果，活墻設計應選擇較小的間距或封閉間層；為控制濕度，應允許間層自然通風并（或）對墻面加強防潮處理。

表5 不同間距下的溫度對比

表6 室外墻面綜合換熱強度計算結果

注釋① 輻射換熱中系統(tǒng)發(fā)射率εr的確定使用傳熱學對兩個相互平行且面積相的

表面之間系統(tǒng)發(fā)射率的計算方法：

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陳秋瑜，博士生，華中科技大學建筑與城市規(guī)劃學院建筑學系，英國謝菲爾德大學訪問學生

李保峰，博士，華中科技大學建筑與城市規(guī)劃學院教授，博士生導師，德國慕尼黑工業(yè)大學托馬斯·赫爾佐格（Thomas Herzog）研究室訪問學者

劉小虎，博士，華中科技大學建筑與城市規(guī)劃學院副教授，副系主任，不列顛哥侖比亞大學訪問學者

李曉東，總經(jīng)理，武漢市安友科技有限公司

2014-06-09

EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE THERMAL BEHAVIOR OF THE LIVING WALL SYSTEM IN HOT-SUMMER AND COLDWINTER AREAS

活墻系統(tǒng)作為一種新型垂直綠化技術，與攀爬植物綠化墻面不同。作者在夏冬兩季對安裝了活墻的標準實驗房進行熱工測試，鑒定其在夏熱冬冷地區(qū)對建筑墻體的隔熱和保溫作用，并對建筑墻體的綜合傳熱量進行定量分析。結果表明，外加活墻與原有建筑墻體之間形成了一個微氣候區(qū)，其溫度波動范圍比室外環(huán)境小，晝夜平均溫度在夏季比室外環(huán)境低，在冬季比室外環(huán)境高，可對建筑表皮起到良好的隔熱和保溫作用?；顗Σ粌H可以通過植物進行蒸騰降溫，遮擋太陽輻射，還可以通過輻射換熱吸收建筑墻體表面的熱量，產(chǎn)生更強的降溫效果。在夏季，封閉間層比開敞間層的降溫效果更好；活墻與建筑墻體的間距在30～600mm范圍內(nèi)，間距越小降溫作用越顯著。

As a new vertical green technology, the living wall system (LWS) is different from green walls made up of climbing plants. This paper carries out experimental tests on the LWS installed on two identical thermal labs to examine its thermal insulation and heat preservation of the building wall in hot-summer and cold-winter areas. It further conducts a quantitative analysis on the heat transfer rate of the building wall. Results show that the LWS functions as a heat sink that can absorb heat from the building facade. As a consequence, a microclimate has been created between the LWS and the building wall, which has much cooler mean temperature in the summer, warmer temperature in the winter and slightly higher mean relative humidity compared to the ambient air. Building facade losses heat to the outside by engaging in convective heat exchange and radiant heat exchange in the microclimate. It is also found that the LWS with a sealed air layer performs better in cooling the wall surface than the LWS with a naturally ventilated air layer; the smaller distance between the LWS and the wall is, the better the cooling effect is.

活墻系統(tǒng) 垂直綠化 微氣候區(qū) 保溫隔熱 降溫 實測

The Living Wall System, Vertical Greening, Microclimate, Insulation, Cooling Effect, Experiment

本文由國家自然基金資助（基金編號51178198），由武漢市安友科技有限公司提供活墻技術支持。