藤本植物遮蔭對(duì)室內(nèi)溫度的影響研究

鄒秀芬，施 鵬

(1.云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650224；2.紐約州立大學(xué)石溪分校工程系，美國(guó) 紐約 11790)

藤本植物遮蔭對(duì)室內(nèi)溫度的影響研究

鄒秀芬1，施 鵬2

(1.云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650224；2.紐約州立大學(xué)石溪分校工程系，美國(guó) 紐約 11790)

闡述太陽(yáng)輻射對(duì)建筑物內(nèi)部溫的主要影響方式。介紹限制太陽(yáng)輻射影響室內(nèi)溫度的2種常規(guī)方案——使用窗簾及采用Low-E玻璃，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，提出利用藤本植物遮蔭限制室內(nèi)溫度的方案，并闡述藤本植物的選擇、結(jié)構(gòu)及方案的有效性。

藤本植物；限制太陽(yáng)輻射；室內(nèi)溫度；Low-E玻璃；植物遮蔭覆蓋率；方案有效性

1 研究區(qū)自然概況

昆明市位于中國(guó)的西南部，云貴高原中部，是云南省省會(huì)，云南省政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科技、交通中心，市中心海拔 1 891 m。據(jù)建國(guó)以來(lái)的氣候資料統(tǒng)計(jì)，昆明市年均溫14.5℃，最熱月(7月)均溫19.7℃，最冷月(1月)均溫7.5℃，年溫差12～13℃。全年降水量約 1 031 mm，相對(duì)濕度為 74%;全年無(wú)霜期近年來(lái)均在240 d以上。全年晴天較多，日照時(shí)間年均 2 445.6 h，日照率56%。終年太陽(yáng)投射角度大，年均總輻射量達(dá)129.78 kcal/cm2，其中雨季62.78 kcal/cm2，干季67 kcal/cm2。南瀕滇池，三面環(huán)山。土壤為酸性紅壤、磚紅壤。

2 太陽(yáng)輻射對(duì)建筑物內(nèi)部溫度的影響方式

太陽(yáng)輻射可以被視為地球上很多熱現(xiàn)象的熱源?？傮w上，正如建筑的外界環(huán)境溫度一樣，建筑的內(nèi)部環(huán)境溫度也直接受太陽(yáng)輻射的影響。假設(shè)建筑的墻體和房頂有足夠的熱阻，熱輻射對(duì)室內(nèi)溫度的影響主要是通過(guò)窗戶。這種傳熱有2種主要渠道，直接的熱輻射和間接的熱對(duì)流。大部分新一代的窗戶玻璃都采用雙層玻璃及真空間歇的結(jié)構(gòu)來(lái)限制室內(nèi)外的熱對(duì)流。但對(duì)于熱輻射的限制則更加困難。首先，玻璃的透明特性限制了其熱輻射系數(shù)所能達(dá)到的理論最小值。其次，來(lái)自太陽(yáng)的熱輻射并不總是給室內(nèi)溫度帶來(lái)負(fù)面影響。在冬季，人們希望室內(nèi)能接收到盡可能多的熱輻射。而在夏季，則希望盡可能限制熱輻射經(jīng)過(guò)窗戶的穿透，否則，室內(nèi)制冷設(shè)備的功耗將隨之增加。

3 限制太陽(yáng)輻射影響室內(nèi)溫度的解決方案

3.1 常規(guī)解決方案

1)使用窗簾。使用窗簾來(lái)阻擋太陽(yáng)輻射透過(guò)窗戶，雖然這是目前絕大部分建筑所采用的方案，但其效果非常有限。首先，雖然太陽(yáng)的可見(jiàn)光部分可以被窗簾阻擋，但具有較高能量的熱輻射部分會(huì)繼續(xù)影響室內(nèi)溫度。這種影響相對(duì)間接：太陽(yáng)輻射首先加熱窗簾本身，之后高過(guò)室溫的窗簾通過(guò)熱對(duì)流來(lái)提高室內(nèi)溫度。雖然目前有新的室外電動(dòng)遮蔭裝置，但由于其技術(shù)的復(fù)雜和高成本，很難被大部分消費(fèi)者接受。

2)采用Low-E玻璃。Low-E玻璃是一種較新的玻璃涂層技術(shù)[1]。其核心是在玻璃表面噴涂一層有較低熱輻射系數(shù)的薄膜。采用這種玻璃的窗戶能夠?qū)⒋蟛糠值奶?yáng)輻射直接反射回室外，從而降低其對(duì)室內(nèi)溫度的影響。這種解決方案的缺點(diǎn)主要是高成本及無(wú)法調(diào)節(jié)。由于這種涂層含要求較高的制造技術(shù)，因此其制造成本比一般玻璃高很多倍。

3.2 采用藤本植物

3.2.1 方案的提出

在此筆者將介紹第3種解決方案：綜合室外遮蔭裝置的結(jié)構(gòu)及綠色植物的Low-E特性，利用室外植物遮蔭來(lái)減少太陽(yáng)輻射對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度的影響。直觀來(lái)看，這種新的解決方案有非常明顯的優(yōu)勢(shì)：1)由于采用室外遮蔭裝置的結(jié)構(gòu)，拋棄了其復(fù)雜的電動(dòng)部分，制造成本將因此顯著降低。2)綠色植物的低熱輻射系數(shù)將明顯提升這種方案的有效性——大部分太陽(yáng)輻射將被綠色植物葉片反射，一部分被葉片吸收用于光合作用，余下的低能量可見(jiàn)光部分才會(huì)透過(guò)窗戶用于室內(nèi)照明。

為了達(dá)到在冬天讓盡可能多的太陽(yáng)輻射穿透至室內(nèi)，在夏天則盡量限制其穿透的目的，最好的選擇是藤本落葉植物。這種植物夏天繁茂的枝葉能提供最高的遮蔭覆蓋率。由于其落葉特性，在冬天遮蔭覆蓋率將自動(dòng)降低至最小值。

現(xiàn)以爬山虎為例說(shuō)明遮蔭植物的選擇。爬山虎是葡萄科爬山虎屬植物，是最常用也是最理想的攀緣植物，它是木質(zhì)藤本，卷須頂端擴(kuò)大成粘性吸盤(pán)，依靠吸盤(pán)和卷須，可以攀爬墻壁、支架、光滑的瓷磚、玻璃。具有生長(zhǎng)迅速，種植管理容易的特點(diǎn)，占地面積少，可利用花壇和花盆栽培種植。綠化覆蓋面積大，一根莖粗2 cm的藤條，種植2年，墻面綠化覆蓋面積可達(dá)30～40 m2。植物葉片大、莖葉密集、不怕強(qiáng)光、抗日曬、抗氯氣，耐寒，耐旱，耐貧瘠，耐修剪，在生長(zhǎng)過(guò)程中可根據(jù)遮蔭支架的大小、形狀修剪整理枝蔓、葉片，以保持整潔、美觀、實(shí)用。爬山虎通常用扦插繁殖，也可以采用播種法、壓條法繁殖。方法簡(jiǎn)單，操作容易，成活率高。爬山虎適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)土壤要求不嚴(yán)。我國(guó)從吉林省到廣東省分布廣泛，在現(xiàn)代城市綠化，特別是城市垂直綠化中運(yùn)用十分廣泛。

除爬山虎之外，蝶形花科紫藤、紫葳科美洲凌霄花、衛(wèi)矛科南蛇藤、葡萄科葡萄、旋花科牽?；ǖ纫部勺髡谑a植物。

至于遮蔭植物特殊的護(hù)理方面，是在植物落葉后對(duì)枯枝落葉要進(jìn)行認(rèn)真的清理，以保持遮蔭支架的清潔、干凈，有利于冬季太陽(yáng)光的透射。

3.2.2 方案的結(jié)構(gòu)

就結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這種新方案的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。首先，在需要遮蔭的窗戶外安裝類(lèi)似圖1的支架。這種支架為藤本植物創(chuàng)造了攀爬的空間。而且，通過(guò)對(duì)支架大小、橫條疏密的控制，使藤本植物的遮蔭覆蓋率得到控制。植物的根系可以置于室外，也可以置于室內(nèi)。如果室外不具備栽種條件，藤本植物的根系可以放置在室內(nèi)，之后將主干引導(dǎo)到室外的支架上。

圖1 攀爬支架Fig.1 Climbing support

3.2.3 方案的有效性

這種植物室外遮蔭的方案有效性可通過(guò)建筑計(jì)算機(jī)熱仿真的方式來(lái)加以檢驗(yàn)。在此借用紐約州立大學(xué)石溪分校工程系王臨樹(shù)教授所指導(dǎo)的建筑節(jié)能研究小組的建筑熱現(xiàn)象仿真模型[2]。這個(gè)模型是基于一座占地214.6 m2的一層樓建筑。其WWR(建筑開(kāi)窗率)被定為42%，即窗戶占所在墻體面積的42%。模型的仿真地點(diǎn)選在昆明，并采用2016年的氣象數(shù)據(jù)。

由于此新方案重心在于限制夏天太陽(yáng)輻射對(duì)室內(nèi)溫度的影響，因此模型計(jì)算5—10月份室內(nèi)溫度受植物遮蔭覆蓋率的影響。植物遮蔭覆蓋率被定義為能穿透植物遮蔭層及窗戶玻璃到達(dá)室內(nèi)的太陽(yáng)輻射百分比。

圖2 無(wú)植物遮蔭覆蓋時(shí)室外環(huán)境溫度及室內(nèi)空氣平均溫度Fig.2 Temperature outdoors and indoors without plant shade

圖2為未采用植物室外遮蔭方案時(shí)，室外環(huán)境溫度(最高和最低)及室內(nèi)空氣平均溫度在無(wú)制冷設(shè)備條件下的仿真結(jié)果。在去除初始條件對(duì)結(jié)果的影響(5月初)之后，正如直觀猜想，由于建筑的隔熱作用，在夏天，室內(nèi)空氣溫度普遍高于室外最低溫度。同時(shí)，建筑墻體的熱容量能夠在室外環(huán)境溫度達(dá)到最高時(shí)起到緩沖作用。

圖3 不同植物遮蔭覆蓋率對(duì)室內(nèi)空氣平均溫度的影響Fig.3 Effect of different plant shade coverage on indoor average temperature

圖3為不同植物遮蔭覆蓋率對(duì)室內(nèi)空氣平均溫度的影響。從圖3中可看出，在無(wú)制冷設(shè)備的條件下，可以很明顯地看到植物遮蔭覆蓋率對(duì)室內(nèi)平均溫度的影響。當(dāng)覆蓋率為20%時(shí)，室內(nèi)最高溫度為26°C。當(dāng)覆蓋率提升到80%時(shí)，室內(nèi)最高溫降至24°C?？傮w上，植物遮蔭覆蓋率每提升20%，室內(nèi)均溫則降低0.5°C。

計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果證實(shí)了室外植物遮蔭方案在夏天對(duì)控制太陽(yáng)輻射影響室內(nèi)溫度的有效性。

4 結(jié)論

藤本遮蔭植物不但可以降低室溫，節(jié)能環(huán)保，還可以觀葉、觀花、觀果，有的藤本植物還散發(fā)芳香味，有些藤本植物的根、莖、葉、花、果實(shí)等還可以提供食材、藥材、香料等。藤本遮蔭植物還可以吸灰防塵、調(diào)節(jié)濕度、減少噪音、凈化空氣、吸收二氧化碳、美化環(huán)境。利用藤本植物遮蔭可實(shí)現(xiàn)夏天遮蔭，冬天不遮陽(yáng)，使城市走向綠色生態(tài)化。

[1] CESARE P D.What is Low-E Glass?[EB/OL].http://glassed.vitroglazings.com/glasstopics/how_lowe_works.aspx.

[2] SHI P.Simulation of the Homeostasis Solution in Building Energy and The Roles of Structural Thermal Mass and Water-Based Thermal Mass[D]. Stony Brook University,2016.

[3] 中國(guó)氣候資料網(wǎng)[EB/OL].

[4] 蘇家和.常見(jiàn)花卉[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1981.

[5] 薛丹，張健，魏中鵬，等.伊寧市本地木本植物指數(shù)及園林應(yīng)用研究[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2016，41(1)：139-143.

Effect of Lianas Shade on the Indoor Temperature

ZOU Xiufen1, SHI Peng2

(1.Yunnan Forestry Vocational and Technical College , Kunming 650224, China;2. Engineering Department , State University of New York at Stony Brook, New York 11790,American)

The main effect of solar radiation on the indoor temperature of buildings was discussed. By analyzing advantages and disadvantages of two conventional ways to limit the effect of solar radiation on the indoor temperature - the use of curtain or Low-e glass, this paper put forward the plan of limiting indoor temperature with lianas shade, and illustrated the choice of lianas, the structure of plant and the effectiveness of the plan.

lianas; limiting solar radiation; indoor temperature; Low-E glass; coverage of plant shade; effectiveness of plan

10.3969/j.issn.1671-3168.2017.04.018

S687.2；P463.224

A

1671-3168(2017)04-0082-03

2017-03-20；

2017-04-11.

鄒秀芬(1963-)，女，云南昆明人，講師.從事森林植物等教學(xué)與研究.