夏熱冬冷地區(qū)立體綠化與住宅能耗及適用性研究＊
——以上海為例

紀(jì)琳 莊宇

同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

夏熱冬冷氣候區(qū)的住宅節(jié)能相關(guān)技術(shù)探索有限，不及嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)。根據(jù)上海市綠色建筑標(biāo)識項目統(tǒng)計，截至2016年9月底，在累計的292個綠色建筑項目中，有33%的項目為居住建筑，其面積占綠色建筑總面積的35%。因此，探尋夏熱冬冷氣候區(qū)綠色住宅節(jié)能方法的意義重大。節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用是建設(shè)可持續(xù)建筑的關(guān)鍵，而立體綠化技術(shù)是提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能效率的措施之一。相關(guān)研究表明，使用立體綠化可以有效降低空調(diào)的冷熱負(fù)荷，起到降溫節(jié)能的作用，但同時會造成成本及維護(hù)費用增加、管理困難、環(huán)境衛(wèi)生不達(dá)標(biāo)等問題。正面影響和負(fù)面影響之間的矛盾，成為探索立體綠化在夏熱冬冷氣候區(qū)住宅建筑應(yīng)用的重要內(nèi)容。本文首先對立體綠化實踐項目進(jìn)行問卷調(diào)查，從使用問題和居民使用意愿方面，評估上海市立體綠化的使用特征；然后通過文獻(xiàn)研究和實測調(diào)研，總結(jié)立體綠化設(shè)計過程中影響住宅能耗的因素，通過Ladybug Tools軟件進(jìn)行模擬能耗，探索立體綠化與住宅能耗之間的關(guān)聯(lián)，從而提出節(jié)能設(shè)計建議并形成方便建筑師使用的設(shè)計指導(dǎo)圖譜；最后將正面影響和負(fù)面影響進(jìn)行綜合分析，提出立體綠化在夏熱冬冷氣候區(qū)住宅中的綜合評價建議。

1 住宅立體綠化的發(fā)展趨勢及使用特征

1.1 發(fā)展趨勢

夏熱冬冷氣候區(qū)夏季炎熱，冬季潮濕寒冷，住宅建筑夏季空調(diào)制冷和冬季采暖總能耗較大，立體綠化作為提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的節(jié)能措施之一，對住宅建筑的節(jié)能起到一定正面作用。實踐方面，上海市綠化和市容管理局頒布了《上海立體綠化專項規(guī)劃》，鼓勵在建筑中實施多種形式的立體綠化，并由此出現(xiàn)了一批較為優(yōu)秀的立體綠化實踐項目（圖1～4）。但立體綠化在國內(nèi)的住宅項目中使用較少，與住宅設(shè)計的結(jié)合度不高，其研究多集中在暖通、景觀領(lǐng)域，研究結(jié)果對建筑師來說復(fù)雜難懂，同時缺乏對使用問題以及使用者意愿的綜合評價，對建筑實踐的指導(dǎo)性較差。

1 上海立體綠化案例

2 上海立體綠化案例

3 上海立體綠化案例

4 上海立體綠化案例

1.2 使用問題

立體綠化在使用中存在設(shè)計不當(dāng)、成本高、維護(hù)難和缺乏管理等較多問題，使其在住宅項目中的推廣較為困難。植物選擇不當(dāng)、布局以及構(gòu)造設(shè)計不合理還會造成氣味難聞、影響開窗、構(gòu)件脫落、影響空調(diào)器使用、滴灌系統(tǒng)廢棄、墻體滲漏等較為嚴(yán)重的影響。同時，使用立體綠化成本維護(hù)費用較高，活墻式垂直綠化的成本為800～2 000元/m2，維護(hù)費用為20元/m2/年，較為精細(xì)的屋頂花園養(yǎng)護(hù)費用約為20元/m2/年。后期植物養(yǎng)護(hù)也較為困難，垂直綠化需入戶進(jìn)行植物修剪，更換屋頂綠化的大型喬木需用吊車進(jìn)行移栽。此外，沒有強(qiáng)制條例規(guī)定住宅建筑使用屋頂綠化和垂直綠化，是多數(shù)居住建筑不進(jìn)行屋頂綠化和垂直綠化的另一個重要原因。由此可見，立體綠化在住宅項目中的推廣仍面臨較多困難。

1.3 居民使用意愿

居民的使用意愿是立體綠化在住宅建筑中能否被推廣的重要因素之一。針對這一問題對上海地區(qū)居民進(jìn)行問卷調(diào)研，結(jié)果表明居民對立體綠化的使用意愿一般，大約50%的居民愿意使用陽臺綠化和屋頂綠化，但對垂直綠化的接受度較低，僅為44.4%。衛(wèi)生（如蚊蟲等）和技術(shù)問題（如滲水隱患等）是居民使用立體綠化時最擔(dān)心的問題（圖5，6）。經(jīng)濟(jì)方面，超過一半的居民愿意花費200～500元/年在立體綠化的維護(hù)和管理費用上，家庭年收入越高的居民對成本和維護(hù)費用的接受度越高。大多數(shù)居民也愿意和物業(yè)一起參與立體綠化的維護(hù)和管理（圖7，8）。由此可見，根據(jù)居民的經(jīng)濟(jì)承受能力，選擇合理的立體綠化類型，設(shè)計衛(wèi)生安全的立體綠化構(gòu)造，創(chuàng)造多樣的立體綠化形式，可以幫助立體綠化在住宅項目中推廣使用。

5 使用垂直綠化擔(dān)心出現(xiàn)的問題

6 使用屋頂綠化擔(dān)心出現(xiàn)的問題

7 居民希望的垂直綠化管理方式

8 居民希望的屋頂綠化管理方式

2 立體綠化設(shè)計影響住宅能耗的因素

2.1 分類及構(gòu)造方式

“綠色屋頂是指以土壤（生長介質(zhì)）和植被層為最外表面的屋頂。生長介質(zhì)和屋頂結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)造各不相同，但通常包括排水層、根屏障和防水膜”[1]。典型的屋頂綠化構(gòu)造從上到下主要包括：植被層、種植基質(zhì)層、過濾層、排水或蓄水層、耐根穿刺防水層（圖12）。根據(jù)使用類型、構(gòu)造要素和維護(hù)要求，屋頂綠化被分為拓展型屋頂綠化、半密集型屋頂綠化和密集型屋頂綠化，其維護(hù)難度和造價費用等詳見表1。

9 直接立面綠化

10 間接立面綠化

11 植物活墻

12 典型屋頂綠化的構(gòu)造層次

表1 屋頂綠化的分類

2.2 降溫節(jié)能機(jī)制

綠色立面的降溫節(jié)能機(jī)制較為簡單，由于沒有植物層，多依靠遮陽起主要的降溫隔熱作用?；顗Υ怪本G化的作用機(jī)制十分復(fù)雜。Yang He建立的活墻模型考慮了植物層、基質(zhì)層、空氣間層以及結(jié)構(gòu)層的傳熱、傳濕和輻射等物理現(xiàn)象（圖13）[2]。屋頂綠化的降溫節(jié)能機(jī)制主要分為植物層的蒸散作用、植物冠層的遮陽作用，以及基質(zhì)層和植物層的保溫隔熱作用。綠色屋頂和普通屋頂熱工性能的差別導(dǎo)致了兩者能量傳遞的區(qū)別（圖14）[3]。

13 活墻和普通墻體的熱傳遞過程

14 有無綠化的屋頂能量交換示意圖

2.3 節(jié)能相關(guān)要素

屋頂綠化和垂直綠化可以在建筑立面與綠色墻壁之間的空氣間層形成微氣候，從而起到降溫節(jié)能的作用，通過調(diào)節(jié)環(huán)境空氣溫度和風(fēng)速來減少建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱通量。Katia Perini發(fā)現(xiàn)有20cm空氣間層的垂直綠化墻體與沒有空氣間層的垂直綠化墻體相比，外表面最高溫度降低了不到1℃[4]。Yang He發(fā)現(xiàn)在上海地區(qū)，活墻在不同朝向上使用時，其降溫效果在夏天排序為：西向＞東向＞南向＞北向，而在冬季排序為北向＞東向＞西向＞南向[1]。M.Santamouris的研究表明，屋頂綠化對不同層數(shù)建筑的能耗降低值有所不同[5]。綜上，對立體綠化節(jié)能效果影響較大的要素主要分為兩個方面，即構(gòu)造要素和布局要素。構(gòu)造要素為垂直綠化的空氣間層，布局要素為建筑的朝向、角度、高度等。

3 影響因素與住宅能耗之間的關(guān)聯(lián)模擬

3.1 模擬軟件與驗證

3.1.1 模擬軟件

使用基于Rhino 和Grasshopper 平臺的Ladybug Tools能耗模擬插件，對和住宅立體綠化設(shè)計能耗相關(guān)的構(gòu)造要素、布局要素進(jìn)行模擬分析。Honeybee模塊可以通過不同能耗模型的建模方法，對不同高度、不同朝向的墻體、屋頂進(jìn)行對應(yīng)的構(gòu)造參數(shù)設(shè)置。模型邊界條件的參數(shù)設(shè)置來源于《上海市居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，具體參數(shù)設(shè)置詳見表2[6]。模擬完成后，讀取制冷采暖能耗數(shù)據(jù)，分析指標(biāo)為立體綠化的單位面積節(jié)能效率。

表2 能耗模擬邊界條件設(shè)置

3.1.2 軟件驗證

將同濟(jì)大學(xué)行政樓冬夏兩季的實測數(shù)據(jù)與軟件模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗證軟件的可靠性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在夏季和冬季，模擬結(jié)果與實測結(jié)果的變化趨勢相似（表3）。北側(cè)和東側(cè)冬夏兩季數(shù)據(jù)擬合度均較高，西側(cè)夏季模擬值高于實測值，冬季模擬值低于實測值。主要原因為模擬時將外墻垂直綠化簡化為外遮陽模式進(jìn)行處理，忽略了植物層傳熱對外墻熱阻值的影響。但模擬的夏季降溫作用較大，冬季保溫作用較小，全年的總能耗相對保持不變。故可以驗證由Ladybug Tools軟件模擬出的數(shù)據(jù)具有一定的可靠性和準(zhǔn)確性。

3.2 垂直綠化影響因素與能耗

3.2.1 模擬思路與參數(shù)設(shè)置

習(xí)近平總書記指出：“新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命正在創(chuàng)造歷史性機(jī)遇。”抓住歷史發(fā)展機(jī)遇期，共創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)未來，既是歷史賦予“管院在線”的光榮任務(wù)，也是“管院在線”的神圣職責(zé)。今后，引領(lǐng)方向是關(guān)鍵?！肮茉涸诰€”的使命，就是在不確定的時代，做確定的事情。

實驗采用平面尺寸為14m×28m，層高3m，共8層的正南北向建筑單體作為理想模型進(jìn)行實驗。將活墻式垂直綠化簡化為附加等效熱阻。選用Yang He測得的上海地區(qū)冬夏兩季植物活墻進(jìn)行模擬，其額外等效熱阻值為冬季9.16m2·K/W，夏季0.97m2·K/W[1]。首先模擬其在不同朝向上使用時的單位面積節(jié)能效率，再模擬節(jié)能效率與窗墻比、平面角度、高度的關(guān)系，最后對結(jié)果進(jìn)行分析，得出活墻垂直綠化的指導(dǎo)設(shè)計圖譜。將間接式立面綠化簡化為遮陽進(jìn)行研究，使用Grasshopper中的Honeybee Context電池設(shè)置模擬建筑模型的外遮陽（圖15），植物層的參數(shù)設(shè)置見表4。構(gòu)造要素方面，對間接式立面綠化距離墻體表面的距離，即空氣間層厚度進(jìn)行研究。選擇特定構(gòu)造的間接式立面綠化，對其在四個朝向上進(jìn)行模擬，然后分別研究在不同朝向使用時，空氣間層厚度與能耗的關(guān)系，最后選擇特定間層厚度繼續(xù)進(jìn)行有關(guān)窗墻比、平面角度、高度與能耗的關(guān)聯(lián)研究，工作路徑和選用的垂直綠化構(gòu)造見表5。

15 間接式立面綠化的電池組設(shè)計

表3 實測和軟件模擬對比

表4 植物參數(shù)設(shè)置

表5 垂直綠化模擬構(gòu)造選擇及研究路徑

3.2.2 設(shè)計指導(dǎo)圖譜及建議

對模擬結(jié)果進(jìn)行分析和可視化處理，得到指導(dǎo)建筑師的設(shè)計圖譜（表6，7）。使用活墻垂直綠化，可降低住宅全年制冷和采暖總能耗的2.384%～3.108%，間接式立面綠化可降低0.141%～1.382%。朝向是影響節(jié)能效率最重要的因素，活墻式垂直綠化和間接式立面綠化在不同朝向上使用的節(jié)能效率排序為：東向＞西向＞北向＞南向。窗墻比、平面角度、高度和空氣間層厚度對節(jié)能效率均有一定的影響，以上因素的影響大小排序為：窗墻比＞平面角度＞高度＞空氣間層厚度。

綜上可知，當(dāng)東向窗墻比為0～0.1時，使用活墻式垂直綠化效果最好。南北向使用時，應(yīng)考慮窗墻比增加對節(jié)能效率的影響。在不同朝向上使用活墻式垂直綠化，平面角度對其節(jié)能效率有較為顯著的影響。東向使用時最優(yōu)平面布局為正南北布局，西向使用時為南偏東15°，南向使用時為南偏西45°，北向使用時為南偏西45°。不論朝向如何都應(yīng)盡量在一層使用活墻式垂直綠化。

對間接式垂直綠化來說，增加空氣間層的厚度會降低其對全年總能耗的節(jié)能效率，但是該效率只在0.1%范圍內(nèi)，對節(jié)能效率的影響不大。在東向使用間接式立面綠化時最優(yōu)平面布局為正南北布局，西向使用時為南偏西45°，南向使用時為南偏東45°，北向使用時為南偏東45°。在東、南和北向使用時，不建議在一層和頂層使用間接式立面綠化。其他情況下，不同樓層使用的差別不大。

3.3 屋頂綠化影響因素與住宅能耗

3.3.1 模擬思路與參數(shù)設(shè)置

對拓展型屋頂綠化、半密集型屋頂綠化和密集型屋頂綠化進(jìn)行模擬研究，計算不同類型屋頂綠化的節(jié)能效率，從而探索高度與節(jié)能效率的關(guān)聯(lián)。本實驗采用的建筑理想模型與垂直綠化相同。表8為不同的附加層屋頂綠化參數(shù)。

3.3.2 設(shè)計指導(dǎo)圖譜及建議

模擬結(jié)果表明，使用屋頂綠化可以有效降低全年制冷采暖總能耗，其中冬季采暖能耗的降低效果更明顯。不同類型屋頂綠化的節(jié)能效率在8層理想建筑模型中的排序為密集型（7.497%）＞半密集型（4.464%）＞拓展型（2.676%）。隨著層數(shù)的增加，不論類型如何，其節(jié)能效率呈現(xiàn)下降的趨勢，當(dāng)樓層從4層增加到16層時，其降溫節(jié)能效率下降較為顯著；當(dāng)樓層高于16層時，其節(jié)能效率下降逐步減弱，趨于平緩。不同類型屋頂綠化的節(jié)能效率趨向值為：拓展型2.3%，半密集型3.8%，密集型6.8%。因此，建議在4～16層的住宅建筑中優(yōu)先使用屋頂綠化。對模擬結(jié)果進(jìn)行分析和可視化處理可以得到指導(dǎo)建筑師的設(shè)計圖譜（表9）。

表6 活墻式垂直綠化設(shè)計指導(dǎo)圖譜

表7 間接式立面綠化設(shè)計指導(dǎo)圖譜

表8 不同附加層屋頂綠化的參數(shù)設(shè)置

表9 屋頂綠化設(shè)計指導(dǎo)圖譜

4 綜合評價建議

對居民意愿、經(jīng)濟(jì)成本、節(jié)能效果以及使用問題進(jìn)行綜合評價（圖16），建議在夏熱冬冷住宅建筑中優(yōu)先推廣使用半密集型和密集型屋頂綠化，使用時需注意屋頂?shù)姆浪O(shè)計，避免滲漏隱患?？紤]居民共同參與建設(shè)維護(hù)屋頂花園的意愿，可以增加屋頂綠化的形式、完善管理制度、維護(hù)管理機(jī)制和政策獎勵，使屋頂綠化在實際使用中能有效發(fā)揮其節(jié)能作用。垂直綠化方面，其節(jié)能效率不如屋頂綠化，居民的使用意愿不強(qiáng)烈，需考慮的問題較多，且缺少優(yōu)秀的設(shè)計實踐和良好的技術(shù)支撐。如何更好地解決垂直綠化在住宅建筑中的使用問題，提出完善且具有法律效力的導(dǎo)則或條例，是現(xiàn)階段垂直綠化在住宅建筑中推廣的關(guān)鍵因素。

16 立體綠化綜合評價

5 結(jié)語

本文通過實地問卷調(diào)研及數(shù)值模擬，理清了夏熱冬冷氣候區(qū)垂直綠化和屋頂綠化在住宅建筑綠色性能中的貢獻(xiàn)值，形成了指導(dǎo)建筑師的設(shè)計圖譜，并較為客觀地分析了立體綠化在住宅中的適用性，多角度地評估了立體綠化對綠色住宅建筑的作用和弊端，為立體綠化的建筑實踐提供了參考依據(jù)。

立體綠化的能耗模擬是一項復(fù)雜的工程，其節(jié)能機(jī)制的研究目前還不成熟，等效熱阻值和等效遮陽不能代表全部的節(jié)能效果，建議在Ladybug Tools軟件中開發(fā)立體綠化能耗模擬電池，以方便建筑師在設(shè)計階段準(zhǔn)確地進(jìn)行立體綠化設(shè)計的方案模擬和調(diào)整。同時，立體綠化在住宅中的使用和推廣需要相關(guān)利益者的共同努力，節(jié)能和經(jīng)濟(jì)成本僅為評價立體綠化的一部分，其在生態(tài)效益方面的作用同樣不可忽視，建議對此進(jìn)行進(jìn)一步分析，以完善立體綠化效果評估。最后，立體綠化在住宅中的節(jié)能作用主要取決于植物的合理選擇和布置，建議在立體綠化的研究中，進(jìn)行多學(xué)科的交叉研究，以實現(xiàn)立體綠化在住宅實踐中的推廣和合理使用。

圖表來源

圖1～4，圖9～11 由作者拍攝；圖12 來自文獻(xiàn)[9]，圖13 來自文獻(xiàn)[2]，圖14 來自文獻(xiàn)[3]，表1 來自文獻(xiàn)[8]，表4 來自文獻(xiàn)[10]；其余圖表由作者繪制。