湘南住區(qū)垂直綠化的冬季節(jié)能績效研究

鄭伯紅李家宇饒繼發(fā)戚智勇，鄭艦

1.中南大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院,長沙 410075; 2.華南理工大學(xué)建筑學(xué)院,廣州 510800

“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”是我國國土空間規(guī)劃的基本準(zhǔn)則之一[1-2]。垂直綠化作為建成空間里重要的“碳匯”要素，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。然而，我國關(guān)于垂直綠化的研究集中于城市綠化對于微氣候和大氣污染凈化的研究。就城市微氣候研究而言，現(xiàn)有研究主要探討綠化大氣溫度、濕度、風(fēng)速、熱舒適性等要素的影響，研究周期以“典型夏季氣象日”評價(jià)為主?！熬G色建筑全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展計(jì)劃”要求延伸建筑前端的規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，使得“綠色規(guī)劃”與“綠色建筑”協(xié)同發(fā)展，構(gòu)成綠色建筑全產(chǎn)業(yè)鏈，這也是當(dāng)下國土空間規(guī)劃的內(nèi)在要求之一[3]。

然而，我國城市綠化的研究尚存兩個(gè)主要瓶頸，導(dǎo)致“綠色建筑全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展計(jì)劃”無法高效地實(shí)施。首先，“城市綠化”與“建筑節(jié)能”的研究之間存在溝壑，無法實(shí)現(xiàn)“綠色規(guī)劃”與“綠色建筑”的有效銜接；現(xiàn)有的城市綠化研究僅探討了城市空間要素對城市建成空間微氣候的影響，尚未實(shí)現(xiàn)經(jīng)由微氣候向建筑節(jié)能的二次耦合研究。其次，我國現(xiàn)有的城市綠化對微氣候的影響研究主要探討夏季的“熱島緩解”問題[4-5]，這個(gè)學(xué)術(shù)問題起源于對新加坡和我國香港等熱帶城市的研究[6-7]；然而，我國擁有多個(gè)氣候區(qū)，僅研究綠化對其在夏季“降低溫度”中的積極作用[8]，特別是我國有大量的疆域位于夏熱冬冷氣候區(qū)的背景下[9]，仍忽視綠化在冬季潛在的“加劇寒冷”的負(fù)面影響研究[10]，這樣的研究是不科學(xué)的。

本研究從冬季環(huán)境負(fù)面效應(yīng)的視角出發(fā)，通過探索“城市綠化”這一城市規(guī)劃學(xué)科的空間參數(shù)對城市微氣候的影響，并進(jìn)一步探討該微氣候條件下的建筑能耗需求情況，從而實(shí)現(xiàn)由規(guī)劃參數(shù)到建筑能耗的耦合研究，厘清不同垂直綠化模式在冬季的能耗需求情況和冬季湘南地區(qū)不同垂直綠化模式對建筑能耗需求的影響。

1 研究方法

1.1 湘南地區(qū)典型住區(qū)形態(tài)

垂直綠化由于受到自重的限制，目前尚未在高層建筑中廣泛地裝配[11]。湘南地區(qū)垂直綠化較常見地裝配于低層和多層居住建筑。由于低層住宅不利于集約使用土地，低層住宅早已被明令禁止建設(shè)[12]。因此，湘南地區(qū)裝配垂直綠化的典型住區(qū)為多層住宅小區(qū)。湘南多層住宅小區(qū)按照《城市居住區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的消防和采光要求，建筑東西間距不低于6 m，滿足消防需求；日照系數(shù)1∶1[13]。湘南地區(qū)的住區(qū)大多為商業(yè)開發(fā)小區(qū)，為高效利用土地資源，住區(qū)基本都是依據(jù)規(guī)劃退讓的底限要求布局的，典型住區(qū)模型見圖1。

圖1 湘南典型多層住區(qū)形態(tài)Fig.1 Typical multi-storeys in southern Hunan

1.2 湘南地區(qū)垂直綠化模式

湘南地區(qū)居住區(qū)裝配的垂直綠化主要分為3種類型[14]，本研究的對比模式(圖2A)及3種垂直綠化模式(圖2B,C,D)如圖2所示。

圖2 不同垂直綠化模式Fig.2 Vertical greening modes

筆者所在課題組對3種垂直綠化模式進(jìn)行了全年周期的栽培試驗(yàn)，栽培植物采用湘南當(dāng)?shù)厮募境＞G植物(圖3)。圖3D為垂直綠化的滴灌針，滴灌針每隔0.5 m設(shè)置1個(gè)，由插入綠化基質(zhì)里的濕度傳感器來探測并控制滴灌液的供給，保障垂直綠化在湘南地區(qū)能夠全年周期存活。研究測定了3種垂直綠化基質(zhì)與植物在正常存活狀態(tài)下的參數(shù)(表1)。

圖3 不同垂直綠化模式栽培試驗(yàn)Fig.3 Experiment on vertical greening cultivation of different modes

表1 綠墻構(gòu)成要素屬性Table 1 AttributeTable of green wall elements

1.3 湘南冬季氣候特征

研究采用湖南省郴州市國家氣象站2009―2019年的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對每個(gè)月的月平均高溫、月平均低溫、月均高溫發(fā)生時(shí)間、月均低溫發(fā)生時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(圖4)。由圖4可知，郴州地區(qū)最冷的月份為1月。因此，研究以郴州市1月為典型冬季月。

圖4 2009―2019年郴州全年氣溫分布特征Fig.4 Annual temperature distribution in Chenzhou City from 2009 to 2019

以高溫為8 ℃、低溫為3 ℃的特征，對2009―2019年郴州市國家氣象站(No.57972)1月份的氣溫特征進(jìn)行了分析，獲得了郴州市1月份典型的冬季氣象日室外溫度(圖5)。

圖5 湘南1月室外典型日氣溫Fig.5 Typical daily temperature in Januaryin southern Hunan Province

1.4 冬季節(jié)能計(jì)算方法

室外熱環(huán)境與室內(nèi)能耗的耦合研究是城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)科(城市尺度)與建筑暖通學(xué)科(建筑單體尺度)之間的研究溝壑。垂直綠化產(chǎn)生的節(jié)能緣于其調(diào)節(jié)了室內(nèi)溫度，減少制冷和供熱的能耗需求[16]。垂直綠化對建筑的采光、餐廚等能耗無必然的影響。因此，研究不同垂直綠化模式的節(jié)能績效，實(shí)質(zhì)是研究垂直綠化對室內(nèi)舒適性的提升總量，減少調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境的能耗需求。本研究提出Envi-met+TRNSYS的耦合研究方法，探索室外參數(shù)對室內(nèi)采暖能耗的影響，研究采用的方法體系如圖6所示。

圖6 垂直綠化節(jié)能計(jì)算流程框架Fig.6 Energy saving calculation method of vertical greening

本研究模擬發(fā)生的地理位置設(shè)置為(25°73′N,112°98′E)；采用湘南1月室外典型日氣溫(圖5)為模擬的氣候參數(shù)；墻體選用湘南地區(qū)常用的普通鋼筋混凈土墻，即GB 50176―2016 《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中的干密度為2 500 kg/m3墻體；綠化參數(shù)采用表1中實(shí)測值。進(jìn)行1個(gè)完整氣象日(24 h)的室內(nèi)溫度模擬，并輸出24個(gè)整時(shí)時(shí)刻的室內(nèi)溫度值。本研究方法體系中涉及室內(nèi)熱環(huán)境的計(jì)算，舒適性的溫度閾值，以及采暖能耗調(diào)節(jié)的電能計(jì)算3項(xiàng)算法，具體如下。

1)室內(nèi)熱環(huán)境算法。研究采用Envi-met軟件，對裝配有不同模式垂直綠化的住宅小區(qū)進(jìn)行模擬計(jì)算。Envi-met軟件是一款成熟的熱環(huán)境模擬軟件，它能計(jì)算不同建筑材料、植被等在不同空間形態(tài)下的熱傳導(dǎo)規(guī)律[17]。Envi-met常見于室外熱環(huán)境的模擬研究，少見于室內(nèi)節(jié)能的研究。將Envi-met技術(shù)與能耗模擬軟件進(jìn)行耦合是探索建成空間參數(shù)對建筑能耗影響的思路之一；2018年Envi-met軟件新增了墻體綠化模擬計(jì)算功能，使得室外參數(shù)對室內(nèi)熱環(huán)境的研究有了可能；然而目前研究尚未厘清室外綠化參數(shù)對室內(nèi)采暖能耗的影響。研究對Envi-met模擬垂直綠化的準(zhǔn)確性做了試驗(yàn)驗(yàn)證。在綠化栽培試驗(yàn)基地(113.109°E,28.235°N)，運(yùn)用HOBO(MX2302)測試了2020年8月22日10：00至2020年8月24日10：00的連續(xù)2 d垂直綠化墻體內(nèi)外溫度、濕度數(shù)據(jù)(圖7A)。研究按照實(shí)際綠化參數(shù)與尺寸構(gòu)建了Envi-met模型(圖7B)；以HOBO實(shí)測的局地氣候參數(shù)為模擬條件，進(jìn)行了室內(nèi)溫度模擬。

A:實(shí)測試驗(yàn) Field experiment; B:模擬模型 Simulated model.

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)Envi-met可準(zhǔn)確地計(jì)算植物、基質(zhì)的熱傳導(dǎo)關(guān)系，準(zhǔn)確性校驗(yàn)試驗(yàn)如圖8，圖8表明，Envi-met模擬試驗(yàn)和測量試驗(yàn)結(jié)果的皮爾森系數(shù)為0.856,表明Envi-met的模擬結(jié)果是可信的。

2)采暖能耗啟動閾值算法。人體對溫度的受耐性特征受到地域氣候的影響，新加坡和我國香港等城市已經(jīng)系統(tǒng)的研究了當(dāng)?shù)厝巳盒枰獑⒂每照{(diào)制冷或制熱的群體閾值[18]，這個(gè)閾值不可照搬到湘南地區(qū)。劉蔚巍等[19]對湖南地區(qū)人體的溫度受耐性特征進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并得出湖南人群對冷和熱的受耐性特征值。根據(jù)劉蔚巍等[19]的研究，本研究采用7 ℃為制熱啟動溫度，30 ℃為制冷啟動溫度，7～30 ℃湖南人大部分群體不會使用溫度調(diào)節(jié)設(shè)備。

A:室外實(shí)測溫度 Measured temperature outdoor; B:室內(nèi)實(shí)測與模擬溫度 Measured and simulated temperature indoor.

3)等效能耗算法。等效能耗是指超過舒適度閾值后，調(diào)節(jié)溫度所需要補(bǔ)給的能耗。研究運(yùn)用TRNSYS 18軟件的TRNBuild模塊對建筑的熱過程進(jìn)行仿真模擬[20]，計(jì)算維持舒適狀態(tài)下，不同垂直綠化裝配的建筑所需要的制熱能量，仿真模擬的原理圖見圖9。

圖9 能耗算法模型Fig.9 Energy consumption algorithm model

2 結(jié)果與分析

2.1 不同垂直綠化模式建筑的冬季日溫度

Envi-met軟件模擬了湘南地區(qū)典型冬季氣象日內(nèi)24 h的室內(nèi)溫度變化情況；研究提取了整時(shí)時(shí)刻的數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。例如，該日19：00的模擬結(jié)果見圖10，圖10A-D分別是無綠化、地生墻表垂直綠化、墻生線型垂直綠化和墻生模塊化垂直綠化對應(yīng)的建筑室內(nèi)溫度。無綠化、地生墻表垂直綠化、墻生線型垂直綠化和墻生模塊化垂直綠化對應(yīng)的室內(nèi)溫度見圖11，圖11共計(jì)24個(gè)時(shí)刻，每個(gè)時(shí)刻的溫度指的是整時(shí)時(shí)刻室內(nèi)溫度的瞬時(shí)模擬值。

圖10 19：00室內(nèi)溫度模擬圖Fig.10 Indoor temperature simulation at 19:00

由圖11可知，在室內(nèi)溫度最低時(shí)刻，3種綠化墻體都具有保溫作用；然而，隨著室內(nèi)溫度的上升，墻生線型垂直綠化和墻生模塊化垂直綠化表現(xiàn)出明顯的降溫績效。地生墻表垂直綠化在室內(nèi)溫度下降時(shí)具有保溫作用，在室內(nèi)溫度上升時(shí)具有阻滯室內(nèi)升溫的作用。

圖11 4種墻體居住建筑典型冬季氣象日的室內(nèi)溫度Fig.11 Indoor temperature of the four wall residential buildings on typical winter weather day

2.2 不同垂直綠化模式建筑的冬季日采暖能耗需求

在湘南典型冬季氣象日的室外環(huán)境下，TRNSYS18軟件的TRNBuild模塊模擬分析了無綠化情景，以及分別裝配有3種不同垂直綠化模式的居住建筑，在墻體動態(tài)熱傳導(dǎo)的作用下，維持室內(nèi)溫度不低于7 ℃所需要供給的能量。裝配有3種不同垂直綠化模式的建筑采暖能耗需求如圖12所示，其中圖12A為沒有垂直綠化的居住采暖能耗需求情況，圖12中折線表示逐時(shí)負(fù)荷需求，曲線表示采暖能耗總需求。

模擬結(jié)果顯示,在湘南地區(qū)的典型冬季氣象日，為避免室內(nèi)出現(xiàn)極端寒冷的溫度，即保持室內(nèi)溫度不低于7 ℃，1棟24戶的6層居住建筑在無綠化以及裝配不同垂直綠化模式的情景下，無垂直綠化、地生墻表綠化、墻生線型綠化、墻生模塊綠化情景的日需電負(fù)荷分別為103.57、98.74、140.98、134.10 kW·h。研究結(jié)果表明：垂直綠化在寒冷氣候條件下存在環(huán)境負(fù)面效應(yīng)。墻生線型垂直綠化和墻生模塊化垂直綠化都加劇了室內(nèi)采暖能耗的需求。以湘南為例，典型冬季氣象日下，24戶的6層民居一日需要多用電量分別為37.40、30.53 kW·h，每戶日均制熱能耗的需求提升1.2～1.5 kW·h。研究進(jìn)一步表明，垂直綠化在冬季的環(huán)境效應(yīng)是否向好取決于氣候特征、垂直綠化模式等多要素。研究結(jié)果表明，我國湘南地區(qū)地生墻表垂直綠化在冬季仍然具有節(jié)能效益；24戶的6層民居一日需要的采暖能耗可減少4.83 kW·h。墻生垂直綠化在冬季具有明顯的耗能效應(yīng)，在典型24戶的6層民居中，日增加采暖能耗分別為37.40、30.53 kW·h。

A:無垂直綠化的住區(qū)建筑采暖能耗需求 Energy demand of residential buildings without vertical greening; B:地生墻表綠化的住區(qū)建筑采暖能耗需求 Energy demand of residential buildings with green facades walls; C:墻生線型綠化的住區(qū)建筑采暖能耗需求 Energy demand of residential buildings with linear green walls; D:墻生模塊綠化的住區(qū)建筑采暖能耗需求 Energy demand of residential buildings with modular green walls.

3 討 論

垂直綠化在建筑上的運(yùn)用主要由高密度城市的學(xué)者們推動，尤以我國香港和新加坡為盛。然而，不同于這兩個(gè)熱帶城市，我國其他大部分城市處于夏熱冬冷、寒冷甚至嚴(yán)寒氣候區(qū)，垂直綠化在寒冷季節(jié)的節(jié)能性能表現(xiàn)尤為重要。然而，垂直綠化在寒冷氣候下的研究開展較少；這是由于垂直綠化主要用于高密度城市，但采取高密度城市建設(shè)模式的國家或地區(qū)并不多，且已展開研究的國家或地區(qū)大都位于熱帶氣候區(qū)。本研究一方面證實(shí)了垂直綠化模式在寒冷的氣候條件下有可能增大室內(nèi)采暖能耗需求。此外，研究還厘清了湘南地區(qū)不同垂直綠化模式在典型冬季氣象日的節(jié)能績效，即地生墻表垂直綠化在冬季仍然具有節(jié)能效益；24戶的6層民居一日需要多用電量可減少4.83 kW·h。墻生垂直綠化在冬季具有明顯的耗能效應(yīng)，在典型24戶的6層民居中，日增加能耗分別為37.40、30.53 kW·h。本研究厘清了垂直綠化在我國典型夏熱冬冷氣候區(qū)冬季的節(jié)能績效，給照搬其他城市垂直綠化的盲目建設(shè)一個(gè)理性的呼吁。同時(shí)，本主題研究仍需深入開展，后續(xù)研究將通過對不同氣候區(qū)內(nèi)不同垂直綠化模式的全年周期節(jié)能績效研究，研判出不同氣候區(qū)最有利于住區(qū)節(jié)能的垂直綠化模式，并指明不同垂直綠化模式有利于住區(qū)建筑節(jié)能的地理界線。