高原地區(qū)垂直綠化對建筑節(jié)能的影響

趙濤　姚東　王志杰　岳帥坤

關(guān)鍵詞：垂直綠化;建筑節(jié)能;室內(nèi)空氣;舒適度;高原地區(qū)

中圖分類號：TU201.5 文獻標(biāo)志碼：A

1概述

基礎(chǔ)設(shè)施的高度封閉區(qū)域是最易受城市熱島效應(yīng)等不利氣候條件影響的地區(qū)。在城市環(huán)境中，建筑結(jié)構(gòu)吸收太陽輻射，能量儲存在建筑材料中，并釋放回室外和室內(nèi)環(huán)境中。缺乏有水體或植被的開放自然空間會導(dǎo)致潛在熱發(fā)電的減少。此外，城市地區(qū)有限的天空視野因素導(dǎo)致紅外輻射的進一步保留。

室內(nèi)溫度受到室外環(huán)境溫度的影響，室內(nèi)高溫可以保持在舒適閾值以上，導(dǎo)致室內(nèi)熱應(yīng)激，尤其是在夜間，對人體產(chǎn)生負面影響。熱應(yīng)激導(dǎo)致死亡率上升，主要是弱勢人群，如老年人和呼吸系統(tǒng)疾病的人。這些因素意味著在老齡化社會建設(shè)中，以減少夏季室內(nèi)熱應(yīng)力。垂直綠化系統(tǒng)在增加城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的同時，在室內(nèi)和室外熱危害方面具有降低潛力。

垂直綠化作為城市綠地的組成部分，有助于為城市環(huán)境降溫。垂直綠化對建筑表面的冷卻作用主要是由于陰影。冷卻強度不僅取決于植物特征和氣象條件（主要是太陽輻射、氣溫和風(fēng)），還取決于墻體的組成，即能量轉(zhuǎn)移和儲存的特性。垂直綠化的熱性能及其對建筑的影響在實驗和建模中都得到了量化。

2019年我國城鎮(zhèn)化水平突破60%，意味著中國進入了城鎮(zhèn)化中后期。隨著時間的推移，這個比例也會繼續(xù)擴大，同時給城市規(guī)劃者帶來巨大的挑戰(zhàn)。我國大力提倡綠色環(huán)保建筑，如何提高建筑節(jié)能效率是一個不得不面對的問題。居民的室內(nèi)舒適感受室內(nèi)熱環(huán)境影響，建筑物的能耗由居民的熱感決定。室內(nèi)熱條件也受垂直綠化模式的影響，因為垂直綠化模式除了影響外墻的陰影功能外，還影響反射、折射索引、水保持和其他熱性能參數(shù)。除了射線控制外，綠色墻壁已被證明通過植物蒸騰，影響室內(nèi)熱環(huán)境。

2垂直綠化

2.1介紹

建筑立面的綠化已被提出，作為一個有希望的解決方案，使密集的城市更持續(xù)。通常，建筑物的垂直區(qū)域大于屋頂區(qū)域。這一事實強調(diào)了垂直綠化系統(tǒng)的重要性，特別是高層建筑類型。垂直綠化的概念可以追溯到巴比倫文明的建設(shè)。雖然，攀巖植物在墻壁上的應(yīng)用并不是一個新的趨勢，但在過去的幾十年里，它們使用的系統(tǒng)和用途已經(jīng)發(fā)生了變化。從歷史上看，綠色墻壁用于觀賞或園藝目的，但目前的垂直綠化系統(tǒng)，與其他被動技術(shù)一樣，用于其可持續(xù)性效益。

2.2陰影效果

綠色墻可以保護建筑屋頂免受陰影過熱。綠墻的總太陽輻射量取決于樹冠的物理特性，它將被轉(zhuǎn)移到這三種方式：反射到大氣中，或被樹冠吸收或通過葉片傳播。垂直綠化系統(tǒng)的遮蔽效果在很大程度上取決于樹葉的密度和覆蓋率。調(diào)查在國內(nèi)溫帶氣候下覆蓋建筑物西南窗戶的落葉攀爬植物的著色系數(shù)。結(jié)果顯示，通過一片葉子層的太陽傳播最初約為45%，在經(jīng)過五片葉子層時下降到12%。

2.3保溫效果

在建筑立面和綠色墻之間形成微氣候環(huán)境，作為熱緩沖器，從而通過調(diào)節(jié)環(huán)境空氣溫度和風(fēng)速來減少通過建筑熱通量。垂直綠化的表面溫度高于沒有太陽輻射的夜間裸露立面。這可轉(zhuǎn)化為中間微氣候的熱緩沖能力及其對建筑熱損失減速的影響。在一條獨立的綠色墻上進行了實地研究，該墻組裝在一個鋼結(jié)構(gòu)上，在干燥的大陸性氣候中，從西北、西南和東南立面形成80～150cm的距離。這項研究是在春季和冬季完成的，當(dāng)時樹葉覆蓋率約為62%。當(dāng)綠墻的覆蓋率最高時，通過樹葉的傳輸量范圍從春季的37%到夏季的3%不等。此外，測量了微氣候環(huán)境在空間中的作用。發(fā)現(xiàn)溫度更低（最高2°C）和更高的濕度（最大7%）與環(huán)境相比，在中部空間有溫度下降的類似趨勢。在這項研究中，觀察了自然通風(fēng)和氣腔厚度對中部空間微氣候環(huán)境冷卻效應(yīng)的影響。

2.4環(huán)保效果

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，垂直綠化可以很好的起到遮陰效果，降低局部地區(qū)的風(fēng)速，通過植物減少噪音污染和緩解城市熱島效應(yīng)。另一方面，垂直綠化通過葉片吸收外部空氣的灰塵和微粒物質(zhì)，可以起到凈化空氣的作用。同時能夠增加生物的多樣性，為野生動植物提供食物和避難所。此外，垂直綠化還能通過其發(fā)達的根系增強滲透作用和增加蓄水量，有很好的環(huán)保作用。

2.5綠色墻對建筑節(jié)能的能量影響

綠色立面通過吸收太陽輻射進行生長進行生物過程，可以有效地降低室內(nèi)溫度。室內(nèi)氣溫的降低意味著夏季節(jié)能效果相當(dāng)大。然而，在冬季，植物的遮光不應(yīng)阻礙被動熱增益通過建筑包絡(luò)，否則會增加供熱需求。夏季對建筑物的四個主要方向上模擬了一堵厚度為20cm的綠色墻，以預(yù)測綠色墻的方向?qū)档痛箨懶詺夂蛑欣鋮s需求的影響。最高和最低影響是通過綠化西向和北向的墻體，分別節(jié)能20%和5%。因此，在垂直表面上為植物選擇合適的方向可在夏季為冷卻負載提供顯著的節(jié)能。

3實驗方案

3.1氣候條件

昆明屬北緯低緯度亞熱帶-高原山地季風(fēng)氣候，由于受印度洋西南暖濕氣流的影響，日照長、霜期短、年平均氣溫15℃，年均日照2200h左右，無霜期240d以上。氣候溫和，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，四季如春，氣候宜人，年降水量1035mm如圖1所示，具有典型的溫帶氣候特點，城區(qū)溫度在0℃～29℃之間，年溫差為全國最小，這樣的氣候特征在全球少有，鮮花常年開放，草木四季常青。

3.2實驗設(shè)置

以云南大學(xué)教學(xué)樓為實驗對象，高5.5m，建筑為普通的磚混結(jié)構(gòu)如圖2所示，選擇有垂直綠化的一面和沒有垂直綠化的一面進行比較，以5月連續(xù)晴朗、無降雨時間段進行實驗，時間為10：00到22：00，每一小時測量一次，利用溫度測量計進行溫度測量如圖3所示。

3.3實驗結(jié)果

在這項研究中，通過在昆明市天氣條件下進行的全面實驗，研究結(jié)果強調(diào)了垂直綠化系統(tǒng)對冬季室內(nèi)熱舒適性和建筑能耗的顯著積極影響。在非加熱條件下，垂直綠化系統(tǒng)可幫助室內(nèi)氣溫降低約1°C～3°C。垂直綠化還可以減少室內(nèi)溫度波動。此外，垂直綠化室在平均氣溫較低。鑒于昆明四季常暖且大多數(shù)地方?jīng)]有空調(diào)，考慮到人體的舒適以及節(jié)能，垂直綠化系統(tǒng)適合使用。

4總結(jié)

4.1垂直綠化對舒適性的影響

垂直綠化主要有利于室內(nèi)熱舒適，特別是室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ）。根據(jù)研究，室內(nèi)植物可以通過凈化、加濕和溫度降低三個因素增加室內(nèi)舒適性。此外，從心理學(xué)的角度來看，植物也可以通過減輕壓力和增加健康來提供舒適的條件。葉子、莖和根的生物過濾效應(yīng)可以減少氣密建筑中揮發(fā)性有機化合物的積累，為建筑物的居住者提供一個健康的環(huán)境。改善室內(nèi)空氣質(zhì)量可減少病層綜合癥，從而提高居民的舒適度和生產(chǎn)力。此外，室內(nèi)植物可以通過蒸發(fā)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度。沒有通風(fēng)的熱內(nèi)部空間從這種效果中獲益最大。室外綠化系統(tǒng)，如綠色屋頂、綠色墻壁、綠色陽臺和天空花園，還可以通過減少建筑熱通量和溫度波動來提高室內(nèi)熱舒適性。然而，在水平綠化系統(tǒng)的情況下，其影響將僅限于頂層。

4.2垂直綠化對能源的影響

垂直綠化可以給建筑帶來許多好處。其中，許多研究者對不同綠化系統(tǒng)對建筑能耗的影響進行了調(diào)查。根據(jù)研究，綠化系統(tǒng)在冷卻和加熱季節(jié)表現(xiàn)出不同的效率。綠化系統(tǒng)的最大功效在夏季比較突出。此外，在陽光明媚的日子或太陽輻射較高的地方，綠化系統(tǒng)的效率會更高。相比之下，對于冬季條件，不同的研究建議關(guān)于綠化系統(tǒng)性能的爭議性結(jié)論。這意味著他們既可以節(jié)省能源，也根據(jù)研究條件增加熱需求。

在寒冷的氣候下，當(dāng)被動熱通過建筑時，有效地有助于節(jié)約能源，植被遮蔽會增加對供暖的需求。此外，老建筑的絕緣價值很差，然后，增加一個額外的綠化層可以改善建筑物的絕緣性能。因此，當(dāng)綠化系統(tǒng)絕緣的積極影響高于遮蔽的負面影響時，綠色環(huán)保系統(tǒng)的應(yīng)用可減少冬季的供熱負荷。此外，昆明地區(qū)太陽輻射較高的地方，垂直綠化的效果更加突出。