胡慧心 于航 何旸 李超恩

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

隨著城市化進(jìn)程的加速，自然土壤逐漸被鋪裝材料取代。垂直綠化技術(shù)可以在不占用城市水平空間的同時，增加城市綠地率，緩解熱島效應(yīng)，凈化室外的空氣[1-4]。雙層垂直綠化作為垂直綠化的一種，在無需專用灌溉系統(tǒng)的同時可以保證植被的高存活率。重慶大學(xué)施慧中對重慶地區(qū)某雙層垂直綠化辦公建筑進(jìn)行了實(shí)測研究，結(jié)果顯示夏季綠化房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度可以降低5.2 ℃，太陽輻射得熱降低60%[5]。Kenneth 等對英國某辦公建筑外窗進(jìn)行了雙層垂直綠化改造并將兩臺太陽輻射熱流計分別放置于綠化層前后。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示每一層植物葉片可以降低37%的太陽輻射熱流量，當(dāng)植物葉片為5 層時，太陽輻射熱流量可降低87%[6]。Silvana 等建立了的雙層垂直綠化建筑模型，模擬結(jié)果表明當(dāng)東向外窗表面覆蓋遮陽率為0.9 的雙層垂直綠化層時窗體的日平均得熱量減少了30%[7]。綜上研究表明雙層垂直綠化可以有效降低夏季建筑熱負(fù)荷改善建筑熱環(huán)境，但目前上海地區(qū)雙層垂直綠化對建筑熱工環(huán)境及節(jié)能效果鮮有研究。因此本文將重點(diǎn)研究雙層垂直綠化對上海市辦公建筑熱環(huán)境的影響及其節(jié)能效益。

1 雙層垂直綠化簡介

1.1 雙層垂直綠化定義及傳熱過程

雙層垂直綠化即將爬藤植物種植在距圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面一定距離的網(wǎng)架上[6-7]，綠化層相當(dāng)于建筑的第二層表皮，因此稱為雙層垂直綠化。常用的雙層垂直綠化植物有常青藤，地錦，三角梅等。雙層垂直綠化外墻傳熱機(jī)理如圖1 所示。

圖1 雙層垂直綠化傳熱機(jī)理圖

1.2 垂直綠化常見分類

表1 展示了垂直綠化的常見分類形式及特點(diǎn)。根據(jù)植被種植方式可分為土壤式垂直綠化與爬藤式垂直綠化，土壤式垂直綠化可于園林公司直接購買已生長成熟的植物冠層，無需植株培育但初投資較高。爬藤式垂直綠化需購買爬藤植株幼苗，植株幼苗成本低，初投資少，但是幼苗需培育成熟需要較長時間。以爬山虎為例，一年正常發(fā)育大約可以生長2-5 米。土壤式垂直綠化主要有整體式和模塊式布置形式，爬藤式垂直綠化一般有貼壁式和雙層式兩種布置形式，如圖2 所示。

表1 垂直綠化常見分類及特點(diǎn)

圖2 垂直綠化布置形式示意圖

2 雙層垂直綠化建筑熱工環(huán)境實(shí)測

2.1 實(shí)驗(yàn)概況

2.1.1 實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)對象為上海地區(qū)某5 層磚墻結(jié)構(gòu)辦公樓。此辦公樓由南樓與北樓組成，南北兩棟樓相互平行且通過連廊連接，該建筑的空調(diào)系統(tǒng)為分體式空調(diào)，空調(diào)室外機(jī)放置于建筑外墻上。該建筑南樓南立面及北樓北立面進(jìn)行了雙層垂直綠化改造，綠化層距外墻垂直距離約為0.4 米，植物種類為麻油常青藤，植物冠層厚度約為15 cm。該建筑北樓南向立面未進(jìn)行雙層垂直綠化改造。該建筑的南樓與北樓的南向立面圖如圖3 所示。選取空間大小均為4.2 m×3.6 m×3.6 m（長×寬×高）的南樓南向頂層及北樓南向頂層辦公室各1 間作為實(shí)驗(yàn)對象。本文以房間A、B 命名兩間辦公室，房間A 為南樓南向頂層辦公室（有雙層垂直綠化），房間B 北樓頂層南向辦公室（無雙層垂直綠化）。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)時間及工況

實(shí)驗(yàn)時間為2018 年10 月1 至4 日，實(shí)驗(yàn)期間屬氣象意義上的夏季。實(shí)驗(yàn)期間兩房間均無人，所有用電設(shè)備均處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖3 建筑南樓及北樓南向立面圖

2.1.3 實(shí)驗(yàn)儀器及測點(diǎn)的布置

實(shí)驗(yàn)儀器的型號及技術(shù)參數(shù)見表2。實(shí)驗(yàn)過程皆為每5 分鐘自動記錄一次數(shù)據(jù)。A 房間實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)分布圖如圖4 所示，B 房間與A 房間測點(diǎn)布置相同，A、B房間測點(diǎn)皆布置于距房間地面1.6 m 高度處。便攜式氣象站放置于南樓屋頂平臺上，由于本文重點(diǎn)研究南立面雙層垂直綠化對建筑熱工性能的影響，因此將氣象站的太陽輻射表貼附于行政南樓的突出屋頂樓梯間的南向外墻上，測量該建筑的南向立面的太陽輻射熱流量。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)參數(shù)表

圖4 A 房間實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)分布圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 實(shí)驗(yàn)期間氣象參數(shù)

10 月1-4 日皆為晴天，氣象參數(shù)如圖5 所示。

圖5 氣象參數(shù)

2.2.2 雙層垂直綠化對外墻內(nèi)外表面溫度的影響

由圖6 可知，10 月1-4 日期間B 房間外墻內(nèi)外表面局部溫度最高值分別達(dá)到了30.4 ℃及41.9 ℃，而帶有雙層垂直綠化的A 房間外墻內(nèi)外表面局部溫度最高值為27.4 ℃及35.9 ℃。A 房間外墻內(nèi)外表面局部溫度分別平均降低了2.1 ℃、1.3 ℃，最高降低了3.5 ℃、11.4 ℃。由圖7 可知，B、A 房間外墻外表面溫度差值曲線每日都會出現(xiàn)兩次峰值，第一次溫差約為5 ℃。第二次溫差約為10 ℃。夜間A 房間外墻外表面夜間溫度高于B 房間，這是由于綠化層對建筑表面空氣的減速作用以及綠化層對墻體長波冷卻阻擋效果減少了建筑外墻的散熱量。由圖7 的B、A 房間外墻內(nèi)表面的溫度差值曲線可知，A 房間內(nèi)的表面溫度始終低于B房間。

圖6 A、B 房間外墻內(nèi)外表面溫度變化圖

圖7 A、B 房間外墻內(nèi)外表面溫度差值變化圖（B 房間溫度-A 房間溫度）

2.2.3 雙層垂直綠化對室內(nèi)空氣溫濕度的影響

由圖8 可知，實(shí)驗(yàn)期間A、B 房間室內(nèi)空氣最高溫度分別為29.1 ℃、31.1 ℃。A、B 房間室內(nèi)空氣平均溫度分別為27.3 ℃、28.8 ℃。由圖9 可知雙層垂直綠化有效降低室內(nèi)空氣溫度，改善了室內(nèi)熱環(huán)境。由于實(shí)驗(yàn)期間門窗緊閉，植物冠層的增濕作用無法影響到室內(nèi),由圖10 可知兩房間室內(nèi)中心點(diǎn)的空氣相對濕度無明顯差異。

圖8 A、B 房間室內(nèi)外空氣溫度變化圖

圖9 A、B 房間室內(nèi)外空氣溫度差值變化圖（B 房間溫度-A 房間溫度）

圖10 A、B 房間室內(nèi)外空氣濕度變化圖

2.2.4 雙層垂直綠化對外墻外表面附近室外空氣溫濕度的影響

由圖8 可知，雙層垂直綠化有效降低了日間外墻表面附近的室外空氣溫度，最高降低了9.1 ℃，平均降低了1.7 ℃。由圖11 可知每日10:00 至18:00 左右，由于植物冠層的蒸騰作用帶有雙層垂直綠化的建筑外表面附近的空氣濕度大于普通建筑外表面附近的空氣濕度。

圖11 A、B 房間室內(nèi)外空氣濕度差值變化圖（B 房間濕度-A 房間濕度）

2.2.5 室外氣象參數(shù)與雙層垂直綠化降溫效果的關(guān)系

本文選取A、B 外墻外表面溫度差值作為雙層垂直綠化的溫降指標(biāo)，選取皮爾森相關(guān)系數(shù)作為相關(guān)性評價指標(biāo)對室外氣象參數(shù)（室外氣溫，太陽輻射，風(fēng)速）與雙層垂直綠化的降溫效果進(jìn)行相關(guān)性分析。皮爾森相關(guān)系數(shù)計算公式見式（1）。r>0 時兩變量呈正相關(guān)，r<0 時兩變量呈負(fù)相關(guān)，|r|越大則兩變量相關(guān)性越強(qiáng)。計算結(jié)果見表3，雙層垂直綠化的降溫效果與室外氣溫，太陽輻射，風(fēng)速皆為正相關(guān)。且室外氣溫對雙層垂直綠化的降溫效果的影響最大，其次為太陽輻射以及風(fēng)速。

表3 室外氣象參數(shù)雙層垂直綠化降溫效果的相關(guān)性

3 雙層垂直綠化辦公建筑節(jié)能分析

3.1 雙層垂直綠化對建筑負(fù)荷的影響

雙層垂直綠化主要依賴綠化層的遮陽作用降低進(jìn)入到室內(nèi)的太陽輻射熱流量，夏季雙層垂直綠化的遮陽作用可以有效降低室內(nèi)空氣溫度，降低室內(nèi)冷負(fù)荷。冬季室外氣溫較低，雙層垂直綠化的遮陽作用降低了進(jìn)入到室內(nèi)的太陽輻射熱流，增加了室內(nèi)的熱負(fù)荷，反而增加了冬季建筑能耗[5]。

3.2 雙層垂直綠化對分體式空調(diào)制冷系數(shù)的影響

該辦公建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)選用分體式空調(diào)，帶有雙層垂直綠化的房間空調(diào)室外機(jī)布置于雙層垂直綠化的空氣夾層中，無雙層垂直綠化的房間空調(diào)室外機(jī)裸露于室外。將空調(diào)的制冷循環(huán)近似為理想逆卡諾循環(huán)，制冷狀態(tài)下當(dāng)空調(diào)室外機(jī)附近的空氣溫度降低時，空調(diào)的制冷效率可以有效提升[8]。該建筑為辦公建筑，空調(diào)使用時間集中于日間，由圖7 可知，日間雙層垂直綠化夾層處的室外空氣溫度遠(yuǎn)低于同位置處的普通建筑的室外空氣溫度。因此日間當(dāng)該建筑各房間的分體式空調(diào)處于制冷模式且各房間室內(nèi)設(shè)定溫度相同時，室外機(jī)布置于雙層垂直綠化空氣夾層中的分體式空調(diào)的制冷效率應(yīng)高于室外機(jī)裸露于室外的分體式空調(diào)的制冷效率。

4 結(jié)論

通過以上分析，得到如下結(jié)論。

1）在建筑外表面安裝雙層垂直綠化可以有效改善夏季上海地區(qū)辦公建筑夏季熱環(huán)境，降低夏季建筑室內(nèi)空氣溫度。帶有雙層垂直綠化的辦公室室內(nèi)空氣溫度較普通房間平均降低了1.5 ℃，外墻外表面的平均溫度降低1.3 ℃。

2）雙層垂直綠化的降溫效果與室外氣溫，太陽輻射，風(fēng)速皆為正相關(guān)。且室外氣溫對雙層垂直綠化的降溫效果影響最大，其次為太陽輻射及風(fēng)速。

3）上海處于夏熱冬冷地區(qū)，冬季雙層垂直綠化層的遮陽作用降低了進(jìn)入室內(nèi)的熱流量，增加了建筑采暖負(fù)荷。因此建議選種落葉型爬藤植物。此時雙層垂直綠化層可作為能自發(fā)進(jìn)行季節(jié)性調(diào)節(jié)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外遮陽結(jié)構(gòu)，不僅能有效改善建筑熱環(huán)境，降低夏季建筑能耗，同時可以增加城市綠量，改善城市的微氣候。