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(zhǎng)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(duì)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(píng)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?jī)H探討了城市空間要素對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)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(duì)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(duì)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(jī)效，實(shí)質(zhì)是研究垂直綠化對(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)室內(nèi)采暖能耗的影響。研究對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)閾值算法。人體對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)溫度，30 ℃為制冷啟動(dòng)溫度，7～30 ℃湖南人大部分群體不會(huì)使用溫度調(diào)節(jié)設(shè)備。

A:室外實(shí)測(cè)溫度 Measured temperature outdoor; B:室內(nèi)實(shí)測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(jī)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(dòng)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(dòng)，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(jī)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(jī)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(duì)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(jī)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。