模块式生态墙对建筑外墙光热环境的影响*

常娜 李登武

(1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100；2.华南师范大学 美术学院，广东 广州 510600)

模块式生态墙对建筑外墙光热环境的影响*

常娜1,2李登武1†

(1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100；2.华南师范大学 美术学院，广东 广州 510600)

为了研究模块式生态墙对建筑外墙光热环境的影响，以广州某已建成广场建筑为对象，对其模块式生态墙和裸墙的外墙温、湿度及光照强度进行了定量化对比研究.结果表明：模块式生态墙和裸墙相比，增湿降温效果明显，光照强度较低；相比于传统裸墙，模块式生态墙的外墙温度最多可降温5.1 ℃，可显著降低建筑能耗；模块式生态墙的相对湿度相比于传统裸墙，最高可增加23%；相比于传统裸墙，模块式生态墙的光照强度最多能降低99.4%，遮阳效果显著.模块式生态墙是一种有效的、主动的隔热节能方式，具有较高的节能综合效益.

生态墙；建筑外墙；温度；湿度；光照强度

为了改善城市热岛效应，缓解能耗问题，可持续生态建筑研究与发展是当今世界共同关注的课题.建筑根植于自然环境中，温度、湿度和日照引起建筑空间温度变化.建筑外墙作为室内外环境的交互媒介，直接影响建筑能耗水平.由于建筑外饰面材大多为质地较硬的石料、混凝土、砖、瓦等蓄热量较大的材料，这些材料具有较强的热辐射性能，在夏季会将部分热量辐射到周围环境中，从而增加了周围环境的温度.而在冬季，又会将室内的部分热量散失掉.传统的保温隔热技术只考虑增强建筑外围护结构的隔热能力，以提高建筑外围护结构的外表面温度作为代价，而忽略了环境的散热状况.太阳辐射热仅仅是被阻挡在建筑外表面或转移到外环境中去，从而导致了室外环境温度升高，强化了城市热岛效应，造成城市气候和空气污染物的扩散和迁移等环境品质的恶性循环[1].生态墙对改善城市生态环境具有重要作用.通过生态绿化隔热技术，与外界形成一个过渡空间，从根本上改善室内外热环境，调节及减少建筑空调负荷，将建筑节能和生态绿化结合合在一起，形成遮阳、隔热的“生态绿墙”[2].“模块式生态墙”是指在工程建设领域，利用模块栽植对建筑表面实施的绿色生态技术，具有美化建筑外表面、节能降耗和改善微环境等功能[3].模块式生态墙是一种标准化的模式，它一般主要由单元模块、灌溉系统和结构系统3部分组成.模块式生态墙安装简便、易装易拆，是科学、技术与生态的综合体现，它的推广使用具有非常重要的价值和意义.

目前关于生态墙的施工技术[4-6]、植物应用[7-9]以及能耗分析[10-14]等已有一些研究，但关于模块式生态墙对建筑外墙温湿度及光照强度的定量影响的研究较少.为了进一步研究模块式生态墙降温节能等生态效益，有必要对模块式生态墙在建筑外墙的降温增湿、降低光照等方面的作用进行研究.文中选取广州地区某大型广场的模块式生态墙为研究对象，对模块式生态墙和建筑裸墙的温度、相对湿度及光照强度进行对比研究，进而得出模块式生态墙对建筑外墙温湿度、光照强度的定量影响.

1 研究对象的环境概况及结构

1.1 研究对象的环境概况

研究对象位于广州市天河区天环广场.天环广场总建筑面积11万m2，包括地上两层、地下三层，地上建筑面积约2万m2，地下建筑面积约9万m2.广场建筑外墙通过多层的模块生态墙营造“城市公园”的绿色概念，生态墙呈多种形态遍布在建筑的外立面、平台和屋顶花园.

研究对象地处东经113°19′，北纬23°8′.属于亚热带气候条件，全年平均气温达28.7 ℃，全年降雨量1 800 mm，年降水日数在150 d左右.夏季东南风为盛行风，年日照时数1 820～1 960 h，气温高、雨量充沛、光照足.因此，选择该地区最有代表性的夏季作为观测期.

1.2 研究地构建现状

模块式生态墙构造和各构件的重量如图1、2和表1所示，裸墙采用外挂(干挂式)20 mm厚花岗石外饰面的形式.

模块式生态墙整体荷载较低，相比花岗石外墙具有安全、防晒、保水透气、可天然降解的特性.模块式生态墙单元重量比外挂石材重量更轻，支撑体系更为便捷，无需搭设辅助设施.将拼装好的模块整合在2 mm橡胶背板上，通过六角螺栓将其固定在1.2 mm钢板上，钢板由方钢支撑体系支撑，搭建完成的模块内放入培植成型的植被.对生长良好的带有根系介质一体化的植被进行实际测量，结合构件的总重量，可以得到模块式生态墙的总竖向荷载约为46.61 kg/m2.每个种植模块为150 mm×120 mm×150 mm，间距为90 mm.种植模块下方留有直径2 cm的滴水管，连通整个生态墙中的种植模块，供水均匀平衡，起到排水和透气的作用.最低端设置水槽，固定在地面上，水槽按照1 mm钢板计算每平方米约4.32 kg/m2.其幕墙采用50 mm×50 mm×4 mm的钢龙骨作为主支撑结构形式，以满足自身荷载及绿化模块荷载的要求.

图1 天环广场生态墙立面结构图(单位：mm)Fig.1 Elevation structure of ecological wall of the Parc Central(Unit:mm)

图2 天环广场生态墙剖立面结构图(单位：mm)Fig.2 Sectional elevation structure of ecological wall of the Parc Central(Unit:mm)

表1 生态墙结构构件重量Table 1 Weight of ecological wall’s structural component

该模块种植的植被有：鸭脚木(Scheffleraoctophylla(Lour.)Harms)、孔雀木(Dizygothecaelegantissima)、肾厥(TuberSwordFern)、细叶变叶木(Codiaeumvariegatum(L.)A.Juss.)、花叶鸭脚木(Scheffleraodoratacv．variegata).

2 实验

2．1 研究对象设置

选择的研究对象位于天环广场东侧西北向无窗建筑外墙，该面墙体为所处环境条件相似、内部构成相同的模块式生态墙与建筑裸墙相结合的建筑表皮；选取面积为30～40 m2的相邻的生态墙和裸墙各一部分进行实地研究.

2.2 研究内容与方法

在具体的实验中，考虑到数据的代表性和连续性，采用3点观测法进行观测，即在生态墙壁和裸墙壁的中心线上选取测定点，间隔0.5 m设定另外2个观测点，共3个观测点，具体位置及各测定点的布置如图3所示.

图3 生态墙与裸墙观测点分布图(单位:mm)Fig.3 Observation point distribution of ecological wall and bare wall(Unit:mm)

以距离地面0.5 m为第一测定点，然后沿着该点的高度最高均为距离地面1.5 m处，这个高度是标准气象百叶箱测温湿的高度，可以很好地代表人类活动范围的微气候状况.

测定时间选在对市民工作与生活影响较大的白天进行.于2016年的6月，在晴好无风的气候条件下连续测量3 d，测量时段为每天的8：00～18：00，每2 h分别对生态墙、裸墙各观测点的空气温度、相对湿度和光照强度进行同步测定(每个测量时间点平行测量3次)，取每个测量点在3 d中测得的9个数据的平均值作为该测量点的观测值.

2.3 测试数据的采集

采用东莞万创电子仪器生产的AS847一体式温湿度计采集建筑外墙温度和相对湿度.技术参数为：温度测量范围，-10～50 ℃；K-TYPE，-20～1 000 ℃；湿度测量范围，10%～95%.

光照强度采用台湾泰仕TES-1339照度计测得.技术参数为0.01 lux分辨率/999,9 位数读值.

3 结果与分析

3.1 模块式生态墙与裸墙对建筑外墙温度的影响

由图4可以看出，生态墙与建筑裸墙的总体温度变化趋势基本一致，生态墙较之裸墙表面温差变化平缓.最高温度均出现在14：00～16：00之间，裸墙最高温出现在14：00，生态墙最高温出现在16：00.这是因为研究对象为西向墙，在这个时间段受到太阳辐射最大.综合来看，生态墙在白天平均温度低，起到较好的建筑节能效果[15]，具有降温和改善微环境的生态效益，减小了西晒对建筑墙体的影响.

图4 生态墙与裸墙观测温度变化Fig.4 Observation temperature changes of ecological wall and bare wall

如表3所示，在距离地面不同高度处，裸墙的最高温度及最低温度均比模块式生态墙高.距离地面0.5 m的裸墙最高温度为37.1 ℃，最低温度为30 ℃，与同一高度0.5 m的生态墙的最高温度、最低温度相差5.1、2.9 ℃，降温幅度为14%、9%.3个不同高度的裸墙和生态墙观测温度对比说明，生态墙的最高温度和最低温度均比裸墙低.在空调能耗大的夏季，模块式生态墙在温度调节显然是优于传统裸墙的.

出现上述情况的主要原因是生态墙不仅有着较好的遮阳效果，而且将太阳的辐射热大部分吸收掉用于自身的蒸腾散热，使墙壁成为一个“冷源”，从而降低了墙面的温度.生态墙内的植物通过光合作用、蒸腾作用，使其加速生理代谢，消耗更多能量与水分，令周围环境温度下降；土壤水分的蒸发与植物叶片水分的散失是产生降温的主要原因[16]，气温越高时降温效果越明显.根据有关研究测试，其他朝向的生态墙在正午前后降温增湿极其显著[17].可见模块式生态墙不管在哪个方位，均对建筑室外附近空气有明显的降温效果，且对建筑外墙的表面降温效果也同样显著.说明在气温最高的时段，生态墙的降温效果尤为明显.

表3 生态墙与裸墙的最高、最低温度对比Table 3 Comparison of the highest and lowest temperature between the ecological wall and the bare wall

1)以距离1.5 m处裸墙温度为基准计.

3.2 模块式生态墙与裸墙对建筑外墙相对湿度的影响

模块式生态墙与裸墙在不同高度处各时间段的相对湿度变化趋势如图5所示.各测点的相对湿度总体上与空气温度日变化相反，温度越高，相对湿度越低.在环境温度最高的14：00～16：00时，生态墙与裸墙的相对湿度均为较低值.综合来看，生态墙的相对湿度比裸墙略高，说明生态墙有明显的增湿作用.原因在于生态墙形成了一个类似隔离层的界面，与空气交换和对流运动慢，受环境大气的湿度影响较小，能够阻止水汽与外界的快速扩散.而裸墙较为开敞，没有形成围合遮挡，空气与外界交换频繁，水汽蒸发及消耗较快，空气湿度相对较低.

图5 生态墙与裸墙观测相对湿度变化Fig.5 Observation relative humidity changes of ecological wall and bare wall

由表4可见，不同高度处生态墙相对湿度均高于建筑裸墙.距离地面1.5 m的裸墙最高相对湿度为57%，最低相对湿度为46%，与同一高度生态墙的最高和最低相对湿度相对值比低11%、7.7%，生态墙的增湿幅度为19%；距离地面1 m的生态墙其增湿幅度为23%；距离0.5 m的生态墙增湿幅度为21%.从模块式生态墙的相对值可看出，增湿幅度排序为：距离地面0.5 m的生态墙>距离地面1 m的生态墙>距离地面1.5 m生态墙，说明生态墙所构成的环境具有增湿效应.尽管生态墙在改善空气湿度方面具有空间差异性，尤其是在局部小范围表现明显，在城市区域上影响微弱，但这对人们的户外活动是十分有益的，特别是在夏季，生态墙能降低气温，缓解热量的影响，减少外来能量输入，在降温增湿方面发挥着重要作用，在增加植物绿量的同时可以间接减少外来能量输入，从另一个途径来缓解城市的热岛效应[18].

表4 生态墙与裸墙的最高、最低相对湿度对比Table 4 Comparison of the highest and lowest relative humidity between the ecological wall and the bare wal

1)以距离1.5 m处裸墙湿度为基准计.

3.3 模块式生态墙与裸墙对建筑外墙光照环境的影响

由图6可见，光照较弱是在早上的8：00时，随着温度的上升，光照强度差值逐渐增大，下午14：00时光照强度达到峰值，随后开始下降，到18：00时达到较低值.通过对生态墙与裸墙在不同时间段的多重比较分析可知，随着日温度的升高，两者之间的光照强度差异愈加明显.尤其是12：00～16：00,光照强度差异最突出.裸墙几乎没有遮光效应，而一定面积的生态墙能有效吸收和阻挡光照，调节大气湿度，使周围气温降低.对太阳辐照度的遮挡作用改变了墙外表面的温度，间接减少了外来能量的输入，对缓解城市的热岛效应具有实际意义.建筑室外光环境具有复杂多变性，光照受太阳入射角、天气状况、建筑高度和材料等多种因素的影响.

图6 生态墙与裸墙观测光照强度变化Fig.6 Observation illuminance changes of ecological wall and bare wall

生态墙与裸墙的最高光照强度和最低光照强度如表5所示，模块式生态墙在各高度的光照强度明显低于裸墙.距离地面1.5,1.0,0.5 m的生态墙最高光照强度的观测值为382、347、328，相比裸墙光照强度的遮光幅度分别达到99.4%、92.5%、93.5%.各测点的生态墙最低光照值与裸墙最低光照值相比，遮光效果都很明显，说明一定植被厚度的生态墙对于遮光度具有显著影响，且与太阳辐射呈负相关.这是由于生态墙植物群落冠层对光照的反射和吸收造成的.绿色植物能够吸收、反射并遮挡光照，借助自身的光合作用将太阳能转化为化学能，使到达墙面的光照显著减少.由于生态墙上的模块排列比较密集，植物生长厚度较宽，覆盖效果良好，太阳光被模块墙上的植物反射，透过叶片反射到墙体的太阳光仅占很少一部分.通过生态墙的界面遮挡太阳辐射和吸收热量，生态墙在夏季可以降低室内温度3～5 ℃，起到室内自然降温的功效[16]，并且能有效阻挡光照强度来减轻建筑物的老化，延长外墙的平均使用寿命.文中结合降温、增湿影响研究生态墙光照强度效应，综合分析模块式生态墙光热环境特点，发现生态墙对降低建筑外墙环境温度具有积极作用.另外，光照强度对植物的生长发育影响很大，直接影响植物光合作用的强弱.

表5 生态墙与裸墙的最高、最低光照强度对比Table 5 Comparison of the highest and lowest Illuminance between the ecological wall and the bare wall

1)以距离1.5 m处裸墙光照度为基准计.

4 结语

文中通过对模块式生态墙与建筑裸墙的温湿度及光照强度进行定量对比发现：生态墙的温度峰值明显低于裸墙.1.5、1.0、0.5 m处模块式生态墙比裸墙最高能降温4.5、4.8、5.1 ℃.模块式生态墙随着空气温度的上升有显著降温效果；生态墙能够维持墙壁温度的稳定性，早晚温差变化幅度小.1.5、1.0、0.5 m处早晚间生态墙的温差为4.2、3.1、4.9 ℃，裸墙为6.8、6.1、7.1 ℃；1.5、1.0、0.5 m处模块式生态墙相比裸墙的增湿幅度为19%、23%、21%.相比裸墙，模块式生态墙的光照强度最多能降低99.4%.

运用以上的方法对模块式生态墙外壁表面温度、相对湿度以及光照强度的气候要素进行对比分析，可以定量把握其对于室外热环境的影响.裸墙会导致建筑物的室内温度上升，这就需要降温系统降温，从而消耗更多的能源.模块式生态墙通过增湿降温、阻挡光照强度来降低室内温度，可减少建筑能耗.研究发现，生态外墙可增大西向外围护结构的热惰性，对室内空气温度有削峰填谷作用，避免室内空气温度大幅变化，对夏季室内热环境改善效果良好，达到建筑节能目的[15].据统计，完成了的立体绿化建筑外墙在夏季室内温度每降低1 ℃，空调能耗可降低5%～10%左右[19].本研究也证明了模块式生态墙具有改善微气候的显著功能，对于改善城市生态环境也有实际意义，是缓解热岛效应的有效手段.

广州地区雨热同季，降水丰富、日照时间长、冬短夏长的气候特征为其发展模块式生态墙技术奠定了良好的基础条件.通过合理地设置模块式生态墙，可增湿降温，遮挡太阳辐射，对于恢复城市地区建筑环境的完整与可持续发展具有积极意义.对于模块式生态墙的节能降耗的定量研究以及模块式生态墙对建筑室内热环境的影响，将在后续工作中进一步深入地分析.

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Supported by the National Science and Technology Support Project(2015BAD07B06)

EffectsofModularEcologicalWallonExteriorLight-ThermalEnvironmentofaBuilding

CHANGNa1,2LIDeng-wu1

(1.College of Forestry,Northwest A&F University,Yangling 712100,Shaanxi,China;2.School of Fine Arts,South China Normal University,Guangzhou 510600,Guangdong,China)

By taking a built square in Guangdong as the objective,the temperature,humidity and illuminance of the exterior of the modular ecological wall are quantitatively compared with those based on the bare wall,so as to reveal the effects of the modular ecological wall on the exterior light-thermal environment of the building.The results show that (1) as compared with the bare wall,the modular ecological wall can significantly increase the humidity and decrease the temperature,and it causes a lower illuminance;(2) in comparison with the bare wall,the modular ecological wall reduces the exterior temperature by up to 5.1 ℃ in a day,and it can significantly reduce the energy consumption of the building;(3) the relative humidity of the exterior of the modular ecological wall is at most 23% higher than that based on the bare wall;and (4) the modular ecological wall has a better shading effect than the bare wall;specifically,the former can reduce the illuminance by 99.4% at most.Therefore,the modular ecological wall is an effective,active way of thermal insulation and energy saving,which can produce good comprehensive benefits in energy saving.

ecological wall;exterior of building;temperature;humidity;illuminance

2016-10-09

国家科技支撑计划项目(2015BAD07B06)

常娜(1976-)，女，博士生，副教授，主要从事生态建筑节能研究.E-mail:309784066@qq.com

†通信作者:李登武(1968-)，男，博士，教授，主要从事生态建筑研究.E-mail:Dengwu-Li:ldw@nwsuaf.edu.cn

1000-565X(2017)08-0146-07

TU 113

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.08.021