夏热冬冷地区立体绿化与住宅能耗及适用性研究＊——以上海为例

纪琳 庄宇

同济大学建筑与城市规划学院

夏热冬冷气候区的住宅节能相关技术探索有限，不及严寒和寒冷地区。根据上海市绿色建筑标识项目统计，截至2016年9月底，在累计的292个绿色建筑项目中，有33%的项目为居住建筑，其面积占绿色建筑总面积的35%。因此，探寻夏热冬冷气候区绿色住宅节能方法的意义重大。节能建筑围护结构技术的应用是建设可持续建筑的关键，而立体绿化技术是提高建筑围护结构节能效率的措施之一。相关研究表明，使用立体绿化可以有效降低空调的冷热负荷，起到降温节能的作用，但同时会造成成本及维护费用增加、管理困难、环境卫生不达标等问题。正面影响和负面影响之间的矛盾，成为探索立体绿化在夏热冬冷气候区住宅建筑应用的重要内容。本文首先对立体绿化实践项目进行问卷调查，从使用问题和居民使用意愿方面，评估上海市立体绿化的使用特征；然后通过文献研究和实测调研，总结立体绿化设计过程中影响住宅能耗的因素，通过Ladybug Tools软件进行模拟能耗，探索立体绿化与住宅能耗之间的关联，从而提出节能设计建议并形成方便建筑师使用的设计指导图谱；最后将正面影响和负面影响进行综合分析，提出立体绿化在夏热冬冷气候区住宅中的综合评价建议。

1 住宅立体绿化的发展趋势及使用特征

1.1 发展趋势

夏热冬冷气候区夏季炎热，冬季潮湿寒冷，住宅建筑夏季空调制冷和冬季采暖总能耗较大，立体绿化作为提高建筑围护结构性能的节能措施之一，对住宅建筑的节能起到一定正面作用。实践方面，上海市绿化和市容管理局颁布了《上海立体绿化专项规划》，鼓励在建筑中实施多种形式的立体绿化，并由此出现了一批较为优秀的立体绿化实践项目（图1～4）。但立体绿化在国内的住宅项目中使用较少，与住宅设计的结合度不高，其研究多集中在暖通、景观领域，研究结果对建筑师来说复杂难懂，同时缺乏对使用问题以及使用者意愿的综合评价，对建筑实践的指导性较差。

1 上海立体绿化案例

2 上海立体绿化案例

3 上海立体绿化案例

4 上海立体绿化案例

1.2 使用问题

立体绿化在使用中存在设计不当、成本高、维护难和缺乏管理等较多问题，使其在住宅项目中的推广较为困难。植物选择不当、布局以及构造设计不合理还会造成气味难闻、影响开窗、构件脱落、影响空调器使用、滴灌系统废弃、墙体渗漏等较为严重的影响。同时，使用立体绿化成本维护费用较高，活墙式垂直绿化的成本为800～2 000元/m2，维护费用为20元/m2/年，较为精细的屋顶花园养护费用约为20元/m2/年。后期植物养护也较为困难，垂直绿化需入户进行植物修剪，更换屋顶绿化的大型乔木需用吊车进行移栽。此外，没有强制条例规定住宅建筑使用屋顶绿化和垂直绿化，是多数居住建筑不进行屋顶绿化和垂直绿化的另一个重要原因。由此可见，立体绿化在住宅项目中的推广仍面临较多困难。

1.3 居民使用意愿

居民的使用意愿是立体绿化在住宅建筑中能否被推广的重要因素之一。针对这一问题对上海地区居民进行问卷调研，结果表明居民对立体绿化的使用意愿一般，大约50%的居民愿意使用阳台绿化和屋顶绿化，但对垂直绿化的接受度较低，仅为44.4%。卫生（如蚊虫等）和技术问题（如渗水隐患等）是居民使用立体绿化时最担心的问题（图5，6）。经济方面，超过一半的居民愿意花费200～500元/年在立体绿化的维护和管理费用上，家庭年收入越高的居民对成本和维护费用的接受度越高。大多数居民也愿意和物业一起参与立体绿化的维护和管理（图7，8）。由此可见，根据居民的经济承受能力，选择合理的立体绿化类型，设计卫生安全的立体绿化构造，创造多样的立体绿化形式，可以帮助立体绿化在住宅项目中推广使用。

5 使用垂直绿化担心出现的问题

6 使用屋顶绿化担心出现的问题

7 居民希望的垂直绿化管理方式

8 居民希望的屋顶绿化管理方式

2 立体绿化设计影响住宅能耗的因素

2.1 分类及构造方式

“绿色屋顶是指以土壤（生长介质）和植被层为最外表面的屋顶。生长介质和屋顶结构之间的构造各不相同，但通常包括排水层、根屏障和防水膜”[1]。典型的屋顶绿化构造从上到下主要包括：植被层、种植基质层、过滤层、排水或蓄水层、耐根穿刺防水层（图12）。根据使用类型、构造要素和维护要求，屋顶绿化被分为拓展型屋顶绿化、半密集型屋顶绿化和密集型屋顶绿化，其维护难度和造价费用等详见表1。

9 直接立面绿化

10 间接立面绿化

11 植物活墙

12 典型屋顶绿化的构造层次

表1 屋顶绿化的分类

2.2 降温节能机制

绿色立面的降温节能机制较为简单，由于没有植物层，多依靠遮阳起主要的降温隔热作用。活墙垂直绿化的作用机制十分复杂。Yang He建立的活墙模型考虑了植物层、基质层、空气间层以及结构层的传热、传湿和辐射等物理现象（图13）[2]。屋顶绿化的降温节能机制主要分为植物层的蒸散作用、植物冠层的遮阳作用，以及基质层和植物层的保温隔热作用。绿色屋顶和普通屋顶热工性能的差别导致了两者能量传递的区别（图14）[3]。

13 活墙和普通墙体的热传递过程

14 有无绿化的屋顶能量交换示意图

2.3 节能相关要素

屋顶绿化和垂直绿化可以在建筑立面与绿色墙壁之间的空气间层形成微气候，从而起到降温节能的作用，通过调节环境空气温度和风速来减少建筑外围护结构的热通量。Katia Perini发现有20cm空气间层的垂直绿化墙体与没有空气间层的垂直绿化墙体相比，外表面最高温度降低了不到1℃[4]。Yang He发现在上海地区，活墙在不同朝向上使用时，其降温效果在夏天排序为：西向＞东向＞南向＞北向，而在冬季排序为北向＞东向＞西向＞南向[1]。M.Santamouris的研究表明，屋顶绿化对不同层数建筑的能耗降低值有所不同[5]。综上，对立体绿化节能效果影响较大的要素主要分为两个方面，即构造要素和布局要素。构造要素为垂直绿化的空气间层，布局要素为建筑的朝向、角度、高度等。

3 影响因素与住宅能耗之间的关联模拟

3.1 模拟软件与验证

3.1.1 模拟软件

使用基于Rhino 和Grasshopper 平台的Ladybug Tools能耗模拟插件，对和住宅立体绿化设计能耗相关的构造要素、布局要素进行模拟分析。Honeybee模块可以通过不同能耗模型的建模方法，对不同高度、不同朝向的墙体、屋顶进行对应的构造参数设置。模型边界条件的参数设置来源于《上海市居住建筑节能设计标准》，具体参数设置详见表2[6]。模拟完成后，读取制冷采暖能耗数据，分析指标为立体绿化的单位面积节能效率。

表2 能耗模拟边界条件设置

3.1.2 软件验证

将同济大学行政楼冬夏两季的实测数据与软件模拟数据进行对比，以验证软件的可靠性。结果发现，在夏季和冬季，模拟结果与实测结果的变化趋势相似（表3）。北侧和东侧冬夏两季数据拟合度均较高，西侧夏季模拟值高于实测值，冬季模拟值低于实测值。主要原因为模拟时将外墙垂直绿化简化为外遮阳模式进行处理，忽略了植物层传热对外墙热阻值的影响。但模拟的夏季降温作用较大，冬季保温作用较小，全年的总能耗相对保持不变。故可以验证由Ladybug Tools软件模拟出的数据具有一定的可靠性和准确性。

3.2 垂直绿化影响因素与能耗

3.2.1 模拟思路与参数设置

习近平总书记指出：“新一轮科技和产业革命正在创造历史性机遇。”抓住历史发展机遇期，共创网络学习未来，既是历史赋予“管院在线”的光荣任务，也是“管院在线”的神圣职责。今后，引领方向是关键。“管院在线”的使命，就是在不确定的时代，做确定的事情。

实验采用平面尺寸为14m×28m，层高3m，共8层的正南北向建筑单体作为理想模型进行实验。将活墙式垂直绿化简化为附加等效热阻。选用Yang He测得的上海地区冬夏两季植物活墙进行模拟，其额外等效热阻值为冬季9.16m2·K/W，夏季0.97m2·K/W[1]。首先模拟其在不同朝向上使用时的单位面积节能效率，再模拟节能效率与窗墙比、平面角度、高度的关系，最后对结果进行分析，得出活墙垂直绿化的指导设计图谱。将间接式立面绿化简化为遮阳进行研究，使用Grasshopper中的Honeybee Context电池设置模拟建筑模型的外遮阳（图15），植物层的参数设置见表4。构造要素方面，对间接式立面绿化距离墙体表面的距离，即空气间层厚度进行研究。选择特定构造的间接式立面绿化，对其在四个朝向上进行模拟，然后分别研究在不同朝向使用时，空气间层厚度与能耗的关系，最后选择特定间层厚度继续进行有关窗墙比、平面角度、高度与能耗的关联研究，工作路径和选用的垂直绿化构造见表5。

15 间接式立面绿化的电池组设计

表3 实测和软件模拟对比

表4 植物参数设置

表5 垂直绿化模拟构造选择及研究路径

3.2.2 设计指导图谱及建议

对模拟结果进行分析和可视化处理，得到指导建筑师的设计图谱（表6，7）。使用活墙垂直绿化，可降低住宅全年制冷和采暖总能耗的2.384%～3.108%，间接式立面绿化可降低0.141%～1.382%。朝向是影响节能效率最重要的因素，活墙式垂直绿化和间接式立面绿化在不同朝向上使用的节能效率排序为：东向＞西向＞北向＞南向。窗墙比、平面角度、高度和空气间层厚度对节能效率均有一定的影响，以上因素的影响大小排序为：窗墙比＞平面角度＞高度＞空气间层厚度。

综上可知，当东向窗墙比为0～0.1时，使用活墙式垂直绿化效果最好。南北向使用时，应考虑窗墙比增加对节能效率的影响。在不同朝向上使用活墙式垂直绿化，平面角度对其节能效率有较为显著的影响。东向使用时最优平面布局为正南北布局，西向使用时为南偏东15°，南向使用时为南偏西45°，北向使用时为南偏西45°。不论朝向如何都应尽量在一层使用活墙式垂直绿化。

对间接式垂直绿化来说，增加空气间层的厚度会降低其对全年总能耗的节能效率，但是该效率只在0.1%范围内，对节能效率的影响不大。在东向使用间接式立面绿化时最优平面布局为正南北布局，西向使用时为南偏西45°，南向使用时为南偏东45°，北向使用时为南偏东45°。在东、南和北向使用时，不建议在一层和顶层使用间接式立面绿化。其他情况下，不同楼层使用的差别不大。

3.3 屋顶绿化影响因素与住宅能耗

3.3.1 模拟思路与参数设置

对拓展型屋顶绿化、半密集型屋顶绿化和密集型屋顶绿化进行模拟研究，计算不同类型屋顶绿化的节能效率，从而探索高度与节能效率的关联。本实验采用的建筑理想模型与垂直绿化相同。表8为不同的附加层屋顶绿化参数。

3.3.2 设计指导图谱及建议

模拟结果表明，使用屋顶绿化可以有效降低全年制冷采暖总能耗，其中冬季采暖能耗的降低效果更明显。不同类型屋顶绿化的节能效率在8层理想建筑模型中的排序为密集型（7.497%）＞半密集型（4.464%）＞拓展型（2.676%）。随着层数的增加，不论类型如何，其节能效率呈现下降的趋势，当楼层从4层增加到16层时，其降温节能效率下降较为显著；当楼层高于16层时，其节能效率下降逐步减弱，趋于平缓。不同类型屋顶绿化的节能效率趋向值为：拓展型2.3%，半密集型3.8%，密集型6.8%。因此，建议在4～16层的住宅建筑中优先使用屋顶绿化。对模拟结果进行分析和可视化处理可以得到指导建筑师的设计图谱（表9）。

表6 活墙式垂直绿化设计指导图谱

表7 间接式立面绿化设计指导图谱

表8 不同附加层屋顶绿化的参数设置

表9 屋顶绿化设计指导图谱

4 综合评价建议

对居民意愿、经济成本、节能效果以及使用问题进行综合评价（图16），建议在夏热冬冷住宅建筑中优先推广使用半密集型和密集型屋顶绿化，使用时需注意屋顶的防水设计，避免渗漏隐患。考虑居民共同参与建设维护屋顶花园的意愿，可以增加屋顶绿化的形式、完善管理制度、维护管理机制和政策奖励，使屋顶绿化在实际使用中能有效发挥其节能作用。垂直绿化方面，其节能效率不如屋顶绿化，居民的使用意愿不强烈，需考虑的问题较多，且缺少优秀的设计实践和良好的技术支撑。如何更好地解决垂直绿化在住宅建筑中的使用问题，提出完善且具有法律效力的导则或条例，是现阶段垂直绿化在住宅建筑中推广的关键因素。

16 立体绿化综合评价

5 结语

本文通过实地问卷调研及数值模拟，理清了夏热冬冷气候区垂直绿化和屋顶绿化在住宅建筑绿色性能中的贡献值，形成了指导建筑师的设计图谱，并较为客观地分析了立体绿化在住宅中的适用性，多角度地评估了立体绿化对绿色住宅建筑的作用和弊端，为立体绿化的建筑实践提供了参考依据。

立体绿化的能耗模拟是一项复杂的工程，其节能机制的研究目前还不成熟，等效热阻值和等效遮阳不能代表全部的节能效果，建议在Ladybug Tools软件中开发立体绿化能耗模拟电池，以方便建筑师在设计阶段准确地进行立体绿化设计的方案模拟和调整。同时，立体绿化在住宅中的使用和推广需要相关利益者的共同努力，节能和经济成本仅为评价立体绿化的一部分，其在生态效益方面的作用同样不可忽视，建议对此进行进一步分析，以完善立体绿化效果评估。最后，立体绿化在住宅中的节能作用主要取决于植物的合理选择和布置，建议在立体绿化的研究中，进行多学科的交叉研究，以实现立体绿化在住宅实践中的推广和合理使用。

图表来源

图1～4，图9～11 由作者拍摄；图12 来自文献[9]，图13 来自文献[2]，图14 来自文献[3]，表1 来自文献[8]，表4 来自文献[10]；其余图表由作者绘制。