南京市夏季垂直绿化对人体舒适度的影响探究

陈 宇

宋双双

侯雅楠

随着中国经济的快速发展和城镇化进程的加快，高人口密度、高开发强度的城市聚集效应愈发明显，给城市的生态和社会环境带来了巨大压力。资源枯竭、气候变暖、热岛效应等生态问题日益突出，直接影响人们的生理感受。城市建设与人口、用地间的矛盾威胁着人们的生存空间，从而影响了城市环境中的人体舒适度[1-2]。垂直绿化作为建筑物或构筑物竖向空间的绿化手段，充分利用三维技术，多层次、多维度发展绿化形式，在增加城市绿化面积、缓解城市土地资源短缺、改善空气质量等方面具有极大优势[3]。特别是近年来，城市建设不断强调绿色生产和环境保护，统筹发挥生态、社会和经济等多方面效益，使垂直绿化在城市发展进程中的地位不断提高，越来越多有关垂直绿化的应用和实践在城市中涌现。深入推进垂直绿化建设，将有利于实现城市生态自然和可持续发展的目标，也将为人们提供更为舒适的人居环境。

目前国内外学者对垂直绿化的研究已不局限于植物的选择和配置，而是更多从使用者的角度进行探索。研究发现，垂直绿化能显著降温增湿[4]、减弱风速[5]，对人体舒适度有积极影响。近年来，对南京市垂直绿化的研究主要集中在对南京市垂直绿化的植物选择、新型绿化形式的探索和生态效益的评价等方面，而从垂直绿化对人体舒适度影响的角度进行的探讨尚缺乏。本文从垂直绿化形式、绿化方位等方面探讨垂直绿化对人体舒适度的影响，以期为城市垂直绿化设计和创造舒适的人居环境提供科学依据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

研究样地位于江苏省南京市，地处长江三角洲地区，全市下辖11个区，总面积6 597km2，坐标为北纬3 1°5 4′～3 2°1 6′，东经118°32′～119°24′，属亚热带季风气候，雨量充沛，四季分明，年平均降水量1 200mm，年平均气温15.4℃。冬季以东北风为主，夏季以东南风为主，植被类型具有亚热带常绿阔叶林向暖温带落叶阔叶林过渡的特征[6]。

1.2 样地选择

以南京万荣立体绿化研发中心办公楼为研究对象，其位于南京市察哈尔路华严岗，研发中心办公楼和职工宿舍等建筑物都被垂直绿化覆盖，绿化面积共计1 000m2，采用了网架牵引式、模块式、种植槽式和种植毯式等多种垂直绿化形式。种植有花叶络石(Trachelospermum jasminoides‘Flame’)、细叶萼距花(Cuphea hyssopifolia)、大吴风草(Farfugium japonicum)、沿阶草(Ophiopogon bodinieri)、红花酢浆草(Oxalis corymbosa)、金钱蒲(Acorus gramineusvar.pusillus)、金丝苔草(Carex oshimensis‘Evergold’)、常春藤(Hedera nepalensisvar.sinensis)和鹅掌柴(Schefflera heptaphylla)等室内外垂直绿化植物21种[7]。由于样地中绿化形式主要以网架牵引式和模块式为主，种植槽式、种植毯式多分布于室内且面积较小，因此选择网架式和模块式作为研究对象。

1.3 研究方法

为测试不同朝向方位和不同类型垂直绿化对人体舒适度的影响，将立体绿化测试样点布置于5个建筑立面上，如图1所示，样点①②分别为小木屋的东北立面和西北立面，样点③④分别为办公楼的东南立面和西南立面，样点⑤为对照无绿化立面。小木屋采用模块式垂直绿化形式，办公楼则采用网架式垂直绿化形式。在调研中，共分3组进行测试[8]。

测试一：将样点③与⑤的气候环境数据进行对比分析，验证有无垂直绿化的条件下，室内外的温湿度变化。测试内容包括外墙表面温湿度和室内温湿度。样点③为垂直绿化墙体，样点⑤为无绿化对照墙体，测试墙面均朝向东南，避免了不同方位的影响。

测试二：通过对样点①和④的测试分析，探讨模块式垂直绿化与网架式垂直绿化的生态效益差异。测量木屋样点①(模块式垂直绿化形式)和办公楼样点④(网架式垂直绿化形式)的墙体外表面及内表面温湿度，以及室内和室外空气温湿度。

测试三：测试样点②的外墙平均温湿度和室内温湿度，并结合样点①③④的数据，分析不同方位和朝向影响下垂直绿化的小气候差异及人体舒适度。

图1 南京万荣垂直绿化墙体测试样点布置示意

1.4 数据处理

1.4.1 温度、湿度

选择夏季南京地区晴朗无风(风速＜2m/s)天气，于2016年8—9月共测量5d，并选取其中天气状况最优的3d作为基础数据进行分析。采用空气温湿度测量仪(型号Testo610)，每日9：00—18：00间隔1h手动记录距离地面1.5m处墙体外表面、内表面，以及室内和室外空气的温湿度等数据[9]。

运用Excel进行统计，并采用SPSS2.0统计软件对温湿度进行方差分析和配对样本T检验，一般认为，相关系数R＞0表示2个变量间呈正相关，R＜0为负相关。|R|≥0.8时，可认为高度相关；0.5＜|R|＜0.8时，变量间中度相关；|R|≤0.5时，低相关或不相关，需要重新配对检验。其中当P＜0.05时，表明样本间具有显著性差别[10]。

1.4.2 热舒适度指标

PMV-PPD指标是目前运用最为广泛的评价热舒适的指标。PMV指标为预计处于热环境中的群体对于热感觉投票的平均值，可用于评价和判断某一环境状态能否满足人体热舒适性要求；PPD指数可对于不满意的人数给出定量预计值，即预测不满意率，可用百分比表示。PMV指标与ASHRAE热感觉7级指标相对应，PMV指标从冷到热取值为-3～3[11]，其计算公式为：

式中，PMV为预计平均热感觉指数；M为人体代谢率，W/m2；W为外部做功消耗的热量(对大多数活动可忽略不计)，W/m2；Icl为服装热阻，m2·K/W；fcl为着装时人的体表面积与裸露时人的体表面积之比；ta为空气温度，℃；

为平均辐射温度，℃；pa为水蒸气分压，Pa；为对流换热系数，W/(m2·℃)；tcl为服装表面温度，℃。其中，hc和tcl可由公式替代得出，因此PMV可通过计算代谢率、服装热阻、空气温度、平均辐射温度、风速和水蒸气分压等参数得出。

如图2所示，PMV与PPD的关系可用公式表示：

PMV指标从冷到热的取值为-3～3，当湿热环境达到舒适状况，即PMV=0时，此时PPD=5%并未达到0，这是由于虽然湿热环境达到舒适状况，但人们的舒适度受到生理、心理等多种因素的影响，仍有5%的人会感到不满意[13]。通过对不同环境下PMV-PPD的数据对比，得出垂直绿化对人体舒适度的影响。

使用PMV-PPD指标计算公式，结合Matlab R2016程序软件和PMV计算匹配模板进行指标运算，主要参数包括服装热阻、代谢率、人体外部做功消耗的热量、环境温度、平均辐射温度、风速和相对湿度7个指标[14]。其中，由于测试样点为夏季8月南京地区的垂直绿化建筑室内，且建筑内办公和学习的人群长时间采取坐姿，因此可假设：夏季建筑室内人员的着装为短袖衬衫、裙子和便鞋、长袜等，此时服装热阻为0.55clo；室内人群主要活动的代谢率为69.78W/m2，即1.2met；人体外部做功消耗的热量对大多数活动可忽略不计，W=0；由于室内受到较少的太阳辐射，因此将室内平均辐射温度近似于环境温度[15]，具体参数设置如表1所示。

2 结果与分析

2.1 有无垂直绿化环境的对比分析

测试一主要研究垂直绿化和无绿化裸露环境下的影响差异，测得温湿度对比结果如图3、4所示。结果显示，绿化墙体样点③外墙面平均温度34.08℃，而对照墙体样点⑤外墙面平均温度则高达37.8℃，实施墙体绿化可使室外墙体降温3.72℃，降温效应明显(P=0.000)；样点③室内平均温度28.62℃，对照墙体样点⑤室内平均温度36.07℃，温差达7.45℃。由表2可以看出，绿化墙体室内外温差较大，可达5.46℃，无绿化对照墙体室内外温差较小，且室内外温度都偏高，高温造成了人体舒适度的差异，同时也影响人们的工作和生活。

图2 PMV与PPD的函数关系[12]

表1 人体舒适度个人参数设置

通过测试发现，样点③外墙平均湿度为51.09%，对照墙体样点⑤外墙平均湿度为47.43%，外墙湿度差异较显著(P=0.000)，湿度平均差值为3.66%。在分析样点③和⑤的室内湿度数据发现，二者相关性较低，差异不明显(R=0.589，P=0.064)，故不再对室内湿度作进一步分析。绿化墙体室内平均湿度为50.54%，室内外湿度无明显差异，无绿化对照墙体室内平均湿度49.09%，比外墙湿度高1.66%，主要由于无绿化的外墙面接收了较多太阳辐射而温度升高，加快了水分蒸发，导致相对湿度水平较低。

2.2 不同绿化形式的对比分析

测试二主要探讨模块式垂直绿化和网架式垂直绿化的生态效应差异，由图5和表2可知，网架式垂直绿化样点④外墙平均温度34.65℃，其温度明显高于模块式垂直绿化样点①，温度差值4.07℃，差异显著(P=0.000)。2种不同绿化形式的室内温度也有所差异，样点①室内温度28.62℃，样点④室内温度30.47℃，差异较小；而样点①室外温度较室内温度高1.96℃，样点④室外温度较室内温度高4.18℃。网架式垂直绿化室外温度较高、室内外温差较大，模块式垂直绿化外墙温度较低、室内外温差较小，二者都可为人们在炎热夏季的工作与生活提供相对舒适的环境，但相比之下模块式垂直绿化效果更佳。

图3 样点③与⑤温度对比分析

图4 样点③与⑤湿度对比分析

结合图6和表3发现，样点①外墙平均湿度56.14%，样点④外墙平均湿度50.14%，样点④空气湿度明显低于样点①(P=0.000)，二者湿度差值达6%；室内湿度方面，样点①室内湿度54.14%，与外墙湿度相差2%，而样点④室内湿度50.54%，高于室外湿度0.4%，这主要由于网架式垂直绿化与墙体形成通风道间层[16]，风速加快水分蒸发，降低空气湿度，而模块式垂直绿化则以其较为密集的植物覆盖和栽培基质增加了室内外空气湿度。

图5 样点①与④温度对比分析

图6 样点①与④湿度对比分析

图7 不同方位垂直绿化温度对比分析

图8 不同方位垂直绿化湿度对比分析

2.3 不同绿化方位的对比分析

测试三主要研究建筑不同方位绿化墙体的生态效应差异，其中以2个不同方位的木屋样点和2个不同方位的办公楼样点进行对比分析，可以得到温湿度相关数据(表4)。样点①为木屋东北立面，其外墙平均温度30.58℃，与木屋西北立面的样点②无明显差异(P=0.952)；样点③为办公楼东南立面，外墙平均温度34.08℃，比办公楼西南立面样点④温度低0.57℃。木屋与办公楼样点平均温度差值达4.09℃，这主要受到建筑物材质和垂直绿化形式的影响，木屋本身隔热性能优异，且由上文可知其表面主要采取的模块式垂直绿化形式效果更佳，因此使得二者在整体水平上有所差异。由图7可知，木屋样点①和②与木屋室内温度差异较小，室外温度整体高于室内温度；而办公楼样点③和④的温度整体偏高，最高温出现在14：00，达到39℃，室内外温差大。由4处测试样点温度对比分析可知，木屋东北面墙体温度略高于西北面，办公楼东南面温度高于西南面，办公楼南向墙体温度整体较高。

表2 温度样本检验分析

表3 湿度样本检验分析

样点①外墙平均湿度56.14%，样点②外墙平均湿度57.97%，二者湿度差值为1.83%，差异较为明显(P=0.003)，样点③外墙平均湿度51.09%，样点④外墙平均湿度50.14%，办公楼的不同绿化方位湿度无明显差异(P=0.980)。办公楼的测试样点③和④整体湿度低于木屋测试样点，差值高达7.83%。由图8可知，木屋的室外测点平均湿度与室内平均湿度差值较小，而办公楼室外测点与室内的湿度也无较大差异，其湿度均较低。

图9 万荣立体绿化研发中心室内PMV-PPD分析

2.4 人体舒适度对比分析

以万荣立体绿化研发中心实施垂直绿化的办公楼、木屋和对照无绿化办公楼3处室内温湿度为基础数据，结合人体舒适度PMVPPD指标分析得到表5和图9，可以看出，一天中PMV随时间变化呈现一定规律，9：00和18：00人体舒适度几乎没有差异，PMV值均较低，14：00温度达到最高，人体舒适度相应最差。结合人体舒适度PMV-PPD分析可得，实施垂直绿化的办公楼和木屋PMV＜2，对照无绿化办公楼室内PMV较高，PMV＞2，最高可达4.67。实施垂直绿化的办公楼和木屋的PPD相对较低，远高于人体舒适状态的PPD≤27%。无绿化对照的室内环境状况较差，PPD接近100%，即未实施垂直绿化的建筑内人体舒适度较不理想。

3 结论与讨论

本文以南京万荣立体绿化研发中心办公建筑为样点，对3处建筑外墙面垂直绿化和室内舒适状况进行测试和对比分析，从多个方面探讨垂直绿化对人体舒适度的影响，通过分析得到以下结论。

实施墙体绿化使室外墙体降温3.72℃，室内温度降低7.45℃，降温效应明显。绿化墙体室内外温差较大，可达5.46℃，无绿化对照墙体内外温差较小，且室内外温度都偏高。实施墙体绿化可使室外墙体平均湿度增加3.66%，室内湿度差异不明显。绿化墙体室内外湿度无明显差异，无绿化对照墙体室内平均湿度比外墙高。

不同垂直绿化形式的生态效益有所不同，网架式垂直绿化外墙平均温度34.65℃，比模块式垂直绿化高4.07℃。二者室内温度差异较小，其中网架式垂直绿化室内外温差较大，模块式垂直绿化室内外温差较小。模块式垂直绿化外墙平均湿度比网架式垂直绿化外墙高6%。而在室内湿度方面，模块式垂直绿化室内外湿度差异比网架式垂直绿化更加明显。模块式绿化以其较为密集的植物覆盖和栽培基质，极大增加了室内外空气湿度，在减小室内外温差、增加湿度、提升人体舒适度方面有着一定优势。

通过对木屋和混凝土办公楼的对比测试可知，办公楼的温度高于木屋4.09℃，木屋东北面墙体温度略高于西北面，办公楼东南面温度高于西南面，办公楼南向墙体温度整体较高。结合南京地区夏季南向多太阳辐射，垂直绿化墙体应考虑布设于建筑南立面，从而为建筑墙体减少太阳辐射[17]，使降温效应明显。

表4 温湿度样本检验分析

表5 万荣立体绿化研发中心环境状况

经过计算可得，各环境样点在一天中的PMV值随时间变化先升高后下降且在14：00达到峰值，18：00恢复到与9：00相似水平。其中对照无绿化室内PMV＞2，办公楼和木屋室内PMV＜2，且木屋的PMV值最低。无绿化对照的室内环境状况较差，PPD接近100%，办公楼和木屋室内PPD相对较低，人体舒适度状态较为理想。可以看出，实施垂直绿化能有效降低PMV和PPD值，改善室内环境舒适度。

由研究结果可知，在城市建设中可以通过增加自然爬山虎覆盖或人工绿墙改善室内人体舒适度，实现夏季空调的节能减排。在绿化形式的选择方面，模块式比网架式在降温增湿、提升人体舒适度方面的优势更加明显，可以作为室外垂直绿化的主要模式进行推广。另外建筑材质也影响着气候环境，木质建筑室内环境略优于混凝土建筑，建筑选材可以更多考虑木质材料。而垂直绿化在布置过程中，应尽量选择建筑南面以减少墙体所受的太阳辐射，同时为解决南立面水分蒸发问题，应注重加强灌溉和养护以保证植物的良好生长。

本研究主要集中在南京市垂直绿化生态效益的评价方面，通过引入PMV-PPD指标评价人体舒适度状况，将垂直绿化和人体舒适度两方面内容相结合，深入到垂直绿化样地进行实地测量，探讨夏季不同绿化形式、不同绿化方位和朝向，以及有无垂直绿化3种状况下的气候环境差异和人体舒适度变化特征。本研究对于植物的其他相关参数未进行深入分析，在后续研究中应进一步挖掘垂直绿化植物材料的生态效益差别，分析不同区域、不同气候状况下不同植物配置状况、绿量、生物量、叶形和株型等主要因子的影响作用，力求为垂直绿化的推广设计提供更多建议，为南京市既有建筑的节能改造和小气候改善研究提供强有力的科学依据。

注：文中图片除注明外，均由宋双双绘制。