湘南住区垂直绿化的冬季节能绩效研究

郑伯红李家宇饶继发戚智勇，郑舰

1.中南大学建筑与艺术学院,长沙 410075; 2.华南理工大学建筑学院,广州 510800

“生态优先、绿色发展”是我国国土空间规划的基本准则之一[1-2]。垂直绿化作为建成空间里重要的“碳汇”要素，受到了研究人员的广泛关注。然而，我国关于垂直绿化的研究集中于城市绿化对于微气候和大气污染净化的研究。就城市微气候研究而言，现有研究主要探讨绿化大气温度、湿度、风速、热舒适性等要素的影响，研究周期以“典型夏季气象日”评价为主。“绿色建筑全产业链发展计划”要求延伸建筑前端的规划设计环节，使得“绿色规划”与“绿色建筑”协同发展，构成绿色建筑全产业链，这也是当下国土空间规划的内在要求之一[3]。

然而，我国城市绿化的研究尚存两个主要瓶颈，导致“绿色建筑全产业链发展计划”无法高效地实施。首先，“城市绿化”与“建筑节能”的研究之间存在沟壑，无法实现“绿色规划”与“绿色建筑”的有效衔接；现有的城市绿化研究仅探讨了城市空间要素对城市建成空间微气候的影响，尚未实现经由微气候向建筑节能的二次耦合研究。其次，我国现有的城市绿化对微气候的影响研究主要探讨夏季的“热岛缓解”问题[4-5]，这个学术问题起源于对新加坡和我国香港等热带城市的研究[6-7]；然而，我国拥有多个气候区，仅研究绿化对其在夏季“降低温度”中的积极作用[8]，特别是我国有大量的疆域位于夏热冬冷气候区的背景下[9]，仍忽视绿化在冬季潜在的“加剧寒冷”的负面影响研究[10]，这样的研究是不科学的。

本研究从冬季环境负面效应的视角出发，通过探索“城市绿化”这一城市规划学科的空间参数对城市微气候的影响，并进一步探讨该微气候条件下的建筑能耗需求情况，从而实现由规划参数到建筑能耗的耦合研究，厘清不同垂直绿化模式在冬季的能耗需求情况和冬季湘南地区不同垂直绿化模式对建筑能耗需求的影响。

1 研究方法

1.1 湘南地区典型住区形态

垂直绿化由于受到自重的限制，目前尚未在高层建筑中广泛地装配[11]。湘南地区垂直绿化较常见地装配于低层和多层居住建筑。由于低层住宅不利于集约使用土地，低层住宅早已被明令禁止建设[12]。因此，湘南地区装配垂直绿化的典型住区为多层住宅小区。湘南多层住宅小区按照《城市居住区设计标准》的消防和采光要求，建筑东西间距不低于6 m，满足消防需求；日照系数1∶1[13]。湘南地区的住区大多为商业开发小区，为高效利用土地资源，住区基本都是依据规划退让的底限要求布局的，典型住区模型见图1。

图1 湘南典型多层住区形态Fig.1 Typical multi-storeys in southern Hunan

1.2 湘南地区垂直绿化模式

湘南地区居住区装配的垂直绿化主要分为3种类型[14]，本研究的对比模式(图2A)及3种垂直绿化模式(图2B,C,D)如图2所示。

图2 不同垂直绿化模式Fig.2 Vertical greening modes

笔者所在课题组对3种垂直绿化模式进行了全年周期的栽培试验，栽培植物采用湘南当地四季常绿植物(图3)。图3D为垂直绿化的滴灌针，滴灌针每隔0.5 m设置1个，由插入绿化基质里的湿度传感器来探测并控制滴灌液的供给，保障垂直绿化在湘南地区能够全年周期存活。研究测定了3种垂直绿化基质与植物在正常存活状态下的参数(表1)。

图3 不同垂直绿化模式栽培试验Fig.3 Experiment on vertical greening cultivation of different modes

表1 绿墙构成要素属性Table 1 AttributeTable of green wall elements

1.3 湘南冬季气候特征

研究采用湖南省郴州市国家气象站2009―2019年的温度监测数据，并对每个月的月平均高温、月平均低温、月均高温发生时间、月均低温发生时间进行了统计分析(图4)。由图4可知，郴州地区最冷的月份为1月。因此，研究以郴州市1月为典型冬季月。

图4 2009―2019年郴州全年气温分布特征Fig.4 Annual temperature distribution in Chenzhou City from 2009 to 2019

以高温为8 ℃、低温为3 ℃的特征，对2009―2019年郴州市国家气象站(No.57972)1月份的气温特征进行了分析，获得了郴州市1月份典型的冬季气象日室外温度(图5)。

图5 湘南1月室外典型日气温Fig.5 Typical daily temperature in Januaryin southern Hunan Province

1.4 冬季节能计算方法

室外热环境与室内能耗的耦合研究是城乡规划学科(城市尺度)与建筑暖通学科(建筑单体尺度)之间的研究沟壑。垂直绿化产生的节能缘于其调节了室内温度，减少制冷和供热的能耗需求[16]。垂直绿化对建筑的采光、餐厨等能耗无必然的影响。因此，研究不同垂直绿化模式的节能绩效，实质是研究垂直绿化对室内舒适性的提升总量，减少调节室内热环境的能耗需求。本研究提出Envi-met+TRNSYS的耦合研究方法，探索室外参数对室内采暖能耗的影响，研究采用的方法体系如图6所示。

图6 垂直绿化节能计算流程框架Fig.6 Energy saving calculation method of vertical greening

本研究模拟发生的地理位置设置为(25°73′N,112°98′E)；采用湘南1月室外典型日气温(图5)为模拟的气候参数；墙体选用湘南地区常用的普通钢筋混净土墙，即GB 50176―2016 《民用建筑热工设计规范》中的干密度为2 500 kg/m3墙体；绿化参数采用表1中实测值。进行1个完整气象日(24 h)的室内温度模拟，并输出24个整时时刻的室内温度值。本研究方法体系中涉及室内热环境的计算，舒适性的温度阈值，以及采暖能耗调节的电能计算3项算法，具体如下。

1)室内热环境算法。研究采用Envi-met软件，对装配有不同模式垂直绿化的住宅小区进行模拟计算。Envi-met软件是一款成熟的热环境模拟软件，它能计算不同建筑材料、植被等在不同空间形态下的热传导规律[17]。Envi-met常见于室外热环境的模拟研究，少见于室内节能的研究。将Envi-met技术与能耗模拟软件进行耦合是探索建成空间参数对建筑能耗影响的思路之一；2018年Envi-met软件新增了墙体绿化模拟计算功能，使得室外参数对室内热环境的研究有了可能；然而目前研究尚未厘清室外绿化参数对室内采暖能耗的影响。研究对Envi-met模拟垂直绿化的准确性做了试验验证。在绿化栽培试验基地(113.109°E,28.235°N)，运用HOBO(MX2302)测试了2020年8月22日10：00至2020年8月24日10：00的连续2 d垂直绿化墙体内外温度、湿度数据(图7A)。研究按照实际绿化参数与尺寸构建了Envi-met模型(图7B)；以HOBO实测的局地气候参数为模拟条件，进行了室内温度模拟。

A:实测试验 Field experiment; B:模拟模型 Simulated model.

通过试验验证，证实Envi-met可准确地计算植物、基质的热传导关系，准确性校验试验如图8，图8表明，Envi-met模拟试验和测量试验结果的皮尔森系数为0.856,表明Envi-met的模拟结果是可信的。

2)采暖能耗启动阈值算法。人体对温度的受耐性特征受到地域气候的影响，新加坡和我国香港等城市已经系统的研究了当地人群需要启用空调制冷或制热的群体阈值[18]，这个阈值不可照搬到湘南地区。刘蔚巍等[19]对湖南地区人体的温度受耐性特征进行了系统的研究，并得出湖南人群对冷和热的受耐性特征值。根据刘蔚巍等[19]的研究，本研究采用7 ℃为制热启动温度，30 ℃为制冷启动温度，7～30 ℃湖南人大部分群体不会使用温度调节设备。

A:室外实测温度 Measured temperature outdoor; B:室内实测与模拟温度 Measured and simulated temperature indoor.

3)等效能耗算法。等效能耗是指超过舒适度阈值后，调节温度所需要补给的能耗。研究运用TRNSYS 18软件的TRNBuild模块对建筑的热过程进行仿真模拟[20]，计算维持舒适状态下，不同垂直绿化装配的建筑所需要的制热能量，仿真模拟的原理图见图9。

图9 能耗算法模型Fig.9 Energy consumption algorithm model

2 结果与分析

2.1 不同垂直绿化模式建筑的冬季日温度

Envi-met软件模拟了湘南地区典型冬季气象日内24 h的室内温度变化情况；研究提取了整时时刻的数据作为分析数据。例如，该日19：00的模拟结果见图10，图10A-D分别是无绿化、地生墙表垂直绿化、墙生线型垂直绿化和墙生模块化垂直绿化对应的建筑室内温度。无绿化、地生墙表垂直绿化、墙生线型垂直绿化和墙生模块化垂直绿化对应的室内温度见图11，图11共计24个时刻，每个时刻的温度指的是整时时刻室内温度的瞬时模拟值。

图10 19：00室内温度模拟图Fig.10 Indoor temperature simulation at 19:00

由图11可知，在室内温度最低时刻，3种绿化墙体都具有保温作用；然而，随着室内温度的上升，墙生线型垂直绿化和墙生模块化垂直绿化表现出明显的降温绩效。地生墙表垂直绿化在室内温度下降时具有保温作用，在室内温度上升时具有阻滞室内升温的作用。

图11 4种墙体居住建筑典型冬季气象日的室内温度Fig.11 Indoor temperature of the four wall residential buildings on typical winter weather day

2.2 不同垂直绿化模式建筑的冬季日采暖能耗需求

在湘南典型冬季气象日的室外环境下，TRNSYS18软件的TRNBuild模块模拟分析了无绿化情景，以及分别装配有3种不同垂直绿化模式的居住建筑，在墙体动态热传导的作用下，维持室内温度不低于7 ℃所需要供给的能量。装配有3种不同垂直绿化模式的建筑采暖能耗需求如图12所示，其中图12A为没有垂直绿化的居住采暖能耗需求情况，图12中折线表示逐时负荷需求，曲线表示采暖能耗总需求。

模拟结果显示,在湘南地区的典型冬季气象日，为避免室内出现极端寒冷的温度，即保持室内温度不低于7 ℃，1栋24户的6层居住建筑在无绿化以及装配不同垂直绿化模式的情景下，无垂直绿化、地生墙表绿化、墙生线型绿化、墙生模块绿化情景的日需电负荷分别为103.57、98.74、140.98、134.10 kW·h。研究结果表明：垂直绿化在寒冷气候条件下存在环境负面效应。墙生线型垂直绿化和墙生模块化垂直绿化都加剧了室内采暖能耗的需求。以湘南为例，典型冬季气象日下，24户的6层民居一日需要多用电量分别为37.40、30.53 kW·h，每户日均制热能耗的需求提升1.2～1.5 kW·h。研究进一步表明，垂直绿化在冬季的环境效应是否向好取决于气候特征、垂直绿化模式等多要素。研究结果表明，我国湘南地区地生墙表垂直绿化在冬季仍然具有节能效益；24户的6层民居一日需要的采暖能耗可减少4.83 kW·h。墙生垂直绿化在冬季具有明显的耗能效应，在典型24户的6层民居中，日增加采暖能耗分别为37.40、30.53 kW·h。

A:无垂直绿化的住区建筑采暖能耗需求 Energy demand of residential buildings without vertical greening; B:地生墙表绿化的住区建筑采暖能耗需求 Energy demand of residential buildings with green facades walls; C:墙生线型绿化的住区建筑采暖能耗需求 Energy demand of residential buildings with linear green walls; D:墙生模块绿化的住区建筑采暖能耗需求 Energy demand of residential buildings with modular green walls.

3 讨 论

垂直绿化在建筑上的运用主要由高密度城市的学者们推动，尤以我国香港和新加坡为盛。然而，不同于这两个热带城市，我国其他大部分城市处于夏热冬冷、寒冷甚至严寒气候区，垂直绿化在寒冷季节的节能性能表现尤为重要。然而，垂直绿化在寒冷气候下的研究开展较少；这是由于垂直绿化主要用于高密度城市，但采取高密度城市建设模式的国家或地区并不多，且已展开研究的国家或地区大都位于热带气候区。本研究一方面证实了垂直绿化模式在寒冷的气候条件下有可能增大室内采暖能耗需求。此外，研究还厘清了湘南地区不同垂直绿化模式在典型冬季气象日的节能绩效，即地生墙表垂直绿化在冬季仍然具有节能效益；24户的6层民居一日需要多用电量可减少4.83 kW·h。墙生垂直绿化在冬季具有明显的耗能效应，在典型24户的6层民居中，日增加能耗分别为37.40、30.53 kW·h。本研究厘清了垂直绿化在我国典型夏热冬冷气候区冬季的节能绩效，给照搬其他城市垂直绿化的盲目建设一个理性的呼吁。同时，本主题研究仍需深入开展，后续研究将通过对不同气候区内不同垂直绿化模式的全年周期节能绩效研究，研判出不同气候区最有利于住区节能的垂直绿化模式，并指明不同垂直绿化模式有利于住区建筑节能的地理界线。