一种基于节能减排的多功能垂直绿化装置设计研究

蒋雨芬，胡竞恺，袁诗婷，钟烈鑫，廖思琪，林 郁

(1.广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510000；2.广东农工商职业技术学院，广东 广州 510000；3.广州名筑建设有限公司，广东 广州 510000)

1 垂直绿化概念与作用

1.1 垂直绿化相关概念

垂直绿化也叫立体绿化，是指充分利用城市地面上的各种不同立体平面，包括墙壁、屋顶、阳台和柱子等，选择各类适宜的植被，栽植于人工改造的环境中，使绿色植物能覆盖地面以上的各类建筑物、构造物以及其他空间的结构表面。它作为一种新型的绿化方式，目前国内还没有明确的定义，常见的垂直绿化主要形式有墙体绿化、阳台绿化和屋顶绿化[1]。

1.2 垂直绿化作用

垂直绿化具有良好的生态效益、社会效益和经济效益。研究表明，垂直绿化效果是传统绿化的几倍甚至几十倍，能迅速增加绿化面积，有效缓解城市用地紧张；垂直绿化能有效降低嗓音，缓解城市热岛效应，降低建筑内部温度，有良好的节能功效。垂直绿化能保护建筑物或者构建物表面，还有一定的美化作用，使人们的心情更加愉悦[2]。结合垂直绿化噪声分析结果，技术人员在城市建设中有效使用城市垂直绿化，能够降低室内噪声 25%以上[3]。

2 研究现状

2.1 国外研究现状

在第二次世界大战结束后，许多国家开始战后重建工作，新加坡、波兰、美国、日本等国家，同时开展了立体绿化的建设，真正意义上的立体绿化从此开始。近代园艺技术的成熟，使立体绿化的实用性加强，1959年，美国加利福尼亚州的凯泽中屯屋顶花园，开拓性地在6层的楼顶上建造空中花园，并充分考虑到建筑结构、负荷、土层厚度、植物选择和高空强风等经管技术问题和艺术要求。此后，立体绿化景观在更多国家展开，并将其纳入国家法制轨道。自20世纪80年代来，人们开始注重立体绿化的生态效益，其中日本就对其进行了深入的研究，它的立体绿化技术己经走在世界的前列，例如日本山口县“未来住宅”中的屋顶绿化，在屋顶种植品种丰富的植物，所形成的颜色缤纷的景观与周围环境融合在一起，创造了人与环境共生的建筑立体景观[4]。

2.2 国内研究现状

国内城市空间垂直绿化发展相对较晚，还处于初级发展阶段，北京、上海、深圳等都是较早倡导城市空间垂直绿化的城市。其中，北京的垂直绿化工作始于1983年建成的长城饭店屋顶花园，并以2008年北京奥运会为契机取得突破性进展，大力发展屋顶、高架等绿化，取得一定成绩和经验；上海在迎世博会期间，完成各类立体绿化40万m2，出现一些具有代表性的作品，例如上海世博园主题馆生态墙垂直绿化、上海海纳尔生态建筑公司的墙体垂直绿化等都取得较好的效果[2]。

2.3 相关专利与文献

通过对检索到的相关资料、文献进行统计，可以看出业界学者们在垂直绿化的研究方向上存在着明显的差异。研究的方向主要侧重于攀援植物资源、垂直绿化植物选择及结构，而对其在节能减排方面的研究较为稀少，其中所有的相关文献多是描述性文字、缺乏数据支持。

从2001～2020年间，垂直绿化的专利产品数量不断增加，发明创造力也不断提高(图1)。2007～2020年间，相关垂直绿化文献3550篇，其中期刊2835篇，报纸13篇，博硕士论文408篇，会议121篇，结果显示(图2)，相关文献逐年增多，研究趋势不断提高，可见，垂直绿化已逐渐成为市场热门话题。

年份图1 垂直绿化历年专利产品发明数量

年份图2 垂直绿化相关文献历年发表数量统计

3 垂直绿化市场调查

3.1 市场现状

团队对垂直绿化的市场现状进行了调研，调研包括网上信息查找与整理和实地调研。调研小组对垂直绿化技术方式进行整理，对部分公司进行数据分析统计比较，分析垂直绿化现状，对不同形式的垂直绿化进行了比较(表1)。

3.2 代表机构

3.2.1 Ken Yeang

他是国际著名建筑师、生态环境学家和社会活动家，是生态建筑的倡导者和生态建筑理论的创立者。现任马来西亚汉沙杨有限公司总裁。

3.2.2 海纳尔

该公司已成为中国建筑绿化、屋面系统行业的领航者，国家标准参编者。海纳尔是中国第一家以屋面系统注册，第一家将墙体和屋面整体绿化相结合的专业公司。

3.2.3 深圳市铁汉一方

该公司秉持科技服务社会的绿色生态理念，专注为客户提供生态屋顶，生态绿墙，生态阳台，生态园艺项目施工、产品销售和运营服务等。

3.2.4 深圳市润和天泽

该公司是一家专业从事设计，安装，维护一条龙服务的立体绿化公司，它成功开发出了适合中国国情、具有自主知识产权的国际一流立体绿化技术，并已申请了国家专利。

3.3 结果分析

调研发现垂直绿化(不包括自然攀爬式)现存的问题主要有以下几点。

3.3.1 成本造价高

我国绿墙市场价格处于1200～5000元/m2，价格比较高昂，这也使得很多甲方对此只能望而却步，整体普及率较低。

3.3.2 安装形式单一

目前市场上的垂直绿化大部分都是固定于墙体上，缺乏灵活性及便利性，适用建筑范围及人群比较单一。

3.3.3 灌溉系统不成熟

市面上已有使用自动滴管系统，但滴灌系统使用不成熟，易出问题，如漏水、堵塞、未能实现精准滴灌等。调研中并没有发现利用回收雨水浇灌原理而实现的循环浇灌系统。

3.3.4 植物更换复杂

调研中发现，部分垂直绿化墙植物老化情况较为严重，更换麻烦，通常需要专业人员进行更换。

4 研究内容及流程

4.1 研究内容

本项目将对垂直绿化墙，雨水回收系统，自动浇灌系统三部分进行研究。

4.2 研究方法

本次研究过程中，采用多种方法综合应用。主要采用以下几个方面的研究方法。

4.2.1 对比分析的方法

通过对国内、外垂直绿化技术的对比分析，提取其中共同律性并进行归纳总结，为节能减排型垂直绿化的技术创新形成可实现的思路和方法。

4.2.2 建立模型的方法

通过计算机软件、手绘等主要手段对节能减排型垂直绿化技术进行模型设计，给人以更直观的想象和理解，在此基础上，进一步研究该垂直绿化的合理性。

4.2.3 预实验方法

预实验是在正式实验之前。用标准物质或只用少量样品进行实验，以便摸出最佳的实验条件，为正式实验打下基础，为进一步的实验摸清条件，也检验实验设计的科学性和可行性，以免由于设计不周，盲目开展实验而造成人力、物力、财力的浪费。

4.2.4 实践操作的方法

由于节能减排型垂直绿化技术及设计手法有的时候是无法用叙述性的语言可以表达或间述清楚的，所以本次研究通过实践操作，制作实体垂直绿化墙，观察记录看是否达到明确的设计效果，为节能减排型垂直绿化实践提供依据和参考。

5 产品设计方案

城市人口密集，用地日趋紧张，建筑密度逐步加大，特别是居住区，绿化空间有限。本产品主要用于室内，可在节约绿化用地的同时提高室内绿量(图3)。可根据实际情况，移动到阳光充足或阴凉的地方，使植物能更好地生长。在夏季移动至阳台直射处，从而平衡采光与遮光之间的矛盾，为室内降噪滞尘、降温增湿，减少空调、风扇的使用，以实现节能减排的目的。又或者移动至室内观赏，以起到装饰家居的作用。同时，由于植物可以吸收空气中残留的有毒物质，提高空气质量，进而可以愉悦心情，使人保持乐观向上的心态，对人体健康十分有利。本产品可在城市中拓展绿化空间、提高绿化覆盖率、增加绿量、美化环境、提升城市整体的绿化水平。

图3 SAVE垂直绿化墙效果图

5.1 雨水收集利用

雨水是优质的天然水源，但能充分利用到的雨水却很少，在低碳，节能、节水的生活方式中，不仅要考虑节约用水，也要兼顾美观、经济的原则来规划雨水收集再利用，雨水收集槽是一种收集雨水的有效途径,可节省市政和居民用水开支，可以缓解目前城市水资源紧缺的局面，是一种开源节流的有效途径。

雨水收集系统通过建筑墙面安装的雨水槽收集雨水并进行存储回收再用。在晴天时，如储存雨水不足，亦能用洗菜水(滤除杂质)等水源放于贮水装置内做水源，通过此做法节约大量水资源。

在阳台屋檐处加装雨水收集槽。根据相关文献公式[5]计算出墙面汇水面积，采用乘积法计算出最大的投影面积，Fc为乘积法算出的最大正投影面积(m2)，Fe= 正投影面宽×(1/2)墙高，除去阳台，面宽为6 m，高度为24 m，汇水面积为72(m2)=0.0072(hm2)，日雨水径流总量W=10Ψc×hy×F的式中：W为雨水设计径流总量(m2)；Ψc为雨量径流系数，径流时取0.5(墙面)；hy为设计降雨厚度(mm)；F为汇水面积(hm2)，中雨时降雨厚度为15 mm，采用中雨时计算日雨水径流总量W=10×0.5×15×0.0072=0.54(m3)=540(L)。设计中水桶容积为45 L，因此在4～9月雨季只需要靠雨水收集便能供给植物墙的用水量，在少雨季节，则需要人工加水。根据计算，采用本系统一年能节水1890 L。

根据计算可知，阳台承重荷载设计一般是(可移动荷载)为2 kN/m2，即阳台承重约200 kg/m2；此外阳台端部还允许承荷载担1 kN/m，因阳台此端部每延米还可承担约100 kg的集中活荷载。根据安全起见，水箱不宜过大，又因蓄水需求，植物一天需水量为3.5 L，因此选用45 L左右的水箱为最佳，45 L水能提供植物13 d的需水量。既可解决阳台承重的问题，又解决了水箱蓄水的需求。

5.2 太阳能系统

太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大特点。

(1)它是人类可以利用的最丰富的能源。今后足以供给地球人类，使用几十亿年，真可谓取之不尽，用之不竭。

(2)地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题。

(3)太阳能是一种洁净的能源。在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、没有噪音，也不会影响生态平衡，更不会造成污染和公害。开发利用太阳能不会污染环境，是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。其原理为利用光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能。

使用同样扬程的自动滴灌系统，用电功率为500 W，一次浇水为4 min，一天一浇，一年用电量为Q=Wt=500 W×(4×360)min=12(kW·h)。因此，采用本系统的自动喷淋系统，一年可节电24 kW·h。

5.3 自动滴灌系统

自动滴灌是一种利用塑料管道将水通过直径约10mm毛管上的孔口或滴头送到作物根部进行局部灌溉的技术。将其用于绿化墙上，有着诸多优点。

(1)能够按时自动浇水。现代生活的节奏不断加快，人们的生活节奏也在加快，因而经常会忘记为家里的绿墙浇水，而自动滴灌能够有效解决这一问题。

(2)能够节水。滴灌比一般喷灌节水20%～30%，比淋灌节水25%～35%[6]。

(3)不易改变土壤结构。普通喷灌及普通淋灌易使土壤受到较多的冲刷、压实和侵蚀从而改变土壤结构，使土壤板结。而滴灌是微量长时浇灌，能充分湿润土壤，保持土壤结构，使营养土的使用寿命更长。

(4)调节温度和湿度。滴灌能够长时间保持种植土土壤湿润，起到一个小湿地作用，与绿墙植物搭配效果更佳。

在本设计中，采用自动滴灌一年可节水1080 L。

5.4 喷雾系统

雾化系统根据雾化设备喷嘴的不同可分为冷雾系统、微雾系统和雾森系统三大类[7]。喷雾系统与自动滴灌系统采用同一套供水系统，节能环保。可通过自动或人工控制，在室温过高的情况下，开启喷雾组件工作，向空气中喷射水雾减低植物及室内温度。

5.5 垂直绿化墙

华南地区日照时间长，太阳辐射成为影响空调能耗的重要因素，垂直面的绿色覆盖能有效减少太阳紫外线、电磁辐射及建筑表面的温差变化，有效的垂直绿化技术在夏季可以节约30%～50%的空调能耗[8]。以实验场地的客厅为例，面积为35 m2，依据《国务院关于加强节能工作的决定》夏季室内空调温度设置不低于26 ℃[9]，夏天空调用电约2000 kW·h，取节约空调耗能中间值计算，一个夏天节约用电2000 kW·h×40%=800 kW·h。

植物通过利用叶绿素等进行光合作用。经过光反应和碳反应，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气。同时也有将光能转变为有机物中化学能的能量转化过程。垂直绿化单位叶面积内年吸收二氧化碳2000 g，设计中4 m2的垂直绿化一年可吸收二氧化碳8000 g[10]。

可移动式的设计，能够根据实际需要移动景墙，平衡遮荫及采光的关系。

5.6 可替换式面板

可替换式面板用于遮挡视觉效果较差的水箱，可根据需要更换插画，美化家居环境，调整心情。

5.7 温度、湿度感应器

设备通过温度传感器感知周边温度，当环境温度过高时，系统开启喷雾装置，进行主动降温，为场地降温增湿。土壤水分传感器检测土壤湿度，当土壤含水量过低时，给系统发出信号，自动开启滴灌设备，浇灌植物。自动感知系统替代人工，更有针对性的降温增湿，提高灌溉效率，节约资源。

5.8 配套小程序

本产品开发设计了配套小程序，内有大量常用垂直绿化植物科普知识。用户可利用互联网实时查找植物信息，通过搜索功能，可根据自身实际需求搜索植物的品种，了解自己所种植植物的生理习性和需水量。从而科学合理地设定系统的灌溉间隔、时间和水量，智能高效，简单便捷。

6 结论

垂直绿化诸多优点早已深入人心，例如增加绿化面积、改善社会生态环境、提升景观效果、缓解热岛效应、吸收噪音、对于降低碳排放具有积极作用、缓解城市用地紧张、降低建筑内部温度等。在此基础上，本项目对于垂直绿化装置进行改良，这种新型的垂直绿化装置较传统垂直绿墙有较多优点，如更节约能源，并融入了智能管理程序，充分利用可再生能源为自动化管理提供服务，且移动灵活，外观可根据场景需求提供多样化的形象等，值得推广与应用。

6.1 节能数据分析

本设计在35 m2的实验场地外设置两组SAVE垂直绿化墙。通过雨水收集，每年节水1890 L；太阳能系统，每年节电24 kW·h；自动滴灌，每年节水1080 L；移动绿墙，每年节电800 kW·h，吸收二氧化碳8000 g。

6.2 与传统型垂直绿墙比较

(1)目前市面的垂直绿化墙多用自来水等有偿水源进行人工浇灌，费时费力费水。相比传统垂直绿化墙，节能型垂直绿化墙以雨水为主要浇水水源。雨天时，安装于外墙的雨水收集装置能够收集雨水，并汇流储存于贮水装置内存放，以用于日常浇水。在晴天时，如储存雨水不足，亦能用洗菜水(滤除杂质)等水源放于贮水装置内做水源。以此，每年在灌溉上，能够节约大量水资源。

(2)据调查，市面上垂直绿墙平均每平方需浇水3～5 L，其中将有0.5～1 L将会流失浪费。本产品采用滴灌形式进行灌溉，比一般喷灌节水20%～30%，比淋灌节水25%～35%；且滴灌采用微量长时浇灌，能充分湿润土壤，保持土壤结构，使营养土的使用寿命更长。

(3)传统垂直绿墙喷淋多以电能等作为能源供给，本设计将太阳能转化为电能用于运行自动滴灌系统，清洁环保，省时省力。

(4)传统垂直绿化多数都是固定在建筑墙体上，需对墙面进行额外的防水处理，本作品通过改良设计，将垂直绿化应用于室内或阳台，不需做额外防水处理，成本较低。

(5)传统的垂直绿墙大多为固定式的，缺乏灵活性，有时还会对室内的通风、采光等造成较大影响。可移动式绿化景墙，在节约绿化用地的同时，还可平衡采光与遮光之间的矛盾，降低室内温度和增加室内湿度，同时起到降噪滞尘的作用。

(6)传统垂直绿墙仅通过绿化被动式降温，而本产品在高温时可通过自动或人工控制喷雾进行主动降温。