高原地区垂直绿化对建筑节能的影响

赵涛　姚东　王志杰　岳帅坤

关键词：垂直绿化;建筑节能;室内空气;舒适度;高原地区

中图分类号：TU201.5 文献标志码：A

1概述

基础设施的高度封闭区域是最易受城市热岛效应等不利气候条件影响的地区。在城市环境中，建筑结构吸收太阳辐射，能量储存在建筑材料中，并释放回室外和室内环境中。缺乏有水体或植被的开放自然空间会导致潜在热发电的减少。此外，城市地区有限的天空视野因素导致红外辐射的进一步保留。

室内温度受到室外环境温度的影响，室内高温可以保持在舒适阈值以上，导致室内热应激，尤其是在夜间，对人体产生负面影响。热应激导致死亡率上升，主要是弱势人群，如老年人和呼吸系统疾病的人。这些因素意味着在老龄化社会建设中，以减少夏季室内热应力。垂直绿化系统在增加城市绿色基础设施的同时，在室内和室外热危害方面具有降低潜力。

垂直绿化作为城市绿地的组成部分，有助于为城市环境降温。垂直绿化对建筑表面的冷却作用主要是由于阴影。冷却强度不仅取决于植物特征和气象条件（主要是太阳辐射、气温和风），还取决于墙体的组成，即能量转移和储存的特性。垂直绿化的热性能及其对建筑的影响在实验和建模中都得到了量化。

2019年我国城镇化水平突破60%，意味着中国进入了城镇化中后期。随着时间的推移，这个比例也会继续扩大，同时给城市规划者带来巨大的挑战。我国大力提倡绿色环保建筑，如何提高建筑节能效率是一个不得不面对的问题。居民的室内舒适感受室内热环境影响，建筑物的能耗由居民的热感决定。室内热条件也受垂直绿化模式的影响，因为垂直绿化模式除了影响外墙的阴影功能外，还影响反射、折射索引、水保持和其他热性能参数。除了射线控制外，绿色墙壁已被证明通过植物蒸腾，影响室内热环境。

2垂直綠化

2.1介绍

建筑立面的绿化已被提出，作为一个有希望的解决方案，使密集的城市更持续。通常，建筑物的垂直区域大于屋顶区域。这一事实强调了垂直绿化系统的重要性，特别是高层建筑类型。垂直绿化的概念可以追溯到巴比伦文明的建设。虽然，攀岩植物在墙壁上的应用并不是一个新的趋势，但在过去的几十年里，它们使用的系统和用途已经发生了变化。从历史上看，绿色墙壁用于观赏或园艺目的，但目前的垂直绿化系统，与其他被动技术一样，用于其可持续性效益。

2.2阴影效果

绿色墙可以保护建筑屋顶免受阴影过热。绿墙的总太阳辐射量取决于树冠的物理特性，它将被转移到这三种方式：反射到大气中，或被树冠吸收或通过叶片传播。垂直绿化系统的遮蔽效果在很大程度上取决于树叶的密度和覆盖率。调查在国内温带气候下覆盖建筑物西南窗户的落叶攀爬植物的着色系数。结果显示，通过一片叶子层的太阳传播最初约为45%，在经过五片叶子层时下降到12%。

2.3保温效果

在建筑立面和绿色墙之间形成微气候环境，作为热缓冲器，从而通过调节环境空气温度和风速来减少通过建筑热通量。垂直绿化的表面温度高于没有太阳辐射的夜间裸露立面。这可转化为中间微气候的热缓冲能力及其对建筑热损失减速的影响。在一条独立的绿色墙上进行了实地研究，该墙组装在一个钢结构上，在干燥的大陆性气候中，从西北、西南和东南立面形成80～150cm的距离。这项研究是在春季和冬季完成的，当时树叶覆盖率约为62%。当绿墙的覆盖率最高时，通过树叶的传输量范围从春季的37%到夏季的3%不等。此外，测量了微气候环境在空间中的作用。发现温度更低（最高2°C）和更高的湿度（最大7%）与环境相比，在中部空间有温度下降的类似趋势。在这项研究中，观察了自然通风和气腔厚度对中部空间微气候环境冷却效应的影响。

2.4环保效果

经过研究发现，垂直绿化可以很好的起到遮阴效果，降低局部地区的风速，通过植物减少噪音污染和缓解城市热岛效应。另一方面，垂直绿化通过叶片吸收外部空气的灰尘和微粒物质，可以起到净化空气的作用。同时能够增加生物的多样性，为野生动植物提供食物和避难所。此外，垂直绿化还能通过其发达的根系增强渗透作用和增加蓄水量，有很好的环保作用。

2.5绿色墙对建筑节能的能量影响

绿色立面通过吸收太阳辐射进行生长进行生物过程，可以有效地降低室内温度。室内气温的降低意味着夏季节能效果相当大。然而，在冬季，植物的遮光不应阻碍被动热增益通过建筑包络，否则会增加供热需求。夏季对建筑物的四个主要方向上模拟了一堵厚度为20cm的绿色墙，以预测绿色墙的方向对降低大陆性气候中冷却需求的影响。最高和最低影响是通过绿化西向和北向的墙体，分别节能20%和5%。因此，在垂直表面上为植物选择合适的方向可在夏季为冷却负载提供显著的节能。

3实验方案

3.1气候条件

昆明属北纬低纬度亚热带-高原山地季风气候，由于受印度洋西南暖湿气流的影响，日照长、霜期短、年平均气温15℃，年均日照2200h左右，无霜期240d以上。气候温和，夏无酷暑，冬无严寒，四季如春，气候宜人，年降水量1035mm如图1所示，具有典型的温带气候特点，城区温度在0℃～29℃之间，年温差为全国最小，这样的气候特征在全球少有，鲜花常年开放，草木四季常青。

3.2实验设置

以云南大学教学楼为实验对象，高5.5m，建筑为普通的砖混结构如图2所示，选择有垂直绿化的一面和没有垂直绿化的一面进行比较，以5月连续晴朗、无降雨时间段进行实验，时间为10：00到22：00，每一小时测量一次，利用温度测量计进行温度测量如图3所示。

3.3实验结果

在这项研究中，通过在昆明市天气条件下进行的全面实验，研究结果强调了垂直绿化系统对冬季室内热舒适性和建筑能耗的显著积极影响。在非加热条件下，垂直绿化系统可帮助室内气温降低约1°C～3°C。垂直绿化还可以减少室内温度波动。此外，垂直绿化室在平均气温较低。鉴于昆明四季常暖且大多数地方没有空调，考虑到人体的舒适以及节能，垂直绿化系统适合使用。

4总结

4.1垂直绿化对舒适性的影响

垂直绿化主要有利于室内热舒适，特别是室内空气质量（IAQ）。根据研究，室内植物可以通过净化、加湿和温度降低三个因素增加室内舒适性。此外，从心理学的角度来看，植物也可以通过减轻压力和增加健康来提供舒适的条件。叶子、茎和根的生物过滤效应可以减少气密建筑中挥发性有机化合物的积累，为建筑物的居住者提供一个健康的环境。改善室内空气质量可减少病层综合症，从而提高居民的舒适度和生产力。此外，室内植物可以通过蒸发调节室内温度和湿度。没有通风的热内部空间从这种效果中获益最大。室外绿化系统，如绿色屋顶、绿色墙壁、绿色阳台和天空花园，还可以通过减少建筑热通量和温度波动来提高室内热舒适性。然而，在水平绿化系统的情况下，其影响将仅限于顶层。

4.2垂直绿化对能源的影响

垂直绿化可以给建筑带来许多好处。其中，许多研究者对不同绿化系统对建筑能耗的影响进行了调查。根据研究，绿化系统在冷却和加热季节表现出不同的效率。绿化系统的最大功效在夏季比较突出。此外，在阳光明媚的日子或太阳辐射较高的地方，绿化系统的效率会更高。相比之下，对于冬季条件，不同的研究建议关于绿化系统性能的争议性结论。这意味着他们既可以节省能源，也根据研究条件增加热需求。

在寒冷的气候下，当被动热通过建筑时，有效地有助于节约能源，植被遮蔽会增加对供暖的需求。此外，老建筑的绝缘价值很差，然后，增加一个额外的绿化层可以改善建筑物的绝缘性能。因此，当绿化系统绝缘的积极影响高于遮蔽的负面影响时，绿色环保系统的应用可减少冬季的供热负荷。此外，昆明地区太阳辐射较高的地方，垂直绿化的效果更加突出。