垂直綠化對室內人體舒適度影響的實驗研究

王 敏 Wang Min 孫 力 Sun Li

垂直綠化對室內人體舒適度影響的實驗研究

王 敏 Wang Min 孫 力 Sun Li

0 引言

隨著城市化的不斷推進，城市聚集效應顯著，城市尤其是城市中心區逐漸形成高人口密度、高開發強度的狀態。城市發展中產生的資源枯竭、氣候變暖、環境惡化等問題，以及城市建設與人口、用地之間的矛盾在城市高密度地區環境下更加凸顯，已經嚴重威脅人類的生存空間，影響城市環境中的人體舒適度。面對土地資源的日益緊張和宜居城市建設的發展趨勢，垂直綠化作為一種建筑物或構筑物豎向界面的綠化手段，可以緩解“熱島效應”、阻滯粉塵、改善空氣質量、維持碳氧平衡、增加生物多樣性、營造動物自然棲息地等，是緩解當前城市發展建設綠量不足，改善城市微氣候環境的重要途徑。

建筑表皮垂直綠化是指在建筑外表皮直接攀爬或者通過相應支撐結構在豎向界面進行植物栽植的綠化層次。作為一種建筑被動節能手段，它可以通過調節溫度、濕度、風速以及對噪音的吸收影響室內的環境狀況，進而改善室內人體的舒適度。本研究梳理建筑表皮垂直綠化的分類和構成體系，關注國內外建筑表皮垂直綠化與室內人體舒適度的相關實驗研究進展，旨在探析建筑表皮垂直綠化不同類型、不同構成要素對于室內環境和人體舒適度的改善作用并總結影響規律。

1 建筑表皮垂直綠化的分類與構成體系

1.1 分類體系

對于建筑表皮垂直綠化的分類，國內外現今還沒有一個明確規范性的標準，因此各項研究進展往往無法相互支撐推進。相比國內垂直綠化研究，國外的研究較為系統和完善，本文將選取國外引用次數較高的一種分類體系用于整體研究。

基于垂直綠化的依托形式和植物品種，PérezG[1]等人將建筑表皮垂直綠化分成綠色表皮（green facades）和生命墻 (living wall)兩大類。

（1）綠色表皮是指根植于地面或者建筑邊緣的栽植槽通過攀援植物或者垂掛植物進行垂直綠化的系統。其中，不借助外在支撐系統直接攀爬式的綠化方式為傳統型；利用線纜、線網、網架等支撐體系進行栽植的綠化方式為雙表皮型，且按照支撐系統的差異又可以分為模塊格網式、線材支撐式、柵網式；另外還有一類是利用建筑前置種植槽栽植掛落植物的綠化方式。

（2）生命墻是指根植于人工基質或盆栽土壤的垂直綠化方式，由現場澆筑的水泥、砌體、耐蝕金屬框架的結構構成。其中，依托于模塊槽體的為面板式，利用氈布進行支撐的為土工氈布式。生命墻用于支撐的結構材料需要精心選擇，以免影響植物生長。該系統需要的維護費用較高，后期需要考慮灌溉和營養液的供應，因此需要有較完備的管理體系。

進一步考慮安裝的造價和遠期維護的需要，將垂直綠化分為粗放型和集約型兩種。綜合以上兩種分類方式，表1形成的建筑表皮垂直綠化分類體系層次清晰、概括綜合全面，充分展現各種垂直綠化的優勢和特征，便于筆者對國內外相關實驗進展的分類梳理和比較研究。

1.2 構成體系

建筑表皮垂直綠化的構成主要包含植物系統、支撐系統、栽培基質及容器、灌溉系統四個部分。

1.2.1 植物系統

植物是整個垂直綠化的核心，通過光合，能夠在一定程度上改變環境中的溫度和濕度。考慮后期的管理及成活率，盡量選擇一些抗性強、低養護的植物品種。總體來說，綠色表皮的植物品種比較單一，多集中一些常綠或者落葉的攀爬植物，如爬山虎、常春藤、紫藤等；生命墻由于依托一體化的管理措施，植物品種相對多樣，一般為常綠植物，包括一些蕨類以及景天科植物，視覺效果的優勢較為明顯。

1.2.2 支撐系統

綠色表皮中雙表皮系統的支撐系統僅僅作為植物攀爬的一種依托，可以獨立支撐也可以依托墻體，能夠避免植物與建筑表面的直接接觸，減少對建筑的腐蝕和破壞，且利于更便捷地更換衰敗的植物品種。生命墻的支撐體系不僅提供植物成長的依托點，還能夠提供植物所需的營養。

1.2.3 栽培基質及容器

栽培基質和容器一般是指生命墻體系中用于支持植物生長的營養和模塊，根植于地面的垂直綠化系統則不需要基質和容器。對于基質的選擇，一般根據植物品種所需進行選定；對于容器，則會結合外觀及便利節能等特點進行專門設計。

1.2.4 灌溉系統

灌溉系統是基于垂直綠化系統生命周期的穩定性進行設置的，它保證了垂直綠化整個生長過程中水分供應。一般有直接澆灌和滴灌兩種方式，可根據實際情況進行選擇。

表1 建筑外表面垂直綠化分類體系

2 室內人體舒適度評價

人體舒適度是以人與環境中的熱交換原理為基礎，評價人在不同環境狀況下舒適度的指標。關于環境舒適度的研究，過去以定性和描述為主，之后把人體感受的生理信號和參數引入到舒適度研究中[2]，一般用人體舒適度指數（ICHB） 來表征。室內環境對人體舒適度的影響主要體現在熱、光、風和聲4個方面，其中，熱、光、風分別對應著溫度（熱）、相對濕度（熱）、太陽輻射（光）、空氣流速（風）4個環境物理因素；而聲對人體舒適度的影響主要是在人為感受方面。研究表明，單一的客觀因子并不能完全表征室內環境中人體舒適度的狀況，噪音對于人體舒適度也會造成較大影響。吳海燕[3]曾通過一個實驗，讓受試者穿著實驗服進入實驗室，把溫度調到安靜狀態直到感到最舒適為止。實驗中選擇兩種強度的聲音（40dB和80dB），測定體溫、皮膚溫度、心率、血壓，并且每5分鐘對主觀評價值（冷暖度、舒適感）進行記錄。結果顯示：噪音對受試者主觀舒適性有影響，隨著噪音的增大舒適感下降，暖感增加。因此，為了準確全面地評價室內人體舒適度，文中選擇室內環境中熱、光、風和聲所對應的溫度調節（降溫）、太陽輻射（遮陰）、風速（控風）及噪音（屏音）4個方面，對建筑表皮垂直綠化進行環境效能評價。

3 建筑表皮垂直綠化相關實驗進展

分析國外近10年建筑表皮垂直綠化相關實驗研究案例[1，4-23]，從建筑表皮垂直綠化與室內環境的關系來看，可以大致將建筑表皮垂直綠化的環境效益類型分成4個調節作用，即遮陰效果、降溫效果、控風作用、屏音吸收（表2）。其中，關于遮陰和降溫效果的研究最為充分，通常會結合起來共同研究。

4 建筑表皮垂直綠化對于室內人體舒適度的影響

圖1 有無植物覆蓋溫度對照圖

圖2 Stec模擬實驗裝置

圖3 Pérez G等人的垂直綠化實驗觀測點

4.1 遮陰效果

無論是傳統型綠色表皮還是雙表皮型，都能對室內環境的溫度和濕度調節發揮作用。

植物對太陽輻射控制的研究最早可以追溯到上世紀80年代，如Hoyano[24]研究的一個關于使用日本爬山虎的傳統型綠色表皮系統的案例。實驗在夏季進行，測定位于東京的兩層獨立式住宅的西側墻面(15cm厚裸露的鋼筋混凝土墻)內外表面溫度。實驗結果顯示：下午3點時，外部表面溫度減少了13℃；而下午6點時，內部表面溫度降低了11℃(圖1 )。

Stec[4]通過實驗模擬評估雙表皮型綠色表皮系統的遮陰效果，實驗參照物為常見的百葉窗和常春藤覆蓋的雙層綠色表皮系統（圖2）。實驗測定顯示，有植物覆蓋的空氣層的溫度要比在百葉窗后的溫度降低20%～35%。在一般觀察中測定，環境中增加絕對濕度的范圍0.5～1.8g/kg。

也有學者進一步研究綠色表皮遮陰效果在一年中不同季節的變化。Pérez G等人[14]以地中海地區紫藤攀爬的雙層綠色表皮系統為實驗對象（圖3），通過1年的連續監測，測定該系統在不同季節中光照強度、溫度、濕度、風速（根據蒲福式風級）的變化。以光傳導系數（即植物背后氣腔的光照強度與入射光照強度的比值）來表明遮陰效果，比值越小，遮陰效果就越好。實驗數據（圖4）顯示，這個比值從4月份的0.37過渡到7月份的0.04，正體現了樹葉逐漸發育完全的過程；相對于暴露區，外部建筑墻表面溫度降低了5.5℃，這種差異在8月和9月最高，其中最大值為西南立面15.2℃ （9月）。這一數據證明了垂直綠化系統植物具有遮陰的效果，使建筑在冬天時室內較室外溫度高，相對濕度較低(無葉的時期)；而在夏天室內則具有更低的溫度和更高的濕度 (樹葉遮蔽時期)。

分析建筑表皮垂直綠化產生遮陰效果的機理，主要源于植物光合作用以及對于輻射的吸收和反射，進而調節室內溫度。從物理學角度看，植物作為一種介質，相對于其他材料，熱輻射傳導的吸收率較高，導致室內環境的溫度與外界產生一定的差值。研究表明，植物葉面積指數和植物葉片層總體厚度是影響該效果的兩個重要因子。其中，葉面積指數（LAI）是指單位面積內植物葉片面積所占比例，可用于表征植物獲取太陽能、光合作用的能力[25]。廖容等[26]選取成都市32種立體綠化植物進行降溫增濕效應研究，結果顯示，葉面積指數越大，單位面積植物獲取的太陽能越多，進行光合作用、呼吸作用的器官就多，遮陰效果越好。與葉面積指數相近的概念是植物覆蓋率，即單位面積內植物綠化面積占總面積的比。K.J等人[27]在研究垂直綠化植物覆蓋率、朝向與建筑熱工效應關系的比較中得出結論，植物覆蓋率越高，遮陰效果越好。此外，關于植物葉片層總體厚度對于遮陰效果的影響，sternberg等[11]于2008年5月1日到2009年4月30日期間持續監測位于英格蘭不同地區的5組傳統綠色表皮（常春藤葉覆蓋厚度分別為20cm、95cm、＜10cm、45cm、24cm），采集一年里建筑墻面溫度和相對濕度的數據。結果表明：5個站點平均日常最高溫度中，爬滿常春藤的比暴露的墻體溫度低36% (遮陰效果)；日常最低溫度方面，比暴露的墻體溫度高出15% (保溫效果)；每日最高表面溫度方面，常春藤覆蓋墻面較之暴露墻面明顯下降，介于1.7℃(＜10cm厚常春藤覆蓋)和9.5℃(45cm厚常春藤覆蓋)；每日最低表面溫度方面，常春藤覆蓋墻面高于暴露墻面，介于0.64℃(＜10cm厚常春藤覆蓋)和3.88℃(20cm厚常春藤覆蓋)之間；同時，建筑綠色表皮永遠比暴露的墻面濕度略高，在1%～15%之間。于是，我們可以得出結論：葉片層總體厚度與遮陰效果成正相關，厚度越大，遮陰效果越好；反之，遮陰效果弱，溫度降低少。

圖4 Pérez G等人在不同測試點測試的溫度變化值

圖5 Nyuk Hien Wong等人實驗設置的8組垂直綠化樣式

4.2 降溫效果

建筑表皮垂直綠化主要通過植物的蒸騰作用和栽培基質內部的水分蒸發來達到降低環境溫度的效果。Schmidt M.[5]通過雨水幕墻模擬綠色表皮的水分蒸發對于環境溫度的影響，以此驗證了植物的蒸騰作用具有降溫效果。Nyuk Hien Wong等人[13]在新加坡某公園仿照設置了8種樣式的垂直綠化（圖5），測試和評估不同類型的建筑表皮垂直綠化對于建筑熱性能的影響。結果顯示，與裸露的墻面相比，所有類型的垂直綠化系統都顯著降低了植物后面的墻面溫度，且最大的墻面降溫值發生在植被覆蓋度最高的垂直綠化墻體系統中。其中，采用垂直界面、帶有混合基質的模塊網格生命墻和采用垂直界面、帶有無機基質的模塊網格生命墻的降溫最為明顯，這充分說明基質本身對垂直綠化的降溫效果有影響，對于人體舒適度的調節能夠發揮一定的作用。

進一步以生命墻為實驗研究對象，Chen Q等人[20]在武漢分別使用6種植物形成生命墻，考察其在炎熱潮濕地區對于環境溫度的調節能力。測定的主要參數包括內墻表面、外墻表面、空氣層及內部面板表面溫度和外部溫度，室內、空氣層和室外相對濕度，風速和太陽輻射。實驗的主要結論是：①外墻表面溫度降低20.8℃，內墻表面溫度降低7.7℃，室內溫度降低1.1℃；②空氣層和綠墻溫度白天降低9.7℃，晚上降低1.6℃；③空氣層的平均相對濕度高于室外相對濕度0.3%；④密封式生命墻空氣層的降溫效應比自然通風空氣層要強，且空氣層模塊越小降溫效果越好。

Eumorfopoulou和Kontoleon[7]研究垂直綠化方位和植被覆蓋比例對環境溫度的調節和改善作用。實驗中模擬建造的單層建筑尺寸為10m×10m×3m（h），保溫層5cm，垂直綠化植被層25cm，熱導率值為2W/m2。結果表明，植被綠化方位和覆蓋率對于建筑熱性能有著很大的影響。其中，北立面墻體外部和內部溫度分別降低1.73/0.65℃，東立面為10.53/2.04℃，南立面為6.46/1.06℃，西立面16.85/3.27℃；溫度降低率為北面4.65%，東面18.17%，南面7.60%，西面20.08%。由此可見，垂直綠化方位能夠較大地影響降溫效率。

4.3 控風作用

空氣滲透是寒冷天氣里建筑供熱負荷和熱能消耗的主因。垂直綠化可以降低建筑外立面的風速，進而減少建筑外層墻體的空氣滲透，降低建筑熱負荷，改善室內環境人體舒適度。研究表明，多孔的景觀元素（喬木、灌木等）對于減少空氣流速比固體阻礙物更有效，而且有助于阻斷渦流，使立面上的風壓分布更均勻[5]。在另一項研究中，佩里尼測試了荷蘭一座兩層磚混建筑西北立面上覆蓋的20cm厚常春藤層中心的空氣流速，結果顯示植物覆蓋的墻體附近空氣流速比那些無遮蔽墻體附近的空氣流速低84%[28]。值得注意的是，因為空氣流動對建筑表皮的降溫作用可能會受到植物阻礙，建筑外墻附近風速的降低可能會在炎熱天氣里對室內的熱舒適性帶來負面影響。因此，關于控風作用的研究需要進一步細化考慮在合適風向的建筑朝向設置垂直綠化系統，以便更好地發揮其環境效應。

4.4 屏音吸收

建筑外立面垂直綠化的基質層、植物層以及植物和墻面之間空氣層可以吸收、反射聲音，對于建筑內部人群的使用起到很好的屏音效果。Wong等人[13]根據英國國家標準BSEN ISO 354:2003，在一個密閉的混響室里做了一個關于垂直綠化對噪音吸收的實驗，分別選用植物覆蓋率為0%、43%、71%和100%的垂直綠化裝置進行測試（圖6）。結果表明（表3），植物覆蓋率越高，消音系數越高，對噪音的吸收越好。

圖6 植物覆蓋率分別為0%、43%、71%、100%的垂直綠化裝置

表3 垂直綠化消音系數實驗測試結果

5 結論及建議

以上實驗研究進展分析表明，建筑表皮垂直綠化通過遮陰、降溫、控風、屏音作用對室內人體舒適度的改善產生影響。

（1）從影響機理分析，遮陰方面，垂直綠化系統的植物和基質能夠降低太陽輻射，影響室內的光照強度和環境溫度；降溫方面，主要是通過植物的蒸騰作用和基質中水分的蒸發效應，一方面，吸收環境熱量降低溫度，另一方面，利用水分蒸發增加濕度，共同改善室內人體舒適度；控風方面，植物對氣流的疏散能夠降低風對室內環境的影響；屏音方面，植物和基質能夠一定程度吸收噪音，從人為感受方面改善室內人體舒適度。此外，結合生命周期的實驗研究探索發現，建筑表皮垂直綠化有助于提升墻體保溫性能，植物和基質的熱阻效應是控制室內外環境熱交換、降低室內空調能耗的有效途徑。

（2）從構成體系和影響因子分析，建筑表皮垂直綠化主要通過植物系統、栽培基質影響室內環境和人體舒適度。植物系統對于綠色表皮和生命墻都能發揮作用，主要影響因子包括葉面積指數、植物葉片層厚度和栽植方位。一般地，葉面積指數越大、植物層葉片厚度越厚，垂直綠化環境調節的效果越好，對于室內人體舒適度的改善越佳（表4）。相關實驗表明，在東面和西面，植物能夠更好地發揮遮陰、降溫等方面作用，改善室內環境狀況。栽培基質和容器通過介質本身的屏蔽作用影響生命墻系統的環境調節效能，主要影響因子包括栽培基質的厚度、基質的成分和容器類型。如表4所示，栽培基質的厚度影響遮陰、降溫、屏音3個方面的室內環境調節，基質厚度越厚，調節作用越大。相關研究表明，基質成分和容器類型都與垂直綠化環境調節作用有一定關聯，但具體的影響效果目前尚缺乏相關實驗支撐。

因此，建議在氣候溫暖的地區選用葉片覆蓋率較高、葉片層總體厚度較厚的植物構成建筑表皮垂直綠化系統；植物栽植方位上，西面和東面覆蓋改善率較高，可以根據需要較多布置。其次，生命墻系統應選擇合適的基質厚度，在合適的狀況下，基質厚度較高，室內環境的調節率相應較高。此外，基于可控性和調節效果，從改善室內人體舒適度方面建議選擇生命墻系統。

表4 建筑表皮垂直綠化對于室內人體舒適度的影響因子與規律

表5 綠色表皮（Green facades）和生命墻（Living wall）系統比較

比較綠色表皮和生命墻兩種系統在室內人體舒適度調節方面的作用（表5），生命墻系統可控性更好，植物系統、栽培基質和容器能夠根據室內環境要求進行設計，對室內人體舒適度的影響較為系統；綠色表皮系統基本是依靠植物品種自身的墻面覆蓋率影響并調節室內環境狀況，調節效果較為局限。因此，如果不考慮造價和后期維護，僅僅基于室內人體舒適度改善的可控性和調節效果，建議選擇生命墻系統。

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The Experimental Study on the Infl uence of Vertical Greening on Indoor Human Comfort

文章在分析建筑表皮垂直綠化類型和構成的基礎上，結合國內外相關實驗研究進展，著重探析垂直綠化各組成部分在遮陰、降溫、控風、屏音等方面對室內環境和人體舒適度的改善作用。研究表明：建筑表皮垂直綠化主要通過植物系統、栽培基質影響室內環境和人體舒適度；植物的葉面積指數、植物層厚度以及栽植方位影響垂直綠化4個方面的調節作用；栽培基質厚度影響垂直綠化在遮陰、降溫、降噪方面的效果；綠色表皮和生命墻系統相比較，生命墻系統在植物和栽培基質方面可控性強，對人體舒適度的調節效果較好。

垂直綠化；人體舒適度；建筑表皮；室內環境；實驗研究

Based on the analysis of vertical greening types of building surface and its formation, and combining with the experimental progress of related research at home and abroad, the paper mainly explores the improving function of vertical greening components applied in indoor environment and human comfort from such aspects as shading, cooling, wind control and screen sound. Research shows that: the vertical greening of architecture surface affects indoor environment and human comfort mainly by plant system and substrate; the leaf area index, the plant thickness and the planting orientation affect the 4 vertical modulation functions of greening planting; the thickness of substrate affects the vertical greening effect in shading, cooling and noise reduction; compared the greening surface with the life wall system, life wall system is easier to control in plants and substrates, which is better for the adjustment of human comfort.

vertical greening, human comfort, building surface, indoor environment, experimental study

2016-05-21）

本研究得到同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司重點項目研發基金, 高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室自主與開放課題（2015KY06）的支持。

王敏，博士，同濟大學建筑與城市規劃學院景觀學系副教授，博士生導師；孫力，同濟大學建筑與城市規劃學院景觀學系碩士研究生。