上海地區雙層垂直綠化辦公建筑實測研究

胡慧心 于航 何旸 李超恩

同濟大學機械與能源工程學院

隨著城市化進程的加速，自然土壤逐漸被鋪裝材料取代。垂直綠化技術可以在不占用城市水平空間的同時，增加城市綠地率，緩解熱島效應，凈化室外的空氣[1-4]。雙層垂直綠化作為垂直綠化的一種，在無需專用灌溉系統的同時可以保證植被的高存活率。重慶大學施慧中對重慶地區某雙層垂直綠化辦公建筑進行了實測研究，結果顯示夏季綠化房間圍護結構外表面溫度可以降低5.2 ℃，太陽輻射得熱降低60%[5]。Kenneth 等對英國某辦公建筑外窗進行了雙層垂直綠化改造并將兩臺太陽輻射熱流計分別放置于綠化層前后。實驗結果顯示每一層植物葉片可以降低37%的太陽輻射熱流量，當植物葉片為5 層時，太陽輻射熱流量可降低87%[6]。Silvana 等建立了的雙層垂直綠化建筑模型，模擬結果表明當東向外窗表面覆蓋遮陽率為0.9 的雙層垂直綠化層時窗體的日平均得熱量減少了30%[7]。綜上研究表明雙層垂直綠化可以有效降低夏季建筑熱負荷改善建筑熱環境，但目前上海地區雙層垂直綠化對建筑熱工環境及節能效果鮮有研究。因此本文將重點研究雙層垂直綠化對上海市辦公建筑熱環境的影響及其節能效益。

1 雙層垂直綠化簡介

1.1 雙層垂直綠化定義及傳熱過程

雙層垂直綠化即將爬藤植物種植在距圍護結構外表面一定距離的網架上[6-7]，綠化層相當于建筑的第二層表皮，因此稱為雙層垂直綠化。常用的雙層垂直綠化植物有常青藤，地錦，三角梅等。雙層垂直綠化外墻傳熱機理如圖1 所示。

圖1 雙層垂直綠化傳熱機理圖

1.2 垂直綠化常見分類

表1 展示了垂直綠化的常見分類形式及特點。根據植被種植方式可分為土壤式垂直綠化與爬藤式垂直綠化，土壤式垂直綠化可于園林公司直接購買已生長成熟的植物冠層，無需植株培育但初投資較高。爬藤式垂直綠化需購買爬藤植株幼苗，植株幼苗成本低，初投資少，但是幼苗需培育成熟需要較長時間。以爬山虎為例，一年正常發育大約可以生長2-5 米。土壤式垂直綠化主要有整體式和模塊式布置形式，爬藤式垂直綠化一般有貼壁式和雙層式兩種布置形式，如圖2 所示。

表1 垂直綠化常見分類及特點

圖2 垂直綠化布置形式示意圖

2 雙層垂直綠化建筑熱工環境實測

2.1 實驗概況

2.1.1 實驗對象

實驗對象為上海地區某5 層磚墻結構辦公樓。此辦公樓由南樓與北樓組成，南北兩棟樓相互平行且通過連廊連接，該建筑的空調系統為分體式空調，空調室外機放置于建筑外墻上。該建筑南樓南立面及北樓北立面進行了雙層垂直綠化改造，綠化層距外墻垂直距離約為0.4 米，植物種類為麻油常青藤，植物冠層厚度約為15 cm。該建筑北樓南向立面未進行雙層垂直綠化改造。該建筑的南樓與北樓的南向立面圖如圖3 所示。選取空間大小均為4.2 m×3.6 m×3.6 m（長×寬×高）的南樓南向頂層及北樓南向頂層辦公室各1 間作為實驗對象。本文以房間A、B 命名兩間辦公室，房間A 為南樓南向頂層辦公室（有雙層垂直綠化），房間B 北樓頂層南向辦公室（無雙層垂直綠化）。

2.1.2 實驗時間及工況

實驗時間為2018 年10 月1 至4 日，實驗期間屬氣象意義上的夏季。實驗期間兩房間均無人，所有用電設備均處于關閉狀態。

圖3 建筑南樓及北樓南向立面圖

2.1.3 實驗儀器及測點的布置

實驗儀器的型號及技術參數見表2。實驗過程皆為每5 分鐘自動記錄一次數據。A 房間實驗測點分布圖如圖4 所示，B 房間與A 房間測點布置相同，A、B房間測點皆布置于距房間地面1.6 m 高度處。便攜式氣象站放置于南樓屋頂平臺上，由于本文重點研究南立面雙層垂直綠化對建筑熱工性能的影響，因此將氣象站的太陽輻射表貼附于行政南樓的突出屋頂樓梯間的南向外墻上，測量該建筑的南向立面的太陽輻射熱流量。

表2 實驗儀器技術參數表

圖4 A 房間實驗測點分布圖

2.2 實驗結果分析

2.2.1 實驗期間氣象參數

10 月1-4 日皆為晴天，氣象參數如圖5 所示。

圖5 氣象參數

2.2.2 雙層垂直綠化對外墻內外表面溫度的影響

由圖6 可知，10 月1-4 日期間B 房間外墻內外表面局部溫度最高值分別達到了30.4 ℃及41.9 ℃，而帶有雙層垂直綠化的A 房間外墻內外表面局部溫度最高值為27.4 ℃及35.9 ℃。A 房間外墻內外表面局部溫度分別平均降低了2.1 ℃、1.3 ℃，最高降低了3.5 ℃、11.4 ℃。由圖7 可知，B、A 房間外墻外表面溫度差值曲線每日都會出現兩次峰值，第一次溫差約為5 ℃。第二次溫差約為10 ℃。夜間A 房間外墻外表面夜間溫度高于B 房間，這是由于綠化層對建筑表面空氣的減速作用以及綠化層對墻體長波冷卻阻擋效果減少了建筑外墻的散熱量。由圖7 的B、A 房間外墻內表面的溫度差值曲線可知，A 房間內的表面溫度始終低于B房間。

圖6 A、B 房間外墻內外表面溫度變化圖

圖7 A、B 房間外墻內外表面溫度差值變化圖（B 房間溫度-A 房間溫度）

2.2.3 雙層垂直綠化對室內空氣溫濕度的影響

由圖8 可知，實驗期間A、B 房間室內空氣最高溫度分別為29.1 ℃、31.1 ℃。A、B 房間室內空氣平均溫度分別為27.3 ℃、28.8 ℃。由圖9 可知雙層垂直綠化有效降低室內空氣溫度，改善了室內熱環境。由于實驗期間門窗緊閉，植物冠層的增濕作用無法影響到室內,由圖10 可知兩房間室內中心點的空氣相對濕度無明顯差異。

圖8 A、B 房間室內外空氣溫度變化圖

圖9 A、B 房間室內外空氣溫度差值變化圖（B 房間溫度-A 房間溫度）

圖10 A、B 房間室內外空氣濕度變化圖

2.2.4 雙層垂直綠化對外墻外表面附近室外空氣溫濕度的影響

由圖8 可知，雙層垂直綠化有效降低了日間外墻表面附近的室外空氣溫度，最高降低了9.1 ℃，平均降低了1.7 ℃。由圖11 可知每日10:00 至18:00 左右，由于植物冠層的蒸騰作用帶有雙層垂直綠化的建筑外表面附近的空氣濕度大于普通建筑外表面附近的空氣濕度。

圖11 A、B 房間室內外空氣濕度差值變化圖（B 房間濕度-A 房間濕度）

2.2.5 室外氣象參數與雙層垂直綠化降溫效果的關系

本文選取A、B 外墻外表面溫度差值作為雙層垂直綠化的溫降指標，選取皮爾森相關系數作為相關性評價指標對室外氣象參數（室外氣溫，太陽輻射，風速）與雙層垂直綠化的降溫效果進行相關性分析。皮爾森相關系數計算公式見式（1）。r>0 時兩變量呈正相關，r<0 時兩變量呈負相關，|r|越大則兩變量相關性越強。計算結果見表3，雙層垂直綠化的降溫效果與室外氣溫，太陽輻射，風速皆為正相關。且室外氣溫對雙層垂直綠化的降溫效果的影響最大，其次為太陽輻射以及風速。

表3 室外氣象參數雙層垂直綠化降溫效果的相關性

3 雙層垂直綠化辦公建筑節能分析

3.1 雙層垂直綠化對建筑負荷的影響

雙層垂直綠化主要依賴綠化層的遮陽作用降低進入到室內的太陽輻射熱流量，夏季雙層垂直綠化的遮陽作用可以有效降低室內空氣溫度，降低室內冷負荷。冬季室外氣溫較低，雙層垂直綠化的遮陽作用降低了進入到室內的太陽輻射熱流，增加了室內的熱負荷，反而增加了冬季建筑能耗[5]。

3.2 雙層垂直綠化對分體式空調制冷系數的影響

該辦公建筑的暖通空調系統選用分體式空調，帶有雙層垂直綠化的房間空調室外機布置于雙層垂直綠化的空氣夾層中，無雙層垂直綠化的房間空調室外機裸露于室外。將空調的制冷循環近似為理想逆卡諾循環，制冷狀態下當空調室外機附近的空氣溫度降低時，空調的制冷效率可以有效提升[8]。該建筑為辦公建筑，空調使用時間集中于日間，由圖7 可知，日間雙層垂直綠化夾層處的室外空氣溫度遠低于同位置處的普通建筑的室外空氣溫度。因此日間當該建筑各房間的分體式空調處于制冷模式且各房間室內設定溫度相同時，室外機布置于雙層垂直綠化空氣夾層中的分體式空調的制冷效率應高于室外機裸露于室外的分體式空調的制冷效率。

4 結論

通過以上分析，得到如下結論。

1）在建筑外表面安裝雙層垂直綠化可以有效改善夏季上海地區辦公建筑夏季熱環境，降低夏季建筑室內空氣溫度。帶有雙層垂直綠化的辦公室室內空氣溫度較普通房間平均降低了1.5 ℃，外墻外表面的平均溫度降低1.3 ℃。

2）雙層垂直綠化的降溫效果與室外氣溫，太陽輻射，風速皆為正相關。且室外氣溫對雙層垂直綠化的降溫效果影響最大，其次為太陽輻射及風速。

3）上海處于夏熱冬冷地區，冬季雙層垂直綠化層的遮陽作用降低了進入室內的熱流量，增加了建筑采暖負荷。因此建議選種落葉型爬藤植物。此時雙層垂直綠化層可作為能自發進行季節性調節的建筑圍護結構的外遮陽結構，不僅能有效改善建筑熱環境，降低夏季建筑能耗，同時可以增加城市綠量，改善城市的微氣候。