重慶辦公建筑綠表皮系統夏季熱工性能研究

王笑涵，王暄晴，張棱勃，楊真靜

（1重慶大學 建筑城規學院，重慶 400045；2山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045）

0 引言

隨著城市化的推進，城市用地愈加緊張，高樓林立成為城市的常態，擴大城市平面綠化面積的實施難度與日俱增，而垂直綠化在高層建筑中的應用將為城市綠量帶來保障[1]，為城市建筑帶來新的變革與機遇。垂直綠化可以有效減少建筑外立面的得熱[2]，綠化植物可以通過蒸騰作用降低室溫、增加空氣濕度、減少建筑立面附近風量；作為遮陽構件也可以降低建筑外墻的溫度梯度，減少與建筑外墻的熱傳導[3]。

綠表皮系統[4]（圖1）作為垂直綠化的一種手段，是指將植物種植于模塊中，以拉繩為固定構件的附壁牽引式垂直綠化[5]，這種形式對室內采光影響較小，多應用于玻璃幕墻辦公建筑[6]。對綠表皮系統熱工性能的研究有助于最大化利用其隔熱效果，促進建筑的可持續發展。

圖1 綠表皮系統

近年來，對于垂直綠化的研究呈逐步增加的趨勢（圖2），目前針對綠表皮系統調節熱性能的機制方面的研究，主要集中在與綠化植物和建筑墻體間空氣間層相關的遮陽、冷卻、保溫和屏障四個主要方面[7]。Kenneth Ip等［8］研究得到爬山虎植物遮陽系數數學關系式。施慧中等［6］研究表明夏季實測工況下，附壁牽引式垂直綠化可減少太陽輻射得熱大于60%，降低約15%的空調能耗，同時可降低玻璃幕墻外表面溫度達5.2℃。陸世登等［9］實驗得出采用綠化遮陽的建筑外墻外表面的最高溫度比不采用綠化遮陽低，外墻外表面溫度的高低會直接影響建筑室內的熱舒適性及空調能耗。此外，植物作為建筑綠表皮系統的主體具有很強的地域性，其選取及構造類型的選擇應因地制宜。

圖2 發表年度趨勢（中國知網）

重慶夏季悶熱、冬季濕冷，氣溫日較差小，年降水量大，是夏熱冬冷地區的典型代表。因綠表皮系統在辦公建筑中應用居多，故針對此氣候特征選取重慶某多層辦公樓，研究綠表皮系統對建筑遮陽、冷卻及周邊環境風速的影響，探究重慶地區綠表皮系統對辦公建筑墻體隔熱性能的影響及其響應機制。

1 研究方法

1.1 實驗對象

實驗對象（圖3）位于重慶市沙坪壩區重慶大學某辦公樓七樓屋頂，場地坐北朝南，內設空調，保證室內溫度恒定為27.00℃，取南向寬5200mm、高3000mm的無窗墻壁作為綠化模塊的實墻體，據此設定標準實驗綠化模塊。

圖3 實驗對象實景圖

1.2 實驗器材

各實驗儀器及被測參數如表1所示。

表1 實驗儀器及被測參數

1.3 實驗方法

選擇八月內連晴天中7:00—23:00這一時間段進行溫濕度、風速及太陽輻照度測量，所有儀器在實驗開始前進行標定，每30min記錄一次數據。同時，為減少實驗模塊相互熱傳遞，形成誤差，各個模塊相互距離間隔600mm。具體實驗方法如表2所示。

表2 具體實驗方法

2 結果及分析

2.1 綠表皮系統對熱環境的改善

以實驗一綠表皮單元與傳統的百葉遮陽以及無綠化裸墻這一對比實驗為例，討論綠表皮系統對建筑熱環境的改善。在溫度變化方面（圖9、圖10），綠表皮單元及百葉單元室內外溫度值均呈現先上升后下降的趨勢，但綠表皮單元對溫度的削弱作用明顯大于傳統百葉：室外溫度最高可達39.42℃，在下午15時出現，而相對應的綠表皮單元墻體外表面溫度為32.95℃，百葉單元墻體外表面為34.91℃。在測定時間內（表3），百葉單元的墻體外表面平均溫度為32.45℃；綠表皮單元的墻體外表面平均溫度為32.04℃，相較于裸墻外表面，同比降低了0.77℃和1.18℃。

圖9 實驗一墻體外表面溫度曲線圖

圖10 實驗一室內溫度曲線圖

表3 百葉對比實驗平均數據

綠表皮與百葉對風速均有較明顯的減弱作用（圖11），但減弱程度與具體作用時間分布有所不同。室外風速在測量時間內波動較大，在13時00分出現峰值，為1.69m/s；綠表皮單元的空氣間層風速在14時出現峰值，為0.69m/s；百葉單元的空氣間層風速在17時00分出現峰值，為1.18m/s。在測定時間內（表3），室外平均風速為0.93m/s，綠表皮空氣間層為0.17m/s，降低了82%；百葉空氣間層為0.61m/s，降低了34%。在對太陽輻照度的減弱作用上（圖12），由于采用的是與標準綠表皮單元相同遮陽率的定制百葉，其改善程度也近似。

圖11 實驗一風速曲線圖

圖12 實驗一太陽輻射曲線圖

由以上數據可知，綠表皮單元對熱環境有一定的改善，在溫度、風速、太陽輻照度方面均有一定的作用。相較于百葉來說，對溫度及風速的阻隔作用明顯，但對太陽輻照度的阻隔效果并不顯著。

2.2 綠表皮單元空氣間層厚度對熱環境的影響

實驗二通過改變綠表皮單元空氣間層的厚度，探究其對建筑熱環境改善的差異。測量時間內，不同厚度空氣間層的室內外溫度值變化趨勢相同（圖13、圖14），墻體外表面平均溫度按空氣間層厚度從小至大分別為32.92℃、33.50℃、33.92℃（表4）。室外溫度變化幅度較大，最高可達39.00℃，最低為32.83℃，而空氣間層間距為100mm的墻體外表面最高溫度為15時的34.52℃，空氣間層間距200mm和400mm的墻體外表面最高溫度在14時出現，分別為36.84℃和35.94℃。

表4 空氣間層對比實驗平均數據

圖14 實驗二室內溫度曲線圖

在測量時間內，風速數據（圖15）上下波動均較大，室外風速在15時出現峰值，為1.03m/s；空氣間層內部的測量值有相似的變化規律，最大風速值按空氣間層厚度從小至大分別是1.46m/s、0.84m/s、1.59m/s。

圖15 實驗二風速曲線圖

室外太陽輻照度（圖16）在測量時間內變化很大，下午7時之前最小值為39.30w/m2，最大值可達855.70w/m2，變化幅度為816.40w/m2；而綠表皮單元空氣間層的太陽輻射在測量時間內變化相對較小。太陽輻射最大值在中午11時到13時之間出現，其數值按空氣間層厚度從小至大分別為181.90w/m2、114.40w/m2、174.40w/m2，最小值均出現在19時，即日落前，按空氣間層厚度從小至大分別為6.90w/m2、3.10w/m2、6.90w/m2，變化幅度分別為175.00w/m2、111.30w/m2、167.50w/m2。

圖16 實驗二太陽輻射曲線圖

由此可見，綠表皮單元的空氣間層厚度對其作用效果有一定的影響，但該影響并不成正比例，其中或許存在著某一作用效果最好的空氣間層厚度最優值。

2.3 綠表皮單元不同透光比對熱環境的影響

通過調整綠表皮單元植物的透光比進行對比，發現透光比對溫度的影響不大（圖17、圖18），但對風速和太陽輻照度的改善有相對明顯的差異（圖19、圖20）。在測量時間內，綠化層較密的一組空氣間層平均風速為0.08m/s，綠化層較疏的一組為0.31m/s，與環境風速相比均有較大差距（表5）。在針對太陽輻射的測量數據中，綠化層較密的一組空氣間層平均太陽輻照度為35.33w/m2，而綠化層較疏的一組為62.75w/m2，約為前者的兩倍，對比明顯。

表5 疏密度對比實驗平均數據

圖17 實驗三墻體外表面溫度曲線圖

圖18 實驗三室內溫度曲線圖

圖19 實驗三風速曲線圖

圖20 實驗三太陽輻射曲線圖

據此來看，綠表皮單元植物葉片的透光比對其作用效果有一定的影響，且與作用效果基本成正比。

3 結論

通過對重慶地區辦公建筑各單元模塊進行熱工性能實驗，得出以下結論：綠表皮和建筑墻體之間形成的空氣間層對室內外氣候存在緩沖作用，形成了良好的室內外微氣候緩沖層，可降低風速及溫度波動幅度，阻隔太陽輻射，對建筑有較好的隔熱效果。其效果受空氣間層厚度、綠表皮透光比等因素影響：當空氣間層為100～400mm之間時，間距與效果呈負相關；透光比與效果成正相關，綠表皮越密透光比越小，葉面正投影面積越大，作用效果越好。因此，在以重慶為代表的夏熱冬冷地區，應在辦公建筑中廣泛應用綠表皮系統，以達到建筑熱性能提升效果，助推城市熱環境和生態環境的改善。