一種基于節能減排的多功能垂直綠化裝置設計研究

蔣雨芬，胡競愷，袁詩婷，鐘烈鑫，廖思琪，林 郁

(1.廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510000；2.廣東農工商職業技術學院，廣東 廣州 510000；3.廣州名筑建設有限公司，廣東 廣州 510000)

1 垂直綠化概念與作用

1.1 垂直綠化相關概念

垂直綠化也叫立體綠化，是指充分利用城市地面上的各種不同立體平面，包括墻壁、屋頂、陽臺和柱子等，選擇各類適宜的植被，栽植于人工改造的環境中，使綠色植物能覆蓋地面以上的各類建筑物、構造物以及其他空間的結構表面。它作為一種新型的綠化方式，目前國內還沒有明確的定義，常見的垂直綠化主要形式有墻體綠化、陽臺綠化和屋頂綠化[1]。

1.2 垂直綠化作用

垂直綠化具有良好的生態效益、社會效益和經濟效益。研究表明，垂直綠化效果是傳統綠化的幾倍甚至幾十倍，能迅速增加綠化面積，有效緩解城市用地緊張；垂直綠化能有效降低嗓音，緩解城市熱島效應，降低建筑內部溫度，有良好的節能功效。垂直綠化能保護建筑物或者構建物表面，還有一定的美化作用，使人們的心情更加愉悅[2]。結合垂直綠化噪聲分析結果，技術人員在城市建設中有效使用城市垂直綠化，能夠降低室內噪聲 25%以上[3]。

2 研究現狀

2.1 國外研究現狀

在第二次世界大戰結束后，許多國家開始戰后重建工作，新加坡、波蘭、美國、日本等國家，同時開展了立體綠化的建設，真正意義上的立體綠化從此開始。近代園藝技術的成熟，使立體綠化的實用性加強，1959年，美國加利福尼亞州的凱澤中屯屋頂花園，開拓性地在6層的樓頂上建造空中花園，并充分考慮到建筑結構、負荷、土層厚度、植物選擇和高空強風等經管技術問題和藝術要求。此后，立體綠化景觀在更多國家展開，并將其納入國家法制軌道。自20世紀80年代來，人們開始注重立體綠化的生態效益，其中日本就對其進行了深入的研究，它的立體綠化技術己經走在世界的前列，例如日本山口縣“未來住宅”中的屋頂綠化，在屋頂種植品種豐富的植物，所形成的顏色繽紛的景觀與周圍環境融合在一起，創造了人與環境共生的建筑立體景觀[4]。

2.2 國內研究現狀

國內城市空間垂直綠化發展相對較晚，還處于初級發展階段，北京、上海、深圳等都是較早倡導城市空間垂直綠化的城市。其中，北京的垂直綠化工作始于1983年建成的長城飯店屋頂花園，并以2008年北京奧運會為契機取得突破性進展，大力發展屋頂、高架等綠化，取得一定成績和經驗；上海在迎世博會期間，完成各類立體綠化40萬m2，出現一些具有代表性的作品，例如上海世博園主題館生態墻垂直綠化、上海海納爾生態建筑公司的墻體垂直綠化等都取得較好的效果[2]。

2.3 相關專利與文獻

通過對檢索到的相關資料、文獻進行統計，可以看出業界學者們在垂直綠化的研究方向上存在著明顯的差異。研究的方向主要側重于攀援植物資源、垂直綠化植物選擇及結構，而對其在節能減排方面的研究較為稀少，其中所有的相關文獻多是描述性文字、缺乏數據支持。

從2001～2020年間，垂直綠化的專利產品數量不斷增加，發明創造力也不斷提高(圖1)。2007～2020年間，相關垂直綠化文獻3550篇，其中期刊2835篇，報紙13篇，博碩士論文408篇，會議121篇，結果顯示(圖2)，相關文獻逐年增多，研究趨勢不斷提高，可見，垂直綠化已逐漸成為市場熱門話題。

年份圖1 垂直綠化歷年專利產品發明數量

年份圖2 垂直綠化相關文獻歷年發表數量統計

3 垂直綠化市場調查

3.1 市場現狀

團隊對垂直綠化的市場現狀進行了調研，調研包括網上信息查找與整理和實地調研。調研小組對垂直綠化技術方式進行整理，對部分公司進行數據分析統計比較，分析垂直綠化現狀，對不同形式的垂直綠化進行了比較(表1)。

3.2 代表機構

3.2.1 Ken Yeang

他是國際著名建筑師、生態環境學家和社會活動家，是生態建筑的倡導者和生態建筑理論的創立者?，F任馬來西亞漢沙楊有限公司總裁。

3.2.2 海納爾

該公司已成為中國建筑綠化、屋面系統行業的領航者，國家標準參編者。海納爾是中國第一家以屋面系統注冊，第一家將墻體和屋面整體綠化相結合的專業公司。

3.2.3 深圳市鐵漢一方

該公司秉持科技服務社會的綠色生態理念，專注為客戶提供生態屋頂，生態綠墻，生態陽臺，生態園藝項目施工、產品銷售和運營服務等。

3.2.4 深圳市潤和天澤

該公司是一家專業從事設計，安裝，維護一條龍服務的立體綠化公司，它成功開發出了適合中國國情、具有自主知識產權的國際一流立體綠化技術，并已申請了國家專利。

3.3 結果分析

調研發現垂直綠化(不包括自然攀爬式)現存的問題主要有以下幾點。

3.3.1 成本造價高

我國綠墻市場價格處于1200～5000元/m2，價格比較高昂，這也使得很多甲方對此只能望而卻步，整體普及率較低。

3.3.2 安裝形式單一

目前市場上的垂直綠化大部分都是固定于墻體上，缺乏靈活性及便利性，適用建筑范圍及人群比較單一。

3.3.3 灌溉系統不成熟

市面上已有使用自動滴管系統，但滴灌系統使用不成熟，易出問題，如漏水、堵塞、未能實現精準滴灌等。調研中并沒有發現利用回收雨水澆灌原理而實現的循環澆灌系統。

3.3.4 植物更換復雜

調研中發現，部分垂直綠化墻植物老化情況較為嚴重，更換麻煩，通常需要專業人員進行更換。

4 研究內容及流程

4.1 研究內容

本項目將對垂直綠化墻，雨水回收系統，自動澆灌系統三部分進行研究。

4.2 研究方法

本次研究過程中，采用多種方法綜合應用。主要采用以下幾個方面的研究方法。

4.2.1 對比分析的方法

通過對國內、外垂直綠化技術的對比分析，提取其中共同律性并進行歸納總結，為節能減排型垂直綠化的技術創新形成可實現的思路和方法。

4.2.2 建立模型的方法

通過計算機軟件、手繪等主要手段對節能減排型垂直綠化技術進行模型設計，給人以更直觀的想象和理解，在此基礎上，進一步研究該垂直綠化的合理性。

4.2.3 預實驗方法

預實驗是在正式實驗之前。用標準物質或只用少量樣品進行實驗，以便摸出最佳的實驗條件，為正式實驗打下基礎，為進一步的實驗摸清條件，也檢驗實驗設計的科學性和可行性，以免由于設計不周，盲目開展實驗而造成人力、物力、財力的浪費。

4.2.4 實踐操作的方法

由于節能減排型垂直綠化技術及設計手法有的時候是無法用敘述性的語言可以表達或間述清楚的，所以本次研究通過實踐操作，制作實體垂直綠化墻，觀察記錄看是否達到明確的設計效果，為節能減排型垂直綠化實踐提供依據和參考。

5 產品設計方案

城市人口密集，用地日趨緊張，建筑密度逐步加大，特別是居住區，綠化空間有限。本產品主要用于室內，可在節約綠化用地的同時提高室內綠量(圖3)?？筛鶕嶋H情況，移動到陽光充足或陰涼的地方，使植物能更好地生長。在夏季移動至陽臺直射處，從而平衡采光與遮光之間的矛盾，為室內降噪滯塵、降溫增濕，減少空調、風扇的使用，以實現節能減排的目的。又或者移動至室內觀賞，以起到裝飾家居的作用。同時，由于植物可以吸收空氣中殘留的有毒物質，提高空氣質量，進而可以愉悅心情，使人保持樂觀向上的心態，對人體健康十分有利。本產品可在城市中拓展綠化空間、提高綠化覆蓋率、增加綠量、美化環境、提升城市整體的綠化水平。

圖3 SAVE垂直綠化墻效果圖

5.1 雨水收集利用

雨水是優質的天然水源，但能充分利用到的雨水卻很少，在低碳，節能、節水的生活方式中，不僅要考慮節約用水，也要兼顧美觀、經濟的原則來規劃雨水收集再利用，雨水收集槽是一種收集雨水的有效途徑,可節省市政和居民用水開支，可以緩解目前城市水資源緊缺的局面，是一種開源節流的有效途徑。

雨水收集系統通過建筑墻面安裝的雨水槽收集雨水并進行存儲回收再用。在晴天時，如儲存雨水不足，亦能用洗菜水(濾除雜質)等水源放于貯水裝置內做水源，通過此做法節約大量水資源。

在陽臺屋檐處加裝雨水收集槽。根據相關文獻公式[5]計算出墻面匯水面積，采用乘積法計算出最大的投影面積，Fc為乘積法算出的最大正投影面積(m2)，Fe= 正投影面寬×(1/2)墻高，除去陽臺，面寬為6 m，高度為24 m，匯水面積為72(m2)=0.0072(hm2)，日雨水徑流總量W=10Ψc×hy×F的式中：W為雨水設計徑流總量(m2)；Ψc為雨量徑流系數，徑流時取0.5(墻面)；hy為設計降雨厚度(mm)；F為匯水面積(hm2)，中雨時降雨厚度為15 mm，采用中雨時計算日雨水徑流總量W=10×0.5×15×0.0072=0.54(m3)=540(L)。設計中水桶容積為45 L，因此在4～9月雨季只需要靠雨水收集便能供給植物墻的用水量，在少雨季節，則需要人工加水。根據計算，采用本系統一年能節水1890 L。

根據計算可知，陽臺承重荷載設計一般是(可移動荷載)為2 kN/m2，即陽臺承重約200 kg/m2；此外陽臺端部還允許承荷載擔1 kN/m，因陽臺此端部每延米還可承擔約100 kg的集中活荷載。根據安全起見，水箱不宜過大，又因蓄水需求，植物一天需水量為3.5 L，因此選用45 L左右的水箱為最佳，45 L水能提供植物13 d的需水量。既可解決陽臺承重的問題，又解決了水箱蓄水的需求。

5.2 太陽能系統

太陽能作為一種新能源，它與常規能源相比有三大特點。

(1)它是人類可以利用的最豐富的能源。今后足以供給地球人類，使用幾十億年，真可謂取之不盡，用之不竭。

(2)地球上，無論何處都有太陽能，可以就地開發利用，不存在運輸問題。

(3)太陽能是一種潔凈的能源。在開發利用時，不會產生廢渣、廢水、廢氣、沒有噪音，也不會影響生態平衡，更不會造成污染和公害。開發利用太陽能不會污染環境，是最清潔能源之一，在環境污染越來越嚴重的今天，這一點是極其寶貴的。其原理為利用光生伏特效應將太陽輻射能直接轉換為電能。

使用同樣揚程的自動滴灌系統，用電功率為500 W，一次澆水為4 min，一天一澆，一年用電量為Q=Wt=500 W×(4×360)min=12(kW·h)。因此，采用本系統的自動噴淋系統，一年可節電24 kW·h。

5.3 自動滴灌系統

自動滴灌是一種利用塑料管道將水通過直徑約10mm毛管上的孔口或滴頭送到作物根部進行局部灌溉的技術。將其用于綠化墻上，有著諸多優點。

(1)能夠按時自動澆水。現代生活的節奏不斷加快，人們的生活節奏也在加快，因而經常會忘記為家里的綠墻澆水，而自動滴灌能夠有效解決這一問題。

(2)能夠節水。滴灌比一般噴灌節水20%～30%，比淋灌節水25%～35%[6]。

(3)不易改變土壤結構。普通噴灌及普通淋灌易使土壤受到較多的沖刷、壓實和侵蝕從而改變土壤結構，使土壤板結。而滴灌是微量長時澆灌，能充分濕潤土壤，保持土壤結構，使營養土的使用壽命更長。

(4)調節溫度和濕度。滴灌能夠長時間保持種植土土壤濕潤，起到一個小濕地作用，與綠墻植物搭配效果更佳。

在本設計中，采用自動滴灌一年可節水1080 L。

5.4 噴霧系統

霧化系統根據霧化設備噴嘴的不同可分為冷霧系統、微霧系統和霧森系統三大類[7]。噴霧系統與自動滴灌系統采用同一套供水系統，節能環保。可通過自動或人工控制，在室溫過高的情況下，開啟噴霧組件工作，向空氣中噴射水霧減低植物及室內溫度。

5.5 垂直綠化墻

華南地區日照時間長，太陽輻射成為影響空調能耗的重要因素，垂直面的綠色覆蓋能有效減少太陽紫外線、電磁輻射及建筑表面的溫差變化，有效的垂直綠化技術在夏季可以節約30%～50%的空調能耗[8]。以實驗場地的客廳為例，面積為35 m2，依據《國務院關于加強節能工作的決定》夏季室內空調溫度設置不低于26 ℃[9]，夏天空調用電約2000 kW·h，取節約空調耗能中間值計算，一個夏天節約用電2000 kW·h×40%=800 kW·h。

植物通過利用葉綠素等進行光合作用。經過光反應和碳反應，將二氧化碳和水轉化為有機物，并釋放出氧氣。同時也有將光能轉變為有機物中化學能的能量轉化過程。垂直綠化單位葉面積內年吸收二氧化碳2000 g，設計中4 m2的垂直綠化一年可吸收二氧化碳8000 g[10]。

可移動式的設計，能夠根據實際需要移動景墻，平衡遮蔭及采光的關系。

5.6 可替換式面板

可替換式面板用于遮擋視覺效果較差的水箱，可根據需要更換插畫，美化家居環境，調整心情。

5.7 溫度、濕度感應器

設備通過溫度傳感器感知周邊溫度，當環境溫度過高時，系統開啟噴霧裝置，進行主動降溫，為場地降溫增濕。土壤水分傳感器檢測土壤濕度，當土壤含水量過低時，給系統發出信號，自動開啟滴灌設備，澆灌植物。自動感知系統替代人工，更有針對性的降溫增濕，提高灌溉效率，節約資源。

5.8 配套小程序

本產品開發設計了配套小程序，內有大量常用垂直綠化植物科普知識。用戶可利用互聯網實時查找植物信息，通過搜索功能，可根據自身實際需求搜索植物的品種，了解自己所種植植物的生理習性和需水量。從而科學合理地設定系統的灌溉間隔、時間和水量，智能高效，簡單便捷。

6 結論

垂直綠化諸多優點早已深入人心，例如增加綠化面積、改善社會生態環境、提升景觀效果、緩解熱島效應、吸收噪音、對于降低碳排放具有積極作用、緩解城市用地緊張、降低建筑內部溫度等。在此基礎上，本項目對于垂直綠化裝置進行改良，這種新型的垂直綠化裝置較傳統垂直綠墻有較多優點，如更節約能源，并融入了智能管理程序，充分利用可再生能源為自動化管理提供服務，且移動靈活，外觀可根據場景需求提供多樣化的形象等，值得推廣與應用。

6.1 節能數據分析

本設計在35 m2的實驗場地外設置兩組SAVE垂直綠化墻。通過雨水收集，每年節水1890 L；太陽能系統，每年節電24 kW·h；自動滴灌，每年節水1080 L；移動綠墻，每年節電800 kW·h，吸收二氧化碳8000 g。

6.2 與傳統型垂直綠墻比較

(1)目前市面的垂直綠化墻多用自來水等有償水源進行人工澆灌，費時費力費水。相比傳統垂直綠化墻，節能型垂直綠化墻以雨水為主要澆水水源。雨天時，安裝于外墻的雨水收集裝置能夠收集雨水，并匯流儲存于貯水裝置內存放，以用于日常澆水。在晴天時，如儲存雨水不足，亦能用洗菜水(濾除雜質)等水源放于貯水裝置內做水源。以此，每年在灌溉上，能夠節約大量水資源。

(2)據調查，市面上垂直綠墻平均每平方需澆水3～5 L，其中將有0.5～1 L將會流失浪費。本產品采用滴灌形式進行灌溉，比一般噴灌節水20%～30%，比淋灌節水25%～35%；且滴灌采用微量長時澆灌，能充分濕潤土壤，保持土壤結構，使營養土的使用壽命更長。

(3)傳統垂直綠墻噴淋多以電能等作為能源供給，本設計將太陽能轉化為電能用于運行自動滴灌系統，清潔環保，省時省力。

(4)傳統垂直綠化多數都是固定在建筑墻體上，需對墻面進行額外的防水處理，本作品通過改良設計，將垂直綠化應用于室內或陽臺，不需做額外防水處理，成本較低。

(5)傳統的垂直綠墻大多為固定式的，缺乏靈活性，有時還會對室內的通風、采光等造成較大影響。可移動式綠化景墻，在節約綠化用地的同時，還可平衡采光與遮光之間的矛盾，降低室內溫度和增加室內濕度，同時起到降噪滯塵的作用。

(6)傳統垂直綠墻僅通過綠化被動式降溫，而本產品在高溫時可通過自動或人工控制噴霧進行主動降溫。