绿化墙体对建筑周边环境及能耗影响研究进展

２０２３年第１０期(总第５１卷㊀第３９２期)Ｎｏ.１０ｉｎ２０２３(ＴｏｔａｌＶｏｌ.５１ꎬＮｏ.３９２)建筑节能(中英文)
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢＥＥ
ʏ绿色建筑ＧｒｅｅｎＢｕｉｌｄｉｎｇｓ
ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９６￣９４２２.２０２３.１０.０１０
收稿日期:２０２２￣１２￣０１ꎻ㊀修回日期:２０２３￣１０￣１９
∗基金项目:陕西省住房城乡建设科技科研开发计划资助项目 高品质
绿色低碳建筑关键技术研究与应用 (２０２１－Ｋ３０)ꎻ中建西北院科研㊁业务建设计划项目 剧场类项目低碳化设计方法研究 基于低碳化设计的开元剧场示范工程 (编号:ＮＢ－２０２１－ＪＺ－０２)
绿化墙体对建筑周边环境及能耗影响研究进展∗
赵㊀民１ꎬ２әꎬ㊀岳万年１ꎬ㊀张成刚２ꎬ㊀薛㊀洁２
(１.西安建筑科技大学ꎬ西安㊀７１００５５ꎻ２.中国建筑西北设计研究院有限公司ꎬ西安㊀７１００１８)摘要:㊀绿化墙体作为绿色建筑领域的一种节能技术ꎬ近些年来其相关研究不断增加ꎮ针对近十年绿
化墙体的研究进展ꎬ梳理了绿化墙体的相关构成及特征ꎬ分析了绿化墙体技术对建筑局部微环境的影响ꎬ包括对夏季和冬季建筑室内外温度的影响㊁建筑室内外空气相对湿度的影响㊁建筑外部局部风速的影响ꎬ以及建筑物周围空气环境质量上的影响ꎮ总结了不同气候区域和不同朝向条件下绿化墙体技术对于建筑围护结构传热量的削弱和对空调能耗的节能效果ꎻ对绿化墙体技术的发展方向进行了展望ꎬ指出后续研究应重点关注不同气候区域以及绿化墙体作用下的冷热负荷计算方法修正等方向ꎮ
关键词:㊀绿化墙体ꎻ㊀热环境ꎻ㊀风速ꎻ㊀空气质量ꎻ㊀建筑能耗
中图分类号:㊀ＴＵ１１１ ４㊀㊀㊀文献标志码:㊀Ａ㊀㊀㊀文章编号:㊀２０９６￣９４２２(２０２３)１０￣００７１￣０８
ＩｍｐａｃｔｏｆＧｒｅｅｎＷａｌｌｓｏｎＳｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＥｎｅｒｇｙ
Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ:ＡＲｅｖｉｅｗ
ＺＨＡＯＭｉｎ１ꎬ２ꎬＹＵＥＷａｎｎｉａｎ１ꎬＺＨＡＮＧＣｈｅｎｇｇａｎｇ２ꎬＸＵＥＪｉｅ２
(１.Ｘｉ ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉ ａｎ７１００５５ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＣｈｉｎａＮｏｒｔｈｗｅｓｔＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＸｉ ａｎ７１００１８ꎬＣｈｉｎａ)
㊀㊀Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＡｓａｎｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＧｒｅｅｎＢｕｉｌｄｉｎｇｆｉｅｌｄꎬｇｒｅｅｎｗａｌｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ.Ｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｇｒｅｅｎｗａｌｌｓｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄꎬａｓｗｅｌｌａｓｉｔｓｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ.Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｃｌｕｄｉｎｇｉｎｓｉｄｅａｎｄｏｕｔｓｉｄｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｉｔｓａｉｒｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙꎬｏｕｔｓｉｄｅａｉｒｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｍｂｉｅｎｔａｉｒｑｕａｌｉｔｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｇｒｅｅｎｗａｌｌｓｃａｎｂｅｅｘｐｌｏｉｔｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｈｅａｔｇａｉｎｆｏｒｂｕｉｌｄｉｎｇｅｎｖｅｌｏｐｅｓａｎｄｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｆｏｒａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｌｉｍａｔｅｒｅｇｉｏｎｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇ.Ｍｏｒｅｏｖｅｒꎬｉｔａｌｓｏｐｒｏｓｐｅｃｔｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｇｒｅｅｎｗａｌｌｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅꎬａｎｄｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｈｏｕｌｄｆｏｃｕｓｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｌｉｍａｔｅｒｅｇｉｏｎｓａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｇｒｅｅｎｗａｌｌｓｉｎｃｏｏｌｉｎｇａｎｄｈｅａｔｉｎｇｌｏａｄ.
㊀㊀Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇｒｅｅｎｗａｌｌｓꎻｔｈｅｒｍａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎻａｉｒｖｅｌｏｃｉｔｙꎻａｉｒｑｕａｌｉｔｙꎻｂｕｉｌｄｉｎｇｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ
０　引言
力争实现２０３０年 碳达峰 和２０６０年 碳中和
目标ꎬ是我国低碳发展的明确时间表[１]ꎮ建筑部门消耗了大量的能源[１ꎬ２]ꎬ数据显示建筑能耗占全社会总
能耗约３７％[２]ꎮ因而降低城镇化过程中的建筑能耗[３－５]ꎬ尤其是降低建筑运行过程中的能耗成为减少碳排放㊁快速达成 双碳 目标的关键问题[６－９]ꎮ
建筑运行能耗主要来源于采暖㊁空调㊁照明等方
面[１０ꎬ１１]ꎬ其中暖通空调系统占据能源消耗的５０％~
７０％[１２]ꎮ目前城镇各类建筑中围护结构仍然存在保温隔热材料性能不过关[１３－１５]㊁建筑冷热桥[１６]㊁冷热量渗透[１０ꎬ１７]等问题ꎬ同时城镇的公共建筑常采用钢结构
玻璃幕墙作为其外墙装饰形式[１８]ꎬ使得建筑围护结构的负荷逐步攀升ꎬ进而增大空调负荷ꎬ增加建筑运
１
７
赵民ꎬ等:绿化墙体对建筑周边环境及能耗影响研究进展
行能耗和碳排放量[１９]ꎮ当下在建筑墙体和屋顶种植绿化植被的立体绿化技术逐渐成为降低运行能耗研究重点之一[２０－２３]ꎮ
自２０世纪以来[２４]ꎬ立体绿化技术就应用在城镇建筑中ꎬ此后的相关研究逐渐发现了植被对城市及建筑内外环境的重要影响[２５－３０]ꎬ研究人员对立体绿化技术的关注度也逐渐上升[８ꎬ３１ꎬ３２]ꎮ研究表明ꎬ在墙体表面或屋面种植植物的立体绿化技术在降低建筑内外表面温度[３３－３８]㊁室内空气温度[３９－４１]ꎬ进而综合改善室内热湿环境[４２－４５]ꎬ提高人体热舒适[２３ꎬ３８]ꎬ减缓建筑外部风速[４６－４８]ꎬ增加周围环境空气相对湿度并与城市绿地系统相互配合改善环境空气质量[３３ꎬ４５ꎬ４６ꎬ４９－５２]ꎬ降低建筑的运行能耗[３３ꎬ３６ꎬ３９]ꎬ减缓城市热岛效应上具有重要作用[７ꎬ３１]ꎮ本文旨在对当前的建筑立体绿化中的绿化墙体技术进行综述ꎬ简要介绍了它们的主要分类特征㊁涉及的技术ꎬ重点汇总了绿化墙体技术对建筑内外环境的影响ꎬ梳理了研究过程中有关绿化墙体的实验测试和模拟结果ꎮ
１　绿化墙体分类与特征
绿化墙体分为绿化立面和绿化活墙两类[５３－５５]ꎮ(１)绿化立面是指植物扎根于地面ꎬ通过攀爬建筑墙体从而覆盖在墙体表面的立体绿化形式[４ꎬ５６－５８]ꎮ根据植物直接攀爬在建筑外壁面或攀爬在壁面外部固定支架的方式ꎬ而分为直接式绿化立面和间接式绿化立面[６ꎬ４９ꎬ５４]ꎮ
(２)绿化活墙需要植物直接生长在固定于墙体上垂直方向的生长基质内ꎬ因此要进行固定支架㊁面板槽的设计安装并将其固定在墙体表面后ꎬ再向板槽内填充生长基质ꎬ生长基质可以为营养液㊁土壤等介质ꎬ并不要求完全采用土壤填充ꎬ而后种植适合当地气候的绿色植物[６ꎬ５７ꎬ５９－６１]ꎬ绿化活墙根据其生长基质容器的大小和整体性划分为连续式活墙和模块式活墙[４ꎬ３０ꎬ５６]ꎮ绿化墙体具体分类特征及图示如表１所示ꎮ
表１㊀绿化墙体分类及图示[４ꎬ６ꎬ２１ꎬ２７ꎬ６１]
Ｔａｂｌｅ１Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆｉｇｕｒｅｏｆｇｒｅｅｎｗａｌｌｓ[４ꎬ６ꎬ２１ꎬ２７ꎬ６１]
序号类型子分类墙体构成绿化图示
１绿化立面直接式绿化立面建筑墙体＋
攀爬植物间接式绿化立面
建筑墙体＋固定
支架＋
攀爬植物
２绿化活墙连续式活墙
建筑墙体＋固定支架＋连续式生
长基质槽＋
绿化植物
模块式活墙
建筑墙体＋固定支架＋模块
式生长基质槽＋
绿化植物
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ＺＨＡＯＭｉｎꎬｅｔａｌ.ＩｍｐａｃｔｏｆＧｒｅｅｎＷａｌｌｓｏｎＳｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＥｎｅｒｇｙＣｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ:ＡＲｅｖｉｅｗ
２　绿化墙体对周围环境的影响
在夏冬两季城镇建筑中采用绿化墙体对于建筑
围护结构的热性能和城市环境具有重要影响[６２]ꎮ如图１㊁２所示ꎬ典型直接式绿化立面相较于普通墙体增加了一层绿化层ꎬ由于绿化遮阳㊁绿化蒸腾散热及绿化层热阻隔热作用可削弱墙体得热量ꎬ也可降低掠过墙体表面的风速ꎬ并通过植物叶片吸附空气悬浮颗粒物改善周围环境空气质量ꎮ绿化墙体对温度㊁
相对湿
图１㊀直接式绿化立面对周围环境影响示意图
Ｆｉｇ １Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｒｅｃｔｇｒｅｅｎｆａçａｄｅｓｏｎｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
度㊁风速以及空气环境质量的影响机理如表２所示ꎮ同时在研究过程中ꎬ季节变化㊁地域条件㊁气候条件等因素对于研究结果会产生重要影响ꎬ国内外研究人员在典型的季节变化㊁不同地域及不同气候条件下从立体绿化对建筑内外降温增湿㊁调节建筑外部周围风速和改进建筑周围环境空气质量角度出发进行了一系列研究ꎬ有关地域㊁季节变化和气候条件的信息汇总如表３所示
ꎮ
图２㊀普通墙体对周围环境影响示意图
Ｆｉｇ ２Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂａｒｅｗａｌｌｓｏｎｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
表２㊀绿化墙体对不同环境参数的影响方式
Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｇｒｅｅｎｗａｌｌｓｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
环境参数影响方式㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
温度通过遮阳㊁蒸腾散热降低墙体壁面温度和室内空气温度相对湿度植物的蒸腾蒸发呼吸作用增加建筑外壁面空气的相对湿度风速通过植物叶片阻挡流向墙体壁面的气流速度ꎬ降低到达壁面的风速空气质量
通过植物叶片吸附空气悬浮颗粒物净化空气
表３㊀研究季节㊁地域及气候
Ｔａｂｌｅ３Ｓｕｍｍｅｒｙｏｆｓｔｕｄｉｅｓｏｎｓｅａｓｏｎｓꎬｃｌｉｍａｔｅｓａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎｓ
研究人员研究季节地域气候ＧｕｏＹｕｑｉｕ[７]全年中国深圳亚热带季风气候ＸｉｎｇＱｉｎｇｗｅｉ[９]
冬季中国湘潭亚热带季风气候ＺｈａｎｇＬｅｉ[１９]
夏季中国广州亚热带季风气候周赛华
[２０]
夏季中国广州亚热带季风气候ＤｊｅｄｊｉｇＲａｂａｈ[２２]夏季㊁冬季法国拉罗谢尔温带海洋气候ＦａｃｈｉｎｅｌｌｏＫｒｅｂｓ
[２３]夏季巴西阿雷格里港
亚热带季风气候ＨｏｙａｎｏＡｋｉｒａ[２４]夏季日本福冈亚热带季风气候ＦａｂｉａｎａＣｏｎｖｅｒｔｉｎｏ
[２８]
夏季意大利巴里地中海气候ＣｈｅｎＱｉｕｙｕ[３３]
夏季㊁冬季中国武汉亚热带季风气候ＪｉｍＣ Ｙ
[３４]
夏季中国香港亚热带季风气候ＩｒｉｎａＳｕｓｏｒｏｖａ
[３６ꎬ４７]
夏季美国芝加哥温带大陆性气候陈宇[３８]夏季中国南京亚热带季风气候ＵｇｏＭａｚｚａｌｉ
[３９]
夏季中国北京温带季风气候ＸｉｎｇＺｈｅｎｇ[４０]夏季
中国重庆亚热带季风气候ＲｏｓｓＷ Ｆ Ｃａｍｅｒｏｎ
[４１]夏季英国雷丁温带海洋气候ＧａｂｒｉｅｌＰéｒｅｚ[４２]夏季西班牙莱利达地中海气候ＨｅＹａｎｇ
[４３]
夏季
中国上海
亚热带季风气候
３
７
赵民ꎬ等:绿化墙体对建筑周边环境及能耗影响研究进展
表３㊀研究季节㊁地域及气候(续表)
Ｔａｂｌｅ３Ｓｕｍｍｅｒｙｏｆｓｔｕｄｉｅｓｏｎｓｅａｓｏｎｓꎬｃｌｉｍａｔｅｓａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎｓ
研究人员
研究季节地域气候Ｍａｒｉｅ－ＴｈｅｒｅｓｅＨｏｅｌｓｃｈｅｒ[４５]
夏季德国柏林温带海洋气候ＰｏｄｄａｒＳｉｎｃｈｉｔａ[４８]
全年韩国大田温带季风气候ＯｔｔｅｌｅＭａｒｃ[４９]夏季㊁冬季荷兰代尔夫特温带海洋气候Ｋ.Ｊ.Ｋｏｎｔｏｌｅｏｎ[５３]
夏季希腊塞萨洛尼基地中海气候付颖坤[６１]
夏季中国石家庄温带大陆性季风气候
ＩｌｅａｎａＢｌａｎｃｏ
[６３]
夏季意大利巴里地中海气候ＭｏｓｔａｆａＲａｚｚａｇｈｍａｎｅｓｈ[６４]
夏季㊁冬季澳大利亚阿德莱德
地中海气候ＲａｔｉｈＷｉｄｉａｓｔｕｔｉ[６５]
雨季印度爪哇热带季风气候ＬｉＣｕｉｍｉｎｇ[６６]夏季中国苏州亚热带季风气候ＣｏｍａＪｕｌｉａ[６７]夏季㊁冬季西班牙莱利达地中海气候林瀚坤[６８ꎬ６９]
夏季中国广州亚热带季风气候ＣｏｍａＪｕｌｉａ[７０]夏季㊁冬季西班牙加泰罗尼亚
地中海气候Ｍｏｈａｍｅｄ－ＡｍｉｎｅＫｅｎａｉ[７１]
夏季
法国里尔
温带海洋气候
２ １㊀温度影响
不同地区的季节条件是研究绿化墙体对温度影响的重要因素ꎬ如图３所示ꎬ现有研究以夏季或典型的炎热季节天气条件为主ꎬ探究绿化墙体对房间内外空气及壁面温度的影响
ꎮ
图３㊀２０１０－２０２２年检索文献中研究季节分布Ｆｉｇ ３Ｔｈｅｓｅａｓｏｎｓｏｆｃｏｎｄｕｃｔｓｔｕｄｉｅｓｆｒｏｍ２０１０ｔｏ２０２２
２ １ １㊀夏季绿化墙体的温度影响
白天绿化墙体主要通过自身的遮阳和蒸腾效应来降低夏季建筑墙体内外表面温度和室内空气温度ꎮＢｌａｎｃｏ等人在地中海气候下意大利巴里地区进行的一项绿化立面对照实验中分析了迎春花和茉莉对建筑墙体的降温作用后ꎬ发现在夏季白天相对于无绿化墙体表面降温幅度高达５~７ħ[６ꎬ６３]ꎮＭｏｓｔａｆａ等人在地中海气候下澳大利亚阿德莱德对绿化活墙进行的一项对照实验发现ꎬ绿化活墙内外表面温度均低于无绿化的墙体[６４]ꎮＷｉｄｉａｓｔｕｔｉ等人研究了热带季风气候下印度爪哇地区的绿化立面后发现ꎬ相较于无绿化的墙体ꎬ绿化表面温度可降低１ ８~７ ８ħ不等[６５]ꎮＣｈｅｎ在亚热带季风气候下对中国武汉所做的一项绿化活墙实验中发现ꎬ白天绿化活墙房间室温比对照房
间室温最高可降低１ １ħ[３３ꎬ７２]ꎮ
在对周围环境空气温度的影响上ꎬ研究发现绿化
在降低墙体外表面温度的同时也能改变周围环境空气温度ꎮＨｏｅｌｓｃｈｅｒ等人在温带海洋气候下德国柏林的一项有关绿化立面对比实验中指出绿化对墙体周围环境空气温度的影响与无绿化墙体最大相差
０ ２ħ[４５]ꎮＺｈａｎｇ等人在亚热带季风气候下中国广州进行的一项绿化实验发现由于绿化墙体的遮阳和蒸腾作用ꎬ墙体周围空气的湿黑球温度峰值可降低达２ ７ħ[１９]ꎮＬｉ等人在亚热带季风气候下中国苏州的研究同样发现尽管距离叶片５ｃｍ上方的环境空气温度能够明显降低ꎬ但距离叶片１５ｃｍ上方的温度变化并不明显ꎬ这表明绿化对周围环境小气候的影响非常有限[６６]ꎮ
在夏季夜晚室内热环境会因为绿化覆盖在墙体
表面导致热量无法释放ꎬ室内温度居高不下ꎮＨｏｅｌｓｃｈｅｒ等人的研究表明ꎬ中午时绿化墙体前的温度
低于裸露墙体的温度ꎬ而夜间相反ꎬ绿化墙体由于绿化的覆盖阻碍了热量的外溢ꎬ从而导致绿化墙体温度高于裸露墙体温度[４５]ꎮ尽管绿化墙体技术能够减少白天围护结构得热量ꎬ但在夏季夜晚由于绿化的保温
作用ꎬ建筑内部成为集中热源ꎬ热量难以散发ꎮ２ １ ２㊀冬季绿化墙体的温度影响
在地中海气候㊁亚热带季风气候以及温带海洋气候区域内ꎬ研究选取的绿化植被可以在冬季寒冷天气条件下正常保持覆盖在墙体外表面ꎬ同时冬季室外空气温度低于室内温度ꎬ热流密度方向由室内到室外ꎬ热量向外溢出ꎬ绿化植被可以充当隔热层来阻隔室内热量外泄ꎬ但白天也会阻挡建筑对太阳辐射的吸收ꎮＣｏｍａ等人在地中海气候下西班牙莱利达的研究中指出冬季白天无绿化的对照房间壁面温度比绿化房间高出０ ７~２ ２ħ不等ꎬ但同时发现夜间绿化墙体外壁面温降２ ２ħꎬ而对照无绿化壁面温降为３ ４ħꎬ这说明绿化可以通过隔热保持房间的温度[６７]ꎮＤｊｅｄｊｉｇ等人在温带海洋气候下法国洛林的实验表明夜间绿化墙体壁面相比无绿化墙体壁面温度高出３~５ħꎬ而白天温差并不明显[７３]ꎮ
４
７
ＺＨＡＯＭｉｎꎬｅｔａｌ.ＩｍｐａｃｔｏｆＧｒｅｅｎＷａｌｌｓｏｎＳｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＥｎｅｒｇｙＣｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ:ＡＲｅｖｉｅｗ
总之ꎬ季节变化作为研究立体绿化降温的重要变
量ꎬ决定了绿化墙体技术的使用ꎬ有关研究人员对季
节或时间区间的选取部分汇总如表３及图３所示ꎮ２ ２㊀相对湿度影响
受植物自身叶片蒸腾以及绿化活墙生长基质的
水分蒸发影响ꎬ建筑墙体周围空气相对湿度会随着以
上两种作用逐步增加ꎮＷｉｄｉａｓｔｕｔｉ等人在印度爪哇的
研究表明ꎬ绿化立面由于植物的蒸腾作用可使室内空
气相对湿度升高至７２ ５％ꎬ极有可能造成室内的人体
不适[６５]ꎮＬｉ等人在中国苏州的研究发现植物叶片下部的相对湿度相较于裸露墙体显著增加且其波动较
小ꎬ绿化立面可在较小距离内(不超过１５ｃｍ)影响叶
片上方的空气相对湿度[６６]ꎮ
此外有关绿化活墙的研究中也发现在墙体与土
壤基质之间空气层在引入自然通风时ꎬ其相对湿度降
低ꎬ绿化活墙的降温能力便会下降ꎬ反之则会上
升[３３]ꎮＯｔｔｅｌｅ等人测量了荷兰代尔夫特绿化活墙空气层后同样发现空气层的相对湿度在８５％~１００％之间[４９]ꎬ研究人员认为这与绿化活墙生长基质层的含水量有关ꎮＰéｒｅｚ等人通过对西班牙莱利达双层绿化立面的中间空气层进行温度和相对湿度的测量证实ꎬ在空气层可以创造一种小气候ꎬ其特点是相较于周围环境空气而言ꎬ温度低且相对湿度较高[４６]ꎮＳｕｓｏｒｏｖａ等人在美国芝加哥地区的研究发现绿化层在立面附近创造了较为温和的局部小气候ꎬ附近气温比裸露立面低０ ８~２ １ħꎬ相对湿度比裸露立面高２％~４％ꎬ尽管植物层在墙壁附近创造了更好的相对湿度ꎬ但裸露立面和绿化立面的绝对湿度比率实际上是相似的[４７]ꎮ
２ ３㊀室外风速影响
通过在建筑墙体外部覆盖绿化ꎬ植物叶片根茎及
绿化活墙类的固定支架等方式可对建筑外表面来流
的空气起到一定的缓冲作用ꎬ进而有效降低掠过建筑
外部的风速ꎮＰéｒｅｚ等人的研究中认为双层绿化立面
的空气层创造出一种温度低㊁湿度高的小气候环境ꎬ
间接反映了绿化的挡风作用ꎬ同时还显示了植物的蒸
腾作用效果[４６]ꎮＳｕｓｏｒｏｖａ等人通过直接测量墙体立面周围的风速ꎬ结果表明绿化立面附近的平均风速分别比东墙和西墙的裸露立面低４２％~４３％ꎬ南墙降低１８％[４７]ꎮ林瀚坤等人做了关于廊道方面的绿化模拟研究发现对于覆盖率为５０％的绿化模型ꎬ在绿化表面前后１ｍ范围内对风速可以产生较大的削减作用ꎻ而对于１００％覆盖的模型中ꎬ其表面风速可接近于０ｍ/ｓ[６８ꎬ６９]ꎮ
２ ４㊀周围环境空气质量影响
立体绿化在吸收和吸附空气中的微小颗粒及粉尘上与城市绿地系统有着近似的作用ꎬ植物的叶片表面可以吸附周围空气悬浮颗粒物ꎬ改善空气环境质量ꎮＷｅｅｒａｋｋｏｄｙ等人研究了英国特伦特河畔的绿化活墙系统ꎬ发现绿化活墙植物具有很好除去大气悬浮颗粒ＰＭ２.５和ＰＭ１０的潜力ꎬ其中小叶植物吸附颗粒的能力要强于大叶植物[５１]ꎮＳｈｉ等人在中国北京对１４种植物叶片颗粒物称重表明ꎬ叶片可吸附粒径小于１μｍ和１~２ ５μｍ的颗粒物为总颗粒物粒径分布的
５２ ９％和２５％ꎬ同时有２４％的颗粒物被吸附于叶片背面[５２]ꎮ而Ｙｓｅｂａｅｒｔ等人的一篇研究综述表明植物在宏观和微观环境上均具有吸附颗粒物降低ＰＭ值的作用ꎬ但同时需要指出的是不同植物种类吸附ＰＭ的能力不同ꎬ因此需要研究确定植物种类捕获ＰＭ颗粒物能力的差异[７４]ꎮ然而Ｐａｕｌｌ等人在悉尼对１２面绿化墙体和普通墙体ＰＭ值６个月的测量后发现ꎬ绿化墙体和普通墙体周围空气的ＰＭ值浓度并没有明显的差异[７５]ꎮ总的来说ꎬ绿化墙体的植物能否明显吸收和吸附空气悬浮颗粒物ꎬ应当从植物学角度对植物类型进行甄别分析ꎬ进而选取吸附能力较强的植物作为绿化植被ꎮ
３㊀对建筑能耗的影响
绿化墙体降低建筑室内外壁面温度及空气温湿度的根本原因在于通过遮阳和蒸腾耗散作用削弱了围护结构的得热量ꎬ降低通过墙壁体的热流密度ꎬ进而降低了建筑物的供冷负荷ꎬ减少了空调的耗电量和建筑运行能耗[７６]ꎮ
３ １㊀不同气候下绿化墙体的节能影响
气候区域决定了建筑得热量的大小ꎬ进而决定了全年建筑的运行能耗ꎮ不同气候下的绿化墙体对建筑节能量的研究结果也不相同ꎬ通过削弱得热降温有助于降低暖通空调系统能耗ꎬ其能耗大小一般按照耗电量及热流密度来计算ꎮＺｈａｎｇ等人在亚热带季风气候下连续两个典型夏季日的测量后发现ꎬ无绿化墙体房间比绿化墙体房间下午耗电量高出２９ ５％ꎬ而在正午前的两个小时内ꎬ其耗电量差异只有１７ １％[１９]ꎮ付颖坤在温带季风气候下研究夏季绿化活墙的节能效果时发现ꎬ测试期间绿化活墙房间可比对照房间平均每日节约１９ １５％的电量[６１]ꎮＣｏｍａ等人在地中海气候下通过研究夏季绿化立面和绿化活墙的热行为发现相比于无绿化墙体房间的夏季空调耗电量ꎬ绿化活墙节能率可以达到５８ ９％ꎬ绿化立面可以达到３３ ８％ꎻ同时还发现太阳辐射照度越强ꎬ绿化墙体的节能潜力越大ꎬ每接受１ｋＷ ｈ的太阳辐射ꎬ绿化活墙和绿化立面房间相较于对照房间空调耗电量分别减少２３ ４％和１９ ４％[７０]ꎮＢｌａｎｃｏ等人同样在地中海气候
５７
赵民ꎬ等:绿化墙体对建筑周边环境及能耗影响研究进展
下的夏季研究中发现在考虑了所有的换热机理后ꎬ与
普通墙体相比ꎬ绿化墙体的总体接受太阳辐射密度显
著降低ꎬ平均减小了６２％ꎬ在太阳辐射吸收中也比裸
露墙体平均低８６％[６３]ꎮＫｅｎａｉ在ＴＲＮＳＹＳ软件中开发了一个二层平屋顶实心砖墙建筑模型ꎬ模拟温带海
洋气候下绿化的存在可以有效保护立面过热的影响ꎬ
相较于无绿化墙体模型可节省８５ ６％的空调能耗[７１]ꎮＳｕｓｏｒｏｖａ在温带大陆性气候下的研究模型计算中发现ꎬ假定ＬＡＩ(ＬｅａｆＡｒｅａＩｎｄｅｘ叶面积指数ꎬ等于叶片总面积与所占壁面面积之比)为２ꎬ叶片温度变化在０ ７~１２ ３ħ时ꎬ绿化墙体的热流密度可降低２~３１Ｗ/ｍ２不等[３６]ꎮ有关不同气候及地域的研究统计见表３及图
４ꎮ
图４㊀２０１０－２０２２年检索文献中研究气候区域分布
Ｆｉｇ ４Ｔｈｅｃｌｉｍａｔｉｃｒｅｇｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｓｔｕｄｉｅｓｆｒｏｍ２０１０ｔｏ２０２２３ ２㊀不同朝向对立体绿化的节能影响
不同朝向的建筑墙体接受太阳辐射和得热量不同ꎬ研究人员通过不同朝向绿化墙体引起的负荷及壁面温度变化情况间接反映能耗变化规律ꎮＳｕｓｏｒｏｖａ等人研究了美国芝加哥不同朝向植被覆盖的墙体后发现ꎬ相较于无绿化的墙体ꎬ东墙的热流密度平均降低了１６％ꎬ西墙热流密度平均降低１１％ꎬ北墙热流密度平均降低１４％[４７]ꎮＰｅｒｅｚ等人在西班牙莱利达夏季的研究也表明绿化立面能够提供的节能效果取决于朝向ꎬ东向双层绿化立面可以拦截上午太阳辐射的巨大影响ꎬ建筑表面温度可降低１５ħꎬ南向墙体峰值温度降幅达１６ħꎬ而西向双层绿化立面的温度降幅达１６ ４ħ[４１]ꎮＫｏｎｔｏｌｅｏｎ等人的研究表明ꎬ北向墙体覆盖绿化层仅能够平均降低４ ６８％的空调冷负荷ꎬ而东向墙体则会平均降低１８ １７％的冷负荷ꎬ南向墙体平均降低７ ６％ꎬ而 西晒 最严重的西向墙体使平均冷负荷降低２０ ０８％[５３]ꎮ此外ꎬＣｏｍａ等人在西班牙加泰罗尼亚的研究表明对比无绿化墙体ꎬ冬季南向活墙表面温度最高可提高１６ ５ħꎬ东西两表面可分别提高４ ５ħ和６ ５ħ[７０]ꎮ
４㊀结论与展望
４ １㊀目前文献的主要研究结论
绿化墙体技术作为一种被动式节能技术在建筑降温节能方面有着天然的优势ꎬ本文通过对文献的梳理和总结可以得到目前绿化墙体的主要研究结论:
(１)气候条件是影响绿化墙体应用研究的重要因素ꎬ现有的研究主要集中在欧洲的地中海气候区和亚洲的亚热带季风气候区ꎻ
(２)利用植被的遮阳和蒸腾作用ꎬ使得建筑夏季的内外表面温度得到不同程度的下降ꎬ并影响到建筑的室内空气温度ꎻ
(３)绿化墙体因其呼吸和蒸腾作用会增加植被叶片周围空气相对湿度ꎬ一定程度地改善了建筑周边环境相对的湿度ꎻ
(４)绿化墙体具有调节建筑外壁面风速的作用ꎬ通过降低风速从而降低了自然对流换热强度ꎬ减少了室内外的换热量ꎻ
(５)绿化墙体植被因其自身的呼吸和光合作用可吸附固碳ꎬ降低碳排放并能够吸附固体颗粒物ꎬ与城市绿地系统相结合而改善建筑周围空气质量ꎻ(６)绿化墙体植被通过遮挡太阳辐射ꎬ蒸发吸收墙体周围热量ꎬ可明显降低外墙的热流密度ꎬ减少室内得热量ꎬ降低空调运行能耗ꎮ
４ ２㊀目前研究中存在的问题及研究展望(１)目前在我国北方ꎬ如暖温带和中温带的半湿润㊁半干旱以及干旱气候区夏季炎热天气条件下的绿化墙体降温节能问题仍有待进一步开展研究ꎻ(２)目前相关研究较多的关注了绿化墙体对于建筑内外壁面温度的影响变化ꎬ而较少关注对室内空气温度及室内平均辐射温度变化的分析研究ꎮ将空气温度及室内平均辐射温度作为重点研究参数ꎬ并结合人体热舒适参数ꎬ如ＰＭＶ㊁ＰＰＤ等ꎬ研究绿化墙体降温对建筑使用过程带来的舒适性是进一步研究的重点问题之一ꎻ
(３)目前绿化墙体的研究大多采用实验研究方法ꎬ研究是针对于各自的气候条件得到相应结论ꎬ个性化过强ꎬ不同地区研究结果差异性较大ꎮ将植被蒸腾作用ꎬ结合热环境以及能耗模拟建立数学模型ꎬ对绿化墙体传热行为进行量化研究是进一步研究的重点问题之一ꎻ
(４)目前研究视角仍然停留在对不同气候区绿化墙体降温节能的优势研究上ꎬ如何将不同气候区绿化墙体的遮阳作用ꎬ转化为对墙体冷热负荷计算方法的修正ꎬ是未来工程应用需要解决的重点问题之一ꎮ
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ә作者简介(通讯作者):赵民(１９７２)ꎬ男ꎬ山东诸城人ꎬ供热通风与空气调节专业ꎬ博士ꎬ教授级高级工程师ꎬ研究方向:建筑节能㊁可再生能源利用(５１３１５９８８７＠ｑｑ.ｃｏｍ)ꎮ
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