松蘿鳳梨植物窗簾輻射特性

王 芳 譚俊杰 張小松

(1南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京210094)

(2東南大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，南京210096)

松蘿鳳梨，拉丁學(xué)名 Tillandsia usneoides(Spanish moss)，是鳳梨科、鐵蘭屬多年生氣生或附生草本植物.由于松蘿鳳梨具有較為強(qiáng)大的從空氣汲取水分和礦物質(zhì)養(yǎng)分的能力，因此也可同時(shí)吸收空氣中的有機(jī)污染物及重金屬等，從而可作為有效檢測環(huán)境變化的“指示生物”和去除大氣污染的修復(fù)植物［1］.Benz 等［2］對鳳梨類植物研究結(jié)果表明，雖然鳳梨類植物葉片表面被鱗片所覆蓋，但并未因此阻礙其二氧化碳吸收功能，對氣體吸收通路無明顯阻擋，對植物的水分散發(fā)亦沒有明顯的減少作用.Haslam等［3］通過對松蘿鳳梨的生理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，水分可以促進(jìn)松蘿鳳梨對CO2的吸收，并有助于促進(jìn)植物的光合作用，提高其羥化能力，維持植物的碳氧平衡.

除了以上松蘿鳳梨作為大氣污染指示生物、松蘿鳳梨生理機(jī)能及代謝等作用之外，松蘿鳳梨還可作為特殊的建筑保溫材料，但并無相關(guān)深入研究.本文結(jié)合松蘿鳳梨植物的優(yōu)點(diǎn)，提出一種松蘿鳳梨植物窗簾方案，并對其應(yīng)用形式及輻射特性進(jìn)行了研究.

1 松蘿鳳梨植物窗簾

在長期的進(jìn)化過程中，松蘿鳳梨與空氣鳳梨一樣，已不再像絕大多數(shù)植物要靠根系吸收養(yǎng)分和水，也沒有其他普通鳳梨所需要的那種貯水槽，而是依靠自身葉面上的保衛(wèi)細(xì)胞，即密布的銀白色鱗片來生長.從圖1的掃描電鏡圖片中可清晰看到松蘿鳳梨表面密披的這些葵花形鱗片，可根據(jù)大氣濕度的大小機(jī)械地變形為扁平狀，從大氣中有效地捕捉雨霧，將水分傳輸?shù)轿挥诨康奈?xì)胞.松蘿鳳梨根部已經(jīng)退化成木質(zhì)纖維，莖、葉已經(jīng)退化成線狀，全株灰綠色.

圖1 松蘿鳳梨表面葵花狀鱗片

松蘿鳳梨沒有任何需要固定在土壤中的根系，無需土壤即可生長，并且耐熱、耐寒、耐旱，四季常青，不易生蟲，易管理，可清洗，抗斷性能好，同時(shí)吸收二氧化碳，釋放氧氣，彌補(bǔ)了常規(guī)垂直綠化植物的各種不足.一串利用輔助線編織而成的線狀松蘿鳳梨植物窗簾就好比是普通織物窗簾的基本組成單元，根據(jù)需要，可編織成任意密度、任意尺寸、任意形狀的植物窗簾(見圖2(a))，并可以組成各種應(yīng)用形式:百葉簾、折疊簾等(見圖2(b))，還可以與常規(guī)遮陽材料相組合，形成諸如布藝植物遮陽簾等應(yīng)用形式(見圖2(c)).同時(shí)，常規(guī)窗簾操控系統(tǒng)均可應(yīng)用，使用便捷，可以根據(jù)天氣和人們的需求方便地進(jìn)行調(diào)節(jié).

松蘿鳳梨植物窗簾具有以下優(yōu)勢:

圖2 松蘿鳳梨植物窗簾

1)操控方便，疏密自如，應(yīng)用范圍廣.隨著氣候變化，可以方便地實(shí)現(xiàn)對松蘿鳳梨植物窗簾密度和造型的控制，擺脫了常規(guī)植物遮陽對室外生長環(huán)境的依賴和不可人為控制的缺點(diǎn)，且常規(guī)窗簾的控制方式均可應(yīng)用.由于松蘿鳳梨植物窗簾的疏密是可以人工控制的，而一定質(zhì)量的松蘿鳳梨和其葉面積指數(shù)(LAI)之間存在對應(yīng)關(guān)系，所以植物窗簾的特征參數(shù)常用植物窗簾密度βpc來描述.

2)植物窗簾，生態(tài)節(jié)能.植物窗簾不僅能夠遮擋太陽輻射，同時(shí)還能發(fā)揮植物的光合作用和蒸騰蒸散作用進(jìn)行隔熱，減少進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射，降低建筑物表面溫度，減少建筑物能耗，維持建筑物內(nèi)部和外部環(huán)境的碳氧平衡，緩解城市熱島效應(yīng)，生態(tài)環(huán)保效益顯著.

3)適應(yīng)力強(qiáng)，外形美觀.松蘿鳳梨可忍受較大的室外溫度波動(dòng)(－10～50℃)，即使受傷或被折斷亦能成長，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)力.松蘿鳳梨四季常青，用于幕墻建筑遮陽時(shí)，使整個(gè)建筑物呈現(xiàn)出一種生機(jī)勃勃的自然景象，尤其在蕭瑟寒冷的冬季，更能帶給人們清新和活力，有助于減輕人們的工作壓力，維護(hù)身體健康.

4)凈化空氣，降低噪聲.松蘿鳳梨植物葉片為多絨毛狀鱗片，能吸附大量的飄塵，降低噪聲，過濾和凈化空氣.按照每平方米植物葉面積24 h凈化空氣中的有害物質(zhì)計(jì)算，松蘿鳳梨植物對甲醛、苯、甲苯的降解率依次為97%，55%，59%.

5)無根無土，便于養(yǎng)護(hù).松蘿鳳梨無根無土，耐熱、耐寒、耐旱，只要掛起來就可以正常成長，且不易生蟲，只要注意通風(fēng)即可，在無雨水的條件下，每隔2～3 d定期澆水.

2 松蘿鳳梨葉片輻射特性

綠化植物的太陽輻射吸收率對分析和計(jì)算松蘿鳳梨植物窗簾綠化遮陽的可行性、隔熱效果以及對建筑熱工性能的改善有著重要的作用［4］.然而，目前學(xué)術(shù)界缺少對常用綠化植物輻射特性的研究，研究中涉及到綠化植物的輻射特性時(shí)一般取經(jīng)驗(yàn)值:太陽輻射吸收率為0.73～0.85，發(fā)射率為0.92～0.99［5］.這樣的取值雖然不至于引起大的誤差，但不同植物的輻射特性均有一定差異，如能準(zhǔn)確測試出松蘿鳳梨的輻射參數(shù)，必然更有利于準(zhǔn)確地分析和計(jì)算松蘿鳳梨植物窗簾的輻射特性.

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

考慮到單個(gè)松蘿鳳梨葉片寬度和厚度太小，用分光光度計(jì)無法測量其對太陽的輻射吸收率，因此，將松蘿鳳梨葉片緊密地拼接成單層平面.為避免拼接葉片時(shí)產(chǎn)生縫隙，選取紅花鶯歌鳳梨的葉片作為基質(zhì)，將松蘿鳳梨葉片拼接后粘貼于其上.本次實(shí)驗(yàn)共制作了2個(gè)松蘿鳳梨葉片平面樣本，以排除粘貼不到位等實(shí)驗(yàn)誤差的影響.利用Cary5000型分光光度計(jì)測量松蘿鳳梨葉片平面樣本對太陽輻射的反射率.

2.2 松蘿鳳梨葉片的輻射特性

由于太陽輻射主要集中在短波范圍內(nèi)，因此，用分光光度計(jì)測定松蘿鳳梨葉片的太陽輻射反射率時(shí)，掃描波長范圍選取為200～2 500 nm.圖3為試驗(yàn)測得的松蘿鳳梨葉片對太陽主要光譜范圍內(nèi)的光譜反射率圖譜，圖中標(biāo)注出了主要反射峰和吸收峰的波長及反射率.2個(gè)樣本的重合率較高，表明本次實(shí)驗(yàn)松蘿鳳梨葉片粘貼得很緊密，實(shí)驗(yàn)效果很好.

圖3 松蘿鳳梨葉片對太陽輻射的光譜反射率

鑒于松蘿鳳梨葉片較厚且為肉質(zhì)，可以認(rèn)為其葉片透射率τL=0.由圖3可以看出，松蘿鳳梨葉片對波長小于380 nm的紫外線反射率較小，吸收率在87%以上.在可見光波長范圍內(nèi)(380～760 nm)，在450和660 nm處各有一個(gè)吸收峰.這主要是由于綠色植物葉片中的葉綠素等色素在光照射下發(fā)生光合作用，在上述2個(gè)波長附近存在著強(qiáng)烈吸收的緣故［6］;在550 nm附近有一個(gè)小的反射峰，植物的“綠色”就是由這個(gè)反射峰所產(chǎn)生的.在近紅外波段(700～1 300 nm)，反射率較高，在880和1 070 nm附近分別出現(xiàn)了2個(gè)反射峰，最大反射率達(dá)到 77%.同時(shí)，在 970，1 190，1 450，1 940 nm處有4個(gè)較明顯的吸收峰，吸收率依次增大，這主要是由于葉片中的水及淀粉、蛋白質(zhì)等化合物中的O—H鍵和光相互作用的結(jié)果.事實(shí)上，在圖3的曲線上，存在更多的吸收峰，之所以未能完全顯示，主要是因?yàn)槲辗逄〉木壒?

可見光和近紅外輻射是太陽輻射能量最集中的部分.從圖3還可以看出，松蘿鳳梨葉片對可見光的吸收率較高，而對近紅外輻射的吸收率較低.這也可以從植物生理學(xué)的角度加以解釋:植物的光合作用主要依賴于紅橙光和藍(lán)紫光，因而需要盡可能多地加以吸收;而近紅外輻射對植物而言并無明顯的生理功用，大量吸收反而將導(dǎo)致葉片溫度過度升高，造成高溫脅迫，因此需要減少吸收［7］.

植物生理生態(tài)學(xué)的相關(guān)研究表明:在一般情況下，植物葉片可吸收多達(dá)97%的入射紫外線(300～400 nm);在光合有效輻射范圍內(nèi)(即可見光范圍內(nèi)，400～700 nm)的吸收率隨物種的不同而不同，吸收率主要與葉片內(nèi)色素的種類及含量有關(guān)，通常為85%左右;波長為700～1 300 nm的近紅外輻射主要通過反射和透射損失，植物吸收得較少;波長超過1 300 nm的遠(yuǎn)紅外輻射主要被葉片內(nèi)的水分吸收.近紅外輻射和遠(yuǎn)紅外輻射2部分紅外輻射共被吸收約50%［8］.從本次試驗(yàn)結(jié)果來看，松蘿鳳梨葉片對太陽輻射的光譜反射率與植物生理生態(tài)學(xué)的相關(guān)研究結(jié)果吻合較好，但是，松蘿鳳梨葉片在遠(yuǎn)紅外范圍內(nèi)的吸收率偏高.金仲輝［6］對葉片在中紅外波段的反射率與厚度為1 mm左右的水層吸收率之間的研究結(jié)果表明，葉片含水量對反射率曲線有明顯影響，且兩者成反比，隨著葉片含水量的減少，其反射光譜曲線升高，吸收率減弱.而松蘿鳳梨在中紅外波段反射率較低，主要是因?yàn)槿赓|(zhì)的松蘿鳳梨葉片較厚且含水較多，因此可以吸收大量的中紅外輻射.而淋水之后，也會使得松蘿鳳梨葉片含水量增多，加強(qiáng)其中紅外的吸收能力.

松蘿鳳梨葉片全波長范圍內(nèi)的太陽輻射反射率ρL可采用下式計(jì)算:

式中，ρL為全波長范圍內(nèi)松蘿鳳梨葉片對太陽輻射的反射率;ρL(λ)為松蘿鳳梨葉片對波長為λ的太陽輻射的光譜反射率;qλ(λ)為波長為λ時(shí)的太陽輻射強(qiáng)度.本文采取的實(shí)際積分上下限分別為2 500和200 nm.由于該范圍已經(jīng)集中了絕大部分的太陽輻射能量，因此積分限的縮小不會對結(jié)果造成明顯誤差.

計(jì)算結(jié)果為ρL=0.36～0.37，雖然葉片含水量變化對近紅外波段的反射率有一定的影響，但在植物正常生長時(shí)，含水量的波動(dòng)對全波長范圍內(nèi)的太陽輻射反射率的影響較小.為方便工程應(yīng)用，可以取ρL=0.36，由于葉片透射率近似為τL=0，因此葉片的太陽輻射吸收率αL=1－ρL=0.64.

3 松蘿鳳梨窗簾輻射特性

由于松蘿鳳梨葉片和由其編織而成的窗簾存在明顯的形態(tài)差異，不同密度的松蘿鳳梨窗簾其空間幾何形狀亦不一致，入射的太陽輻射和長波輻射以及植物本身的熱輻射都會在窗簾中經(jīng)過多次反射和吸收，因此不能簡單地將松蘿鳳梨葉片的輻射特性等效于松蘿鳳梨窗簾的輻射特性.如能建立起準(zhǔn)確反映不同密度的松蘿鳳梨窗簾與外界環(huán)境的輻射換熱模型，則可以通過葉片的輻射特性準(zhǔn)確計(jì)算出窗簾的輻射特性.但窗簾空間幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得建立準(zhǔn)確的物理模型困難太大，因此，只能通過實(shí)測和估算的方法推算出松蘿鳳梨窗簾的輻射特性.

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

當(dāng)松蘿鳳梨葉片編織成松蘿鳳梨窗簾之后，其葉片之間均存在一定的縫隙，在此情況下，其窗簾透射率再假設(shè)為0就不合理了，因此，有必要對不同密度植物窗簾的透射率進(jìn)行研究.具體測試方式是:在天空擴(kuò)散光條件下，將照度計(jì)(TES1332)的光接受器分別貼在植物窗簾的內(nèi)、外兩側(cè)，并使兩側(cè)的測點(diǎn)處于同一軸線上，分別讀出窗簾內(nèi)、外兩側(cè)的照度 Ei和 Eo，則窗簾的可見光透射率 τpc為［9］

3.2 植物窗簾的透射率

在天空擴(kuò)散光條件下，實(shí)驗(yàn)測得的不同密度松蘿鳳梨植物窗簾可見光透射率τpc如圖4所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著植物窗簾密度的增大，其透射率下降.由曲線擬合發(fā)現(xiàn)，植物窗簾可見光透射率τpc和植物窗簾密度βpc之間存在較好的指數(shù)擬合關(guān)系，即

式(3)擬合度較好.當(dāng)植物密度小于1 000 g/m2時(shí)，隨著植物密度的增大，窗簾可見光透射率τpc迅速降低.而當(dāng)窗簾密度大于1 000 g/m2后，隨著植物密度的增大，窗簾可見光透射率τpc下降速度緩慢，只有無限擴(kuò)大窗簾的密度，才能使透射率τpc趨近為0，所以，僅通過無限制增大窗簾的密度來降低透射率是不可取的.

圖4 不同植物窗簾密度的透射率

3.3 植物窗簾輻射特性計(jì)算模型

Myers［10］的研究表明，當(dāng)大葉片植物的葉片重疊時(shí)，其反射輻射特性在可見光部分幾乎不變，但在近紅外部分，與單層葉片相比，其反射率會增加.這主要是因?yàn)榻t外光線通過第一層葉片后，又被第二層葉片反射，而第二層葉片的反射光又透過第一層葉片，使近紅外區(qū)域反射增強(qiáng)約20%.而馮馳等［7］的研究表明，佛甲草草坪的太陽輻射吸收率為0.83，比佛甲草葉片的太陽輻射吸收率(0.68)增大了22%.考慮到松蘿鳳梨是多肉含水量較高的植物，所以其葉片透射率可近似為0，同時(shí)，其葉片較小，且在近紅外區(qū)域松蘿鳳梨葉片反射率已很高，編織成植物窗簾時(shí)，葉片雖有重疊，但沒有佛甲草草坪那樣的葉片密度.因此，綜合以上研究結(jié)果，提出一種新的估算松蘿鳳梨窗簾輻射特性的方法:以一定密度的植物窗簾的透射率τpc為已知條件(見式(3))，按照松蘿鳳梨植物窗簾的反射率與吸收率之比等于葉片的反射率與吸收率之比的原則，確定不同密度植物窗簾的反射率ρpc和吸收率αpc，具體計(jì)算式為

由此，式(3)～(5)即構(gòu)成了松蘿鳳梨植物窗簾輻射特性計(jì)算模型.在已知植物窗簾密度的條件下，即可推算出不同密度植物窗簾的太陽輻射吸收率、反射率、透射率等輻射特性參數(shù).這種計(jì)算模型建立起了松蘿鳳梨葉片輻射特性和松蘿鳳梨窗簾輻射特性之間的聯(lián)系，為松蘿鳳梨植物窗簾的熱工計(jì)算奠定了基礎(chǔ).但該模型是在現(xiàn)階段條件不許可的情況下提出的簡化計(jì)算方法，隨著研究條件的發(fā)展，有條件時(shí)應(yīng)對其作進(jìn)一步的修正.

4 分析與討論

馮馳等［7］曾測得屋頂綠化植物佛甲草葉片在全波長范圍內(nèi)對太陽輻射的反射率ρL為0.32;太陽輻射吸收率 αL為0.68.Gates等［11］曾用分光光度計(jì)測試過部分較大葉片的沙漠植物對太陽輻射的吸收率，發(fā)現(xiàn)沙漠植物葉片的太陽輻射吸收率在0.59～0.83之間.而現(xiàn)有一般研究取綠化植物的太陽輻射吸收率經(jīng)驗(yàn)值為0.73～0.85［8］.這說明松蘿鳳梨和佛甲草普遍比其他植物葉片的太陽輻射吸收率低，具有沙漠植物的輻射特征.同時(shí)，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明采用葉片拼接法使用分光光度計(jì)測量較小葉片的輻射特性是可行的.

對比松蘿鳳梨葉片和佛甲草葉片對太陽輻射的光譜反射率曲線可發(fā)現(xiàn)，在紫外線區(qū)域佛甲草葉片的吸收峰更明顯，吸收率達(dá)到95%以上，吸收率較高.而在可見光、近紅外線、中紅外線區(qū)域，松蘿鳳梨的反射率均比佛甲草葉片的反射率高，這可能是由于佛甲草葉片自身的含水率更高的緣故.總的來說，兩者趨勢基本相同，吸收峰和反射峰所對應(yīng)的波長較為接近，說明兩者的輻射特性較為接近.因此采用佛甲草葉片的輻射參數(shù)作為松蘿鳳梨葉片的近似值比取常規(guī)綠化植物輻射參數(shù)作為近似值更合理，且不會引起較大誤差.所以，可近似認(rèn)為松蘿鳳梨葉片的發(fā)射率與佛甲草葉片的發(fā)射率相等，取εL=0.83.將葉片近似為漫射灰體，則根據(jù)基爾霍夫定律，相同溫度下漫射灰體表面的吸收率等于其發(fā)射率，所以松蘿鳳梨葉片的長波輻射吸收率也可近似取為0.83.

5 結(jié)論

1)利用無根無土的松蘿鳳梨編織而成的植物窗簾操控便捷，是一種性能優(yōu)良的天然太陽輻射控制器.

2)松蘿鳳梨葉片的吸收率為0.64，反射率為0.36，透射率為0，發(fā)射率近似為0.83.

3)對松蘿鳳梨葉片輻射特性的研究結(jié)果表明，采用葉片拼接法測試較小葉片的輻射特性是可行的.

4)不同密度的松蘿鳳梨植物窗簾的吸收率、反射率、透射率由植物窗簾密度和松蘿鳳梨葉片輻射特性共同決定.

總的來說，松蘿鳳梨植物窗簾既具有植物遮陽的優(yōu)勢，又避免了常規(guī)垂直綠化遮陽的缺陷，打破了綠化遮陽應(yīng)用在建筑尤其是高層、幕墻建筑中的主要矛盾，滿足建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，具有廣泛的應(yīng)用前景.

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