重慶辦公建筑綠表皮系統(tǒng)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(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045；2山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

0 引言

隨著城市化的推進(jìn)，城市用地愈加緊張，高樓林立成為城市的常態(tài)，擴(kuò)大城市平面綠化面積的實(shí)施難度與日俱增，而垂直綠化在高層建筑中的應(yīng)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(jī)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(fēng)量；作為遮陽構(gòu)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(dǎo)[3]。

綠表皮系統(tǒng)[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(gòu)件的附壁牽引式垂直綠化[5]，這種形式對(duì)室內(nèi)采光影響較小，多應(yīng)用于玻璃幕墻辦公建筑[6]。對(duì)綠表皮系統(tǒng)熱工性能的研究有助于最大化利用其隔熱效果，促進(jìn)建筑的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 綠表皮系統(tǒng)

近年來，對(duì)于垂直綠化的研究呈逐步增加的趨勢(shì)（圖2），目前針對(duì)綠表皮系統(tǒng)調(diào)節(jié)熱性能的機(jī)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(guān)的遮陽、冷卻、保溫和屏障四個(gè)主要方面[7]。Kenneth Ip等［8］研究得到爬山虎植物遮陽系數(shù)數(shù)學(xué)關(guān)系式。施慧中等［6］研究表明夏季實(shí)測(cè)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(diào)能耗，同時(shí)可降低玻璃幕墻外表面溫度達(dá)5.2℃。陸世登等［9］實(shí)驗(yàn)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(huì)直接影響建筑室內(nèi)的熱舒適性及空調(diào)能耗。此外，植物作為建筑綠表皮系統(tǒng)的主體具有很強(qiáng)的地域性，其選取及構(gòu)造類型的選擇應(yīng)因地制宜。

圖2 發(fā)表年度趨勢(shì)（中國(guó)知網(wǎng)）

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(qū)的典型代表。因綠表皮系統(tǒng)在辦公建筑中應(yīng)用居多，故針對(duì)此氣候特征選取重慶某多層辦公樓，研究綠表皮系統(tǒng)對(duì)建筑遮陽、冷卻及周邊環(huán)境風(fēng)速的影響，探究重慶地區(qū)綠表皮系統(tǒng)對(duì)辦公建筑墻體隔熱性能的影響及其響應(yīng)機(jī)制。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象（圖3）位于重慶市沙坪壩區(qū)重慶大學(xué)某辦公樓七樓屋頂，場(chǎng)地坐北朝南，內(nèi)設(shè)空調(diào)，保證室內(nèi)溫度恒定為27.00℃，取南向?qū)?200mm、高3000mm的無窗墻壁作為綠化模塊的實(shí)墻體，據(jù)此設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)綠化模塊。

圖3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)景圖

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

各實(shí)驗(yàn)儀器及被測(cè)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器及被測(cè)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

選擇八月內(nèi)連晴天中7:00—23:00這一時(shí)間段進(jìn)行溫濕度、風(fēng)速及太陽輻照度測(cè)量，所有儀器在實(shí)驗(yàn)開始前進(jìn)行標(biāo)定，每30min記錄一次數(shù)據(jù)。同時(shí)，為減少實(shí)驗(yàn)?zāi)K相互熱傳遞，形成誤差，各個(gè)模塊相互距離間隔600mm。具體實(shí)驗(yàn)方法如表2所示。

表2 具體實(shí)驗(yàn)方法

2 結(jié)果及分析

2.1 綠表皮系統(tǒng)對(duì)熱環(huán)境的改善

以實(shí)驗(yàn)一綠表皮單元與傳統(tǒng)的百葉遮陽以及無綠化裸墻這一對(duì)比實(shí)驗(yàn)為例，討論綠表皮系統(tǒng)對(duì)建筑熱環(huán)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(nèi)外溫度值均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但綠表皮單元對(duì)溫度的削弱作用明顯大于傳統(tǒng)百葉：室外溫度最高可達(dá)39.42℃，在下午15時(shí)出現(xiàn)，而相對(duì)應(yīng)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(cè)定時(shí)間內(nèi)（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(shí)驗(yàn)一墻體外表面溫度曲線圖

圖10 實(shí)驗(yàn)一室內(nèi)溫度曲線圖

表3 百葉對(duì)比實(shí)驗(yàn)平均數(shù)據(jù)

綠表皮與百葉對(duì)風(fēng)速均有較明顯的減弱作用（圖11），但減弱程度與具體作用時(shí)間分布有所不同。室外風(fēng)速在測(cè)量時(shí)間內(nèi)波動(dòng)較大，在13時(shí)00分出現(xiàn)峰值，為1.69m/s；綠表皮單元的空氣間層風(fēng)速在14時(shí)出現(xiàn)峰值，為0.69m/s；百葉單元的空氣間層風(fēng)速在17時(shí)00分出現(xiàn)峰值，為1.18m/s。在測(cè)定時(shí)間內(nèi)（表3），室外平均風(fēng)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(duì)太陽輻照度的減弱作用上（圖12），由于采用的是與標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)一風(fēng)速曲線圖

圖12 實(shí)驗(yàn)一太陽輻射曲線圖

由以上數(shù)據(jù)可知，綠表皮單元對(duì)熱環(huán)境有一定的改善，在溫度、風(fēng)速、太陽輻照度方面均有一定的作用。相較于百葉來說，對(duì)溫度及風(fēng)速的阻隔作用明顯，但對(duì)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(duì)熱環(huán)境的影響

實(shí)驗(yàn)二通過改變綠表皮單元空氣間層的厚度，探究其對(duì)建筑熱環(huán)境改善的差異。測(cè)量時(shí)間內(nèi)，不同厚度空氣間層的室內(nèi)外溫度值變化趨勢(shì)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(dá)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(shí)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(shí)出現(xiàn)，分別為36.84℃和35.94℃。

表4 空氣間層對(duì)比實(shí)驗(yàn)平均數(shù)據(jù)

圖14 實(shí)驗(yàn)二室內(nèi)溫度曲線圖

在測(cè)量時(shí)間內(nèi)，風(fēng)速數(shù)據(jù)（圖15）上下波動(dòng)均較大，室外風(fēng)速在15時(shí)出現(xiàn)峰值，為1.03m/s；空氣間層內(nèi)部的測(cè)量值有相似的變化規(guī)律，最大風(fēng)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(shí)驗(yàn)二風(fēng)速曲線圖

室外太陽輻照度（圖16）在測(cè)量時(shí)間內(nèi)變化很大，下午7時(shí)之前最小值為39.30w/m2，最大值可達(dá)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(cè)量時(shí)間內(nèi)變化相對(duì)較小。太陽輻射最大值在中午11時(shí)到13時(shí)之間出現(xiàn)，其數(shù)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(xiàn)在19時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(duì)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(yōu)值。

2.3 綠表皮單元不同透光比對(duì)熱環(huán)境的影響

通過調(diào)整綠表皮單元植物的透光比進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)透光比對(duì)溫度的影響不大（圖17、圖18），但對(duì)風(fēng)速和太陽輻照度的改善有相對(duì)明顯的差異（圖19、圖20）。在測(cè)量時(shí)間內(nèi)，綠化層較密的一組空氣間層平均風(fēng)速為0.08m/s，綠化層較疏的一組為0.31m/s，與環(huán)境風(fēng)速相比均有較大差距（表5）。在針對(duì)太陽輻射的測(cè)量數(shù)據(jù)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(duì)比明顯。

表5 疏密度對(duì)比實(shí)驗(yàn)平均數(shù)據(jù)

圖17 實(shí)驗(yàn)三墻體外表面溫度曲線圖

圖18 實(shí)驗(yàn)三室內(nèi)溫度曲線圖

圖19 實(shí)驗(yàn)三風(fēng)速曲線圖

圖20 實(shí)驗(yàn)三太陽輻射曲線圖

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

3 結(jié)論

通過對(duì)重慶地區(qū)辦公建筑各單元模塊進(jìn)行熱工性能實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：綠表皮和建筑墻體之間形成的空氣間層對(duì)室內(nèi)外氣候存在緩沖作用，形成了良好的室內(nèi)外微氣候緩沖層，可降低風(fēng)速及溫度波動(dòng)幅度，阻隔太陽輻射，對(duì)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(dāng)空氣間層為100～400mm之間時(shí)，間距與效果呈負(fù)相關(guān)；透光比與效果成正相關(guān)，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(qū)，應(yīng)在辦公建筑中廣泛應(yīng)用綠表皮系統(tǒng)，以達(dá)到建筑熱性能提升效果，助推城市熱環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的改善。