一種基于節(jié)能減排的多功能垂直綠化裝置設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510000；2.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510000；3.廣州名筑建設(shè)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(guān)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(huán)境中，使綠色植物能覆蓋地面以上的各類建筑物、構(gòu)造物以及其他空間的結(jié)構(gòu)表面。它作為一種新型的綠化方式，目前國內(nèi)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(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。研究表明，垂直綠化效果是傳統(tǒng)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(yīng)，降低建筑內(nèi)部溫度，有良好的節(jié)能功效。垂直綠化能保護(hù)建筑物或者構(gòu)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(jié)合垂直綠化噪聲分析結(jié)果，技術(shù)人員在城市建設(shè)中有效使用城市垂直綠化，能夠降低室內(nèi)噪聲 25%以上[3]。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，許多國家開始戰(zhàn)后重建工作，新加坡、波蘭、美國、日本等國家，同時(shí)開展了立體綠化的建設(shè)，真正意義上的立體綠化從此開始。近代園藝技術(shù)的成熟，使立體綠化的實(shí)用性加強(qiáng)，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(jié)構(gòu)、負(fù)荷、土層厚度、植物選擇和高空強(qiáng)風(fēng)等經(jīng)管技術(shù)問題和藝術(shù)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(jì)80年代來，人們開始注重立體綠化的生態(tài)效益，其中日本就對其進(jìn)行了深入的研究，它的立體綠化技術(shù)己經(jīng)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(huán)境融合在一起，創(chuàng)造了人與環(huán)境共生的建筑立體景觀[4]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)城市空間垂直綠化發(fā)展相對較晚，還處于初級發(fā)展階段，北京、上海、深圳等都是較早倡導(dǎo)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(yùn)會為契機(jī)取得突破性進(jìn)展，大力發(fā)展屋頂、高架等綠化，取得一定成績和經(jīng)驗(yàn)；上海在迎世博會期間，完成各類立體綠化40萬m2，出現(xiàn)一些具有代表性的作品，例如上海世博園主題館生態(tài)墻垂直綠化、上海海納爾生態(tài)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(guān)專利與文獻(xiàn)

通過對檢索到的相關(guān)資料、文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以看出業(yè)界學(xué)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(cè)重于攀援植物資源、垂直綠化植物選擇及結(jié)構(gòu)，而對其在節(jié)能減排方面的研究較為稀少，其中所有的相關(guān)文獻(xiàn)多是描述性文字、缺乏數(shù)據(jù)支持。

從2001～2020年間，垂直綠化的專利產(chǎn)品數(shù)量不斷增加，發(fā)明創(chuàng)造力也不斷提高(圖1)。2007～2020年間，相關(guān)垂直綠化文獻(xiàn)3550篇，其中期刊2835篇，報(bào)紙13篇，博碩士論文408篇，會議121篇，結(jié)果顯示(圖2)，相關(guān)文獻(xiàn)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(chǎn)品發(fā)明數(shù)量

年份圖2 垂直綠化相關(guān)文獻(xiàn)歷年發(fā)表數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3 垂直綠化市場調(diào)查

3.1 市場現(xiàn)狀

團(tuán)隊(duì)對垂直綠化的市場現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，調(diào)研包括網(wǎng)上信息查找與整理和實(shí)地調(diào)研。調(diào)研小組對垂直綠化技術(shù)方式進(jìn)行整理，對部分公司進(jìn)行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)比較，分析垂直綠化現(xiàn)狀，對不同形式的垂直綠化進(jìn)行了比較(表1)。

3.2 代表機(jī)構(gòu)

3.2.1 Ken Yeang

他是國際著名建筑師、生態(tài)環(huán)境學(xué)家和社會活動家，是生態(tài)建筑的倡導(dǎo)者和生態(tài)建筑理論的創(chuàng)立者?，F(xiàn)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(tǒng)行業(yè)的領(lǐng)航者，國家標(biāo)準(zhǔn)參編者。海納爾是中國第一家以屋面系統(tǒng)注冊，第一家將墻體和屋面整體綠化相結(jié)合的專業(yè)公司。

3.2.3 深圳市鐵漢一方

該公司秉持科技服務(wù)社會的綠色生態(tài)理念，專注為客戶提供生態(tài)屋頂，生態(tài)綠墻，生態(tài)陽臺，生態(tài)園藝項(xiàng)目施工、產(chǎn)品銷售和運(yùn)營服務(wù)等。

3.2.4 深圳市潤和天澤

該公司是一家專業(yè)從事設(shè)計(jì)，安裝，維護(hù)一條龍服務(wù)的立體綠化公司，它成功開發(fā)出了適合中國國情、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國際一流立體綠化技術(shù)，并已申請了國家專利。

3.3 結(jié)果分析

調(diào)研發(fā)現(xiàn)垂直綠化(不包括自然攀爬式)現(xiàn)存的問題主要有以下幾點(diǎn)。

3.3.1 成本造價(jià)高

我國綠墻市場價(jià)格處于1200～5000元/m2，價(jià)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(tǒng)不成熟

市面上已有使用自動滴管系統(tǒng)，但滴灌系統(tǒng)使用不成熟，易出問題，如漏水、堵塞、未能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)滴灌等。調(diào)研中并沒有發(fā)現(xiàn)利用回收雨水澆灌原理而實(shí)現(xiàn)的循環(huán)澆灌系統(tǒng)。

3.3.4 植物更換復(fù)雜

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，部分垂直綠化墻植物老化情況較為嚴(yán)重，更換麻煩，通常需要專業(yè)人員進(jìn)行更換。

4 研究內(nèi)容及流程

4.1 研究內(nèi)容

本項(xiàng)目將對垂直綠化墻，雨水回收系統(tǒng)，自動澆灌系統(tǒng)三部分進(jìn)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(yīng)用。主要采用以下幾個(gè)方面的研究方法。

4.2.1 對比分析的方法

通過對國內(nèi)、外垂直綠化技術(shù)的對比分析，提取其中共同律性并進(jìn)行歸納總結(jié)，為節(jié)能減排型垂直綠化的技術(shù)創(chuàng)新形成可實(shí)現(xiàn)的思路和方法。

4.2.2 建立模型的方法

通過計(jì)算機(jī)軟件、手繪等主要手段對節(jié)能減排型垂直綠化技術(shù)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，給人以更直觀的想象和理解，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究該垂直綠化的合理性。

4.2.3 預(yù)實(shí)驗(yàn)方法

預(yù)實(shí)驗(yàn)是在正式實(shí)驗(yàn)之前。用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或只用少量樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便摸出最佳的實(shí)驗(yàn)條件，為正式實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)摸清條件，也檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可行性，以免由于設(shè)計(jì)不周，盲目開展實(shí)驗(yàn)而造成人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。

4.2.4 實(shí)踐操作的方法

由于節(jié)能減排型垂直綠化技術(shù)及設(shè)計(jì)手法有的時(shí)候是無法用敘述性的語言可以表達(dá)或間述清楚的，所以本次研究通過實(shí)踐操作，制作實(shí)體垂直綠化墻，觀察記錄看是否達(dá)到明確的設(shè)計(jì)效果，為節(jié)能減排型垂直綠化實(shí)踐提供依據(jù)和參考。

5 產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(qū)，綠化空間有限。本產(chǎn)品主要用于室內(nèi)，可在節(jié)約綠化用地的同時(shí)提高室內(nèi)綠量(圖3)?？筛鶕?jù)實(shí)際情況，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(nèi)降噪滯塵、降溫增濕，減少空調(diào)、風(fēng)扇的使用，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。又或者移動至室內(nèi)觀賞，以起到裝飾家居的作用。同時(shí)，由于植物可以吸收空氣中殘留的有毒物質(zhì)，提高空氣質(zhì)量，進(jìn)而可以愉悅心情，使人保持樂觀向上的心態(tài)，對人體健康十分有利。本產(chǎn)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(huán)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(yōu)質(zhì)的天然水源，但能充分利用到的雨水卻很少，在低碳，節(jié)能、節(jié)水的生活方式中，不僅要考慮節(jié)約用水，也要兼顧美觀、經(jīng)濟(jì)的原則來規(guī)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(jié)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(jié)流的有效途徑。

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

在陽臺屋檐處加裝雨水收集槽。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)公式[5]計(jì)算出墻面匯水面積，采用乘積法計(jì)算出最大的投影面積，F(xiàn)c為乘積法算出的最大正投影面積(m2)，F(xiàn)e= 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(shè)計(jì)徑流總量(m2)；Ψc為雨量徑流系數(shù)，徑流時(shí)取0.5(墻面)；hy為設(shè)計(jì)降雨厚度(mm)；F為匯水面積(hm2)，中雨時(shí)降雨厚度為15 mm，采用中雨時(shí)計(jì)算日雨水徑流總量W=10×0.5×15×0.0072=0.54(m3)=540(L)。設(shè)計(jì)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(jié)，則需要人工加水。根據(jù)計(jì)算，采用本系統(tǒng)一年能節(jié)水1890 L。

根據(jù)計(jì)算可知，陽臺承重荷載設(shè)計(jì)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(dān)1 kN/m，因陽臺此端部每延米還可承擔(dān)約100 kg的集中活荷載。根據(jù)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(tǒng)

太陽能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有三大特點(diǎn)。

(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(fā)利用，不存在運(yùn)輸問題。

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

使用同樣揚(yáng)程的自動滴灌系統(tǒng)，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(tǒng)的自動噴淋系統(tǒng)，一年可節(jié)電24 kW·h。

5.3 自動滴灌系統(tǒng)

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(jìn)行局部灌溉的技術(shù)。將其用于綠化墻上，有著諸多優(yōu)點(diǎn)。

(1)能夠按時(shí)自動澆水?，F(xiàn)代生活的節(jié)奏不斷加快，人們的生活節(jié)奏也在加快，因而經(jīng)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(jié)水。滴灌比一般噴灌節(jié)水20%～30%，比淋灌節(jié)水25%～35%[6]。

(3)不易改變土壤結(jié)構(gòu)。普通噴灌及普通淋灌易使土壤受到較多的沖刷、壓實(shí)和侵蝕從而改變土壤結(jié)構(gòu)，使土壤板結(jié)。而滴灌是微量長時(shí)澆灌，能充分濕潤土壤，保持土壤結(jié)構(gòu)，使?fàn)I養(yǎng)土的使用壽命更長。

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

在本設(shè)計(jì)中，采用自動滴灌一年可節(jié)水1080 L。

5.4 噴霧系統(tǒng)

霧化系統(tǒng)根據(jù)霧化設(shè)備噴嘴的不同可分為冷霧系統(tǒng)、微霧系統(tǒng)和霧森系統(tǒng)三大類[7]。噴霧系統(tǒng)與自動滴灌系統(tǒng)采用同一套供水系統(tǒng)，節(jié)能環(huán)保?？赏ㄟ^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(nèi)溫度。

5.5 垂直綠化墻

華南地區(qū)日照時(shí)間長，太陽輻射成為影響空調(diào)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(shù)在夏季可以節(jié)約30%～50%的空調(diào)能耗[8]。以實(shí)驗(yàn)場地的客廳為例，面積為35 m2，依據(jù)《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能工作的決定》夏季室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)置不低于26 ℃[9]，夏天空調(diào)用電約2000 kW·h，取節(jié)約空調(diào)耗能中間值計(jì)算，一個(gè)夏天節(jié)約用電2000 kW·h×40%=800 kW·h。

植物通過利用葉綠素等進(jìn)行光合作用。經(jīng)過光反應(yīng)和碳反應(yīng)，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣。同時(shí)也有將光能轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物中化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)化過程。垂直綠化單位葉面積內(nèi)年吸收二氧化碳2000 g，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，能夠根據(jù)實(shí)際需要移動景墻，平衡遮蔭及采光的關(guān)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(jù)需要更換插畫，美化家居環(huán)境，調(diào)整心情。

5.7 溫度、濕度感應(yīng)器

設(shè)備通過溫度傳感器感知周邊溫度，當(dāng)環(huán)境溫度過高時(shí)，系統(tǒng)開啟噴霧裝置，進(jìn)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(dāng)土壤含水量過低時(shí)，給系統(tǒng)發(fā)出信號，自動開啟滴灌設(shè)備，澆灌植物。自動感知系統(tǒng)替代人工，更有針對性的降溫增濕，提高灌溉效率，節(jié)約資源。

5.8 配套小程序

本產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)了配套小程序，內(nèi)有大量常用垂直綠化植物科普知識。用戶可利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)查找植物信息，通過搜索功能，可根據(jù)自身實(shí)際需求搜索植物的品種，了解自己所種植植物的生理習(xí)性和需水量。從而科學(xué)合理地設(shè)定系統(tǒng)的灌溉間隔、時(shí)間和水量，智能高效，簡單便捷。

6 結(jié)論

垂直綠化諸多優(yōu)點(diǎn)早已深入人心，例如增加綠化面積、改善社會生態(tài)環(huán)境、提升景觀效果、緩解熱島效應(yīng)、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(nèi)部溫度等。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目對于垂直綠化裝置進(jìn)行改良，這種新型的垂直綠化裝置較傳統(tǒng)垂直綠墻有較多優(yōu)點(diǎn)，如更節(jié)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(wù)，且移動靈活，外觀可根據(jù)場景需求提供多樣化的形象等，值得推廣與應(yīng)用。

6.1 節(jié)能數(shù)據(jù)分析

本設(shè)計(jì)在35 m2的實(shí)驗(yàn)場地外設(shè)置兩組SAVE垂直綠化墻。通過雨水收集，每年節(jié)水1890 L；太陽能系統(tǒng)，每年節(jié)電24 kW·h；自動滴灌，每年節(jié)水1080 L；移動綠墻，每年節(jié)電800 kW·h，吸收二氧化碳8000 g。

6.2 與傳統(tǒng)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(jìn)行人工澆灌，費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)水。相比傳統(tǒng)垂直綠化墻，節(jié)能型垂直綠化墻以雨水為主要澆水水源。雨天時(shí)，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(nèi)存放，以用于日常澆水。在晴天時(shí)，如儲存雨水不足，亦能用洗菜水(濾除雜質(zhì))等水源放于貯水裝置內(nèi)做水源。以此，每年在灌溉上，能夠節(jié)約大量水資源。

(2)據(jù)調(diào)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(fèi)。本產(chǎn)品采用滴灌形式進(jìn)行灌溉，比一般噴灌節(jié)水20%～30%，比淋灌節(jié)水25%～35%；且滴灌采用微量長時(shí)澆灌，能充分濕潤土壤，保持土壤結(jié)構(gòu)，使?fàn)I養(yǎng)土的使用壽命更長。

(3)傳統(tǒng)垂直綠墻噴淋多以電能等作為能源供給，本設(shè)計(jì)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能用于運(yùn)行自動滴灌系統(tǒng)，清潔環(huán)保，省時(shí)省力。

(4)傳統(tǒng)垂直綠化多數(shù)都是固定在建筑墻體上，需對墻面進(jìn)行額外的防水處理，本作品通過改良設(shè)計(jì)，將垂直綠化應(yīng)用于室內(nèi)或陽臺，不需做額外防水處理，成本較低。

(5)傳統(tǒng)的垂直綠墻大多為固定式的，缺乏靈活性，有時(shí)還會對室內(nèi)的通風(fēng)、采光等造成較大影響?？梢苿邮骄G化景墻，在節(jié)約綠化用地的同時(shí)，還可平衡采光與遮光之間的矛盾，降低室內(nèi)溫度和增加室內(nèi)濕度，同時(shí)起到降噪滯塵的作用。

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