夏热冬冷地区居住建筑绿化遮阳研究

金 熙 ,沈守云 , 秦 彦 ,高 波

夏热冬冷地区居住建筑绿化遮阳研究

金 熙1,2,沈守云1, 秦 彦1,高 波1

（1.中南林业科技大学 风景园林学院，湖南 长沙，410004；2.湖南大学 建筑学院，湖南 长沙 410004)

随着对居住建筑节能的日益重视，人们对于绿化遮阳的重视愈发突出。特别是在夏热冬冷地区，采用植被与绿化遮阳来减少室内太阳辐射热，降低空调能耗，从而达到较好的节能效果，已达成共识。通过介绍目前夏热冬冷地区常见的绿化遮阳技术与形式，系统的归纳了不同绿化遮阳形式的节能效果，旨在进一步完善绿化遮阳体系。

夏热冬冷；绿化遮阳；居住建筑；节能

夏季闷热，冬季阴冷潮湿，静风率高是夏热冬冷地区的典型气候特征[1]。《中国建筑节能年度发展研究报告2007》指出，“中国南方夏季影响空调能耗的是太阳辐射，节能的关键途径为外遮阳和外表面通风。”因此，南方地区特别是夏热冬冷地区，夏季节能的关键就是被动式技术的应用。

近年来，随着建立适合夏热冬冷地区低能耗居住建筑模式研究的开展和深入，绿化遮阳已经成为重要的研究方向。合理配置绿化，在美化环境的同时，用于建筑遮阳，可减少夏季围护结构的直接得热，防止室内过热；充分利用绿化的蒸腾作用和遮挡特性，对于改善建筑室内热环境、降低空调能耗，有着重要的意义。

1 绿化遮阳的原理

遮阳的实质是将建筑外围护结构的太阳辐射转移、吸收、消耗或遮挡，减少建筑整体得热，降低热传递速度，从而达到理想的隔热效果。而绿化遮阳则是通过植物覆盖围护结构表面，形成气候缓冲层，利用植物的遮阳与隔热特性，并且通过自身的光合作用，蒸腾作用，将太阳辐射或消耗，或转移；而且植物的蒸腾作用除了可以转化太阳辐射热，还可以吸收周围环境能量，从而降低环境温度，改善微气候，形成能量的良性循环利用。

在夏热冬冷地区，绿化遮阳的隔热节能作用主要体现在：1）通过植物叶片的蒸腾作用，将热能转化，从而减少了建筑围护结构的太阳辐射量，降低了围护结构外表面温度；2）因为植物的遮挡特性，使得到达地面及树冠下的日照强度大大减弱，降低了环境温度，绿化区即使白天在强烈的太阳辐射下增温也不多。研究表明，绿化遮阳可以带来明显的降温效应，植物覆盖的地面、墙面、屋面能形成次级气候梯度，可以减少室外空气与围护结构间的热交换，维系环境的热湿平衡，降低空调负荷，营造舒适的热环境，最终达到理想的建筑节能效果[2]。

与其它遮阳设施相比，绿化遮阳的范围更广、更大，且能更好的调节居住建筑夏季遮阳需求与冬季自然采暖需求之间的矛盾；同时，通过绿化配置，可改变气流方向，引风入室，从而提高热舒适度[3]。

图1 冬夏两季绿化对建筑微气候的调节Fig.1 Microclimate adjustment by plants in summer and winter

2 绿化遮阳的方式

绿化遮阳主要是通过两个方面来改善夏季热舒适：1）降低居住区环境温度；2） 遮挡太阳直射，减弱太阳辐射强度。归纳起来，目前常用于夏热冬冷地区居住区的绿化遮阳共有3种：①环境绿化遮阳；②垂直绿化遮阳；③屋顶绿化遮阳。

2.1 环境绿化遮阳

环境绿化遮阳是指通过计算，模拟与测试，对居住建筑所处环境及周边场地进行植被规划，包括草坪、花坛、树木等。环境绿化基本上以大面积的草坪间以灌木为主，道路两侧及广场周边以乔木为主，形成室外场地的环境绿化遮阳体系，利用植物的遮挡特性与蒸腾作用，减少太阳光对于地面的直接热辐射量和围护结构的得热，同时吸收场地环境能量，从而降低环境温度。绿色植物通过光合与蒸腾作用，一方面通过光合与蒸腾作用吸收大量的太阳辐射能，直接减少地面对太阳辐射的吸收，减弱太阳日照强度，从而降低下垫层的表面温度，改变了建筑的环境温度。研究表明，如果夏季城市气温为27.5 ℃时，草坪表面温度为22～24.5 ℃，比裸露地面温度低6～7 ℃，比柏油路表面温度低8～20.5 ℃。综合国内外研究情况，环境绿化遮阳能使局地气温降低3～5 ℃，最大可降低12 ℃（图2）[4]。

图2 不同介质遮阳环境下的温度变化Fig.2 Temperature changes under different greening shading conditions

另外，在夏季，枝叶茂盛的植物如乔木能有效遮挡太阳辐射；通过对门窗、阳台等建筑开口部位的遮挡，能减少直接进入室内的太阳辐射热，显著减少室内温度；而对于墙体而言，通过植物的遮挡，能降低墙体的外表面温度，从而减少渗透到室内的热量。

综上所述，根据当地气候和地理因素，通过对不同绿地类型和不同绿化树种的搭配进行优化分析与布局，减少地面、环境作为第二热源的长波辐射传热量，可以极大地改善室内热舒适，降低建筑的空调能耗。研究表明，综合理规划建筑场地的绿化遮阳，可降低环境空气温度，能减少经导热，空气渗透传热的15%～30%，是一种有效、主动的隔热节能方式。

2.2 垂直绿化遮阳

垂直绿化遮阳是指借助植物在建筑物、构筑物的立面生长蔓延的覆盖方式而进行的遮阳处理[5]。与环境绿化遮阳相比，垂直绿化遮阳对建筑节能的作用更为直接。在夏季，夏热冬冷地区的住宅大都存在着“西晒”过热的现象，因此垂直绿化遮阳主要应用于住宅西墙和南墙[6]。

图3 垂直绿化遮阳示意Fig.3 Illustration of vertical greening shading form

垂直绿化山墙又称之为“可呼吸的墙体”，这是因为，植物对住宅西山墙进行垂直覆盖后，植物与墙体之间形成了空气间层，这使得，一方面植物借助叶片的蒸腾，光合作用，通过其生理特性，吸收并转化太阳辐射热，从而减少建筑围护结构、地面、周围环境其它物体对于太阳辐射的吸收量；另一方面，由于空气间层的存在，延缓了穿过植物的太阳直射向墙体进行辐射传热的过程。垂直绿化通过两方面的综合作用，降低住宅外表面温度和场地微气候温度，能最大程度上消除“西晒”对于室内热环境的不利影响，改善室内热环境。根据重庆大学李娟副教授的研究[7]：西山墙的垂直绿化，对于建筑外墙单位面积墙体通过或放出的热流较普通围护结构少约397 w/m2；室内较室外环境温度低约3～9 ℃；垂直绿化可使室外温度降低约4 ℃，减少空调负荷约12.7%；垂直绿化对于正午峰值降温作用更为明显，可以达到6 ℃,减少空调负荷20 %。

另一方面，用于垂直绿化遮阳的植物，譬如爬山虎、长春藤等，具有极强的生命力、易繁殖蔓延、环境适应能力强；且造价低廉，围护简便，因此，垂直绿化遮阳是夏热冬冷地区主要的绿化遮阳形式。

2.3 屋顶绿化遮阳

屋顶是建筑主要接受太阳辐射的外围护结构构件之一，其受到的太阳直接辐射最强且作用时间最长，其室外综合温度也是最高的[8]。据研究，夏季从屋面进入室内的得热量往往占总围护结构总得热量的70 %以上。因此，在夏热冬冷地区，采用屋顶绿化遮阳，强化和改善屋顶的隔热能力[9]，对于改善顶层房间的室内热环境具有较大的意义。

图4 屋顶绿化遮阳示意Fig.4 Illustration of roof greening shading form

绿化屋顶一方面利用植物的光合作用将热能转化为生物能，利用植物叶面的蒸腾作用增加蒸发散热量，降低屋顶室外温度；另一方面，利用植物培植材料的热阻和热惰性降低屋面内表面温度，同时通过植物遮挡太阳直射[10]。数据显示，夏季屋顶植物可反射27%的阳光，吸收60%的阳光，仅有13%的阳光通过栽培基质传递，因此绿化后的屋顶表面温度明显低于普通屋顶表面温度，温差值在某些较热城市最大可到30 ℃以上。绿化屋顶对空气平均增温量的总量为普通屋顶的1/4左右，在极热天气下对缓冲和削减极端温度起着突出的作用，极大的改良了建筑热工效应[11]。

由于屋顶与地面的差别，日照、温度、湿度等因素都会随层高的增加而变化，选择合适的屋顶绿化遮阳形式可以便达到预期的效果[12]。

相对于地面与外围护结构，屋顶接受的太阳辐射范围广、强度大、时间长，能促使植物光合作用增强，客观上加强了绿化遮阳效应，同时植物和草皮还有利于整个屋顶的蒸发冷却。

钢筋混凝土屋面材料经太阳辐射，升温快、反射强，夏季白天温度高出地面3～5 ℃，夜晚却低于地面2～3 ℃，屋面温差较大，有利于植物进行光合作用和有机物质的积累。

屋顶由于昼夜温差大，风速快，能加速整个屋顶的蒸发冷却，带来明显的降温效应。据统计，屋顶相对湿度比地面低10%～20%，尤其在夏季，植物生长旺盛，蒸腾作用强，屋顶植物对水分的需求比地面植物高。

可以预见，垂直绿化遮阳与屋顶绿化遮阳综合使用时，将会大大增强居住建筑的降温隔热效应。

表1 3种绿化遮阳方式一览Table 1 Summary of three greening shading forms

3 结 论

如何使遮阳在居住建筑节能中发挥最大效应，是一个重要的建筑可持续发展的课题。本文结合夏热冬冷地区夏季气候特点，系统的总结了3种常见的绿化遮阳形式：环境绿化遮阳、垂直绿化遮阳和屋顶绿化遮阳，如表1所示。需要指出的是，要求所选植物为冬季落叶植物，从而不会在冬季影响居住建筑的被动式采暖。通过归纳与分析，本文一方面对遮阳体系进行了有益的补充，同时希望能通过科学合理的绿化遮阳设计，有效地改善居住建筑微气候环境和热舒适性。

[1] 毛建西,陈玉兴,王 波.建筑节能应与地区气候结合[J].四川建筑科学研究,2005,31(1)：121-123.

[2] 白雪莲.实现节能与健康的绿化体系[J].重庆大学学报：自然科学版 ,2002,25(8)：77-78.

[3] 黄朝阳,柳孝图.绿化的防热作用[J].华中建筑，2004,22(6)：101-103.

[4] 文远高,连之伟.居住区绿化的降温效应与建筑节能[J].住宅科技，2003,(6)：46-48.

[5] 张 阳,武六元.建筑立体绿化的相关问题研究[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2003,35(2)：166-168.

[6] 孙洪波.夏热冬冷地区居住建筑单元西山墙遮阳隔热设计[J].工业建筑，2004,34(5)：24-26.

[7] 李 娟.建筑物绿化隔热与节能[J].暖通空调，2002,32(3)：22-26.

[8] 柯宏伟,王东涛.改善住宅热环境的生态措施[J].河南大学学报：自然科学版，2004,34(2)：103-105.

[9] 高旭东,靳 松,渠亚东.屋顶绿化对室内人体热舒适的影响研究[J].重庆大学学报,2007,29(5)：44-48.

[10] 时真男,高旭东,张伟捷.屋顶绿化对建筑能耗的影响分析[J].工业建筑，2005,35(7)：14-15.

[11] 唐鸣放,杨真静,李 莉.自然状态草地式屋顶绿化隔热特性分析[J].暖通空调，2007,37(3)：1-4.

[12] 刘才丰,冯 雅,陈启高.屋面蒸发隔热及应用措施[J].重庆大学学报：自然科学版，2001,24(3)：41-44.

Research on greening shading of residential buildings in hot summer and cold winter zone

JIN Xi1,2, SHEN Shou-yun1, QIN Yan1, GAO Bo1
(1.School of Landscape Architecture, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2.School of Architecture, Hunan University, Changsha 410004, Hunan, China)

With ever-increased concerns on energy efficiency of residential buildings, greening shading has been highly valued in shading field in hot summer and cold winter zone.It is commonly agreed that using plants or vegetation may reduce indoor direct solar radiation and energy consumption of HVAC system, so as to achieve better energy efficiency effects.By introducing common greening shading patterns used in hot summer and cold winter zone, the technology and forms with different energy efficiency effects for those patterns were systematically introduced., which could be useful knowledge for improving the whole greening shading system.

hot summer and cold winter; greening shading; residential building; energy efficiency

S783;TU201.5

A

1673-923X(2012)03-0085-04

2011-12-29

湖南省林业科技计划项目（103-5140）；湖南省教育厅科学研究项目（11C1308）；中南林业科技大学高层次人才项目(101-0606)

金 熙(1979—)，男，湖南益阳人，讲师，博士研究生，主要从事建筑设计与绿色建筑的教学与科研工作

[本文编校：吴 毅]