垂直绿化对室内人体舒适度影响的实验研究

王 敏 Wang Min 孙 力 Sun Li

垂直绿化对室内人体舒适度影响的实验研究

王 敏 Wang Min 孙 力 Sun Li

0 引言

随着城市化的不断推进，城市聚集效应显著，城市尤其是城市中心区逐渐形成高人口密度、高开发强度的状态。城市发展中产生的资源枯竭、气候变暖、环境恶化等问题，以及城市建设与人口、用地之间的矛盾在城市高密度地区环境下更加凸显，已经严重威胁人类的生存空间，影响城市环境中的人体舒适度。面对土地资源的日益紧张和宜居城市建设的发展趋势，垂直绿化作为一种建筑物或构筑物竖向界面的绿化手段，可以缓解“热岛效应”、阻滞粉尘、改善空气质量、维持碳氧平衡、增加生物多样性、营造动物自然栖息地等，是缓解当前城市发展建设绿量不足，改善城市微气候环境的重要途径。

建筑表皮垂直绿化是指在建筑外表皮直接攀爬或者通过相应支撑结构在竖向界面进行植物栽植的绿化层次。作为一种建筑被动节能手段，它可以通过调节温度、湿度、风速以及对噪音的吸收影响室内的环境状况，进而改善室内人体的舒适度。本研究梳理建筑表皮垂直绿化的分类和构成体系，关注国内外建筑表皮垂直绿化与室内人体舒适度的相关实验研究进展，旨在探析建筑表皮垂直绿化不同类型、不同构成要素对于室内环境和人体舒适度的改善作用并总结影响规律。

1 建筑表皮垂直绿化的分类与构成体系

1.1 分类体系

对于建筑表皮垂直绿化的分类，国内外现今还没有一个明确规范性的标准，因此各项研究进展往往无法相互支撑推进。相比国内垂直绿化研究，国外的研究较为系统和完善，本文将选取国外引用次数较高的一种分类体系用于整体研究。

基于垂直绿化的依托形式和植物品种，PérezG[1]等人将建筑表皮垂直绿化分成绿色表皮（green facades）和生命墙 (living wall)两大类。

（1）绿色表皮是指根植于地面或者建筑边缘的栽植槽通过攀援植物或者垂挂植物进行垂直绿化的系统。其中，不借助外在支撑系统直接攀爬式的绿化方式为传统型；利用线缆、线网、网架等支撑体系进行栽植的绿化方式为双表皮型，且按照支撑系统的差异又可以分为模块格网式、线材支撑式、栅网式；另外还有一类是利用建筑前置种植槽栽植挂落植物的绿化方式。

（2）生命墙是指根植于人工基质或盆栽土壤的垂直绿化方式，由现场浇筑的水泥、砌体、耐蚀金属框架的结构构成。其中，依托于模块槽体的为面板式，利用毡布进行支撑的为土工毡布式。生命墙用于支撑的结构材料需要精心选择，以免影响植物生长。该系统需要的维护费用较高，后期需要考虑灌溉和营养液的供应，因此需要有较完备的管理体系。

进一步考虑安装的造价和远期维护的需要，将垂直绿化分为粗放型和集约型两种。综合以上两种分类方式，表1形成的建筑表皮垂直绿化分类体系层次清晰、概括综合全面，充分展现各种垂直绿化的优势和特征，便于笔者对国内外相关实验进展的分类梳理和比较研究。

1.2 构成体系

建筑表皮垂直绿化的构成主要包含植物系统、支撑系统、栽培基质及容器、灌溉系统四个部分。

1.2.1 植物系统

植物是整个垂直绿化的核心，通过光合，能够在一定程度上改变环境中的温度和湿度。考虑后期的管理及成活率，尽量选择一些抗性强、低养护的植物品种。总体来说，绿色表皮的植物品种比较单一，多集中一些常绿或者落叶的攀爬植物，如爬山虎、常春藤、紫藤等；生命墙由于依托一体化的管理措施，植物品种相对多样，一般为常绿植物，包括一些蕨类以及景天科植物，视觉效果的优势较为明显。

1.2.2 支撑系统

绿色表皮中双表皮系统的支撑系统仅仅作为植物攀爬的一种依托，可以独立支撑也可以依托墙体，能够避免植物与建筑表面的直接接触，减少对建筑的腐蚀和破坏，且利于更便捷地更换衰败的植物品种。生命墙的支撑体系不仅提供植物成长的依托点，还能够提供植物所需的营养。

1.2.3 栽培基质及容器

栽培基质和容器一般是指生命墙体系中用于支持植物生长的营养和模块，根植于地面的垂直绿化系统则不需要基质和容器。对于基质的选择，一般根据植物品种所需进行选定；对于容器，则会结合外观及便利节能等特点进行专门设计。

1.2.4 灌溉系统

灌溉系统是基于垂直绿化系统生命周期的稳定性进行设置的，它保证了垂直绿化整个生长过程中水分供应。一般有直接浇灌和滴灌两种方式，可根据实际情况进行选择。

表1 建筑外表面垂直绿化分类体系

2 室内人体舒适度评价

人体舒适度是以人与环境中的热交换原理为基础，评价人在不同环境状况下舒适度的指标。关于环境舒适度的研究，过去以定性和描述为主，之后把人体感受的生理信号和参数引入到舒适度研究中[2]，一般用人体舒适度指数（ICHB） 来表征。室内环境对人体舒适度的影响主要体现在热、光、风和声4个方面，其中，热、光、风分别对应着温度（热）、相对湿度（热）、太阳辐射（光）、空气流速（风）4个环境物理因素；而声对人体舒适度的影响主要是在人为感受方面。研究表明，单一的客观因子并不能完全表征室内环境中人体舒适度的状况，噪音对于人体舒适度也会造成较大影响。吴海燕[3]曾通过一个实验，让受试者穿着实验服进入实验室，把温度调到安静状态直到感到最舒适为止。实验中选择两种强度的声音（40dB和80dB），测定体温、皮肤温度、心率、血压，并且每5分钟对主观评价值（冷暖度、舒适感）进行记录。结果显示：噪音对受试者主观舒适性有影响，随着噪音的增大舒适感下降，暖感增加。因此，为了准确全面地评价室内人体舒适度，文中选择室内环境中热、光、风和声所对应的温度调节（降温）、太阳辐射（遮阴）、风速（控风）及噪音（屏音）4个方面，对建筑表皮垂直绿化进行环境效能评价。

3 建筑表皮垂直绿化相关实验进展

分析国外近10年建筑表皮垂直绿化相关实验研究案例[1，4-23]，从建筑表皮垂直绿化与室内环境的关系来看，可以大致将建筑表皮垂直绿化的环境效益类型分成4个调节作用，即遮阴效果、降温效果、控风作用、屏音吸收（表2）。其中，关于遮阴和降温效果的研究最为充分，通常会结合起来共同研究。

4 建筑表皮垂直绿化对于室内人体舒适度的影响

图1 有无植物覆盖温度对照图

图2 Stec模拟实验装置

图3 Pérez G等人的垂直绿化实验观测点

4.1 遮阴效果

无论是传统型绿色表皮还是双表皮型，都能对室内环境的温度和湿度调节发挥作用。

植物对太阳辐射控制的研究最早可以追溯到上世纪80年代，如Hoyano[24]研究的一个关于使用日本爬山虎的传统型绿色表皮系统的案例。实验在夏季进行，测定位于东京的两层独立式住宅的西侧墙面(15cm厚裸露的钢筋混凝土墙)内外表面温度。实验结果显示：下午3点时，外部表面温度减少了13℃；而下午6点时，内部表面温度降低了11℃(图1 )。

Stec[4]通过实验模拟评估双表皮型绿色表皮系统的遮阴效果，实验参照物为常见的百叶窗和常春藤覆盖的双层绿色表皮系统（图2）。实验测定显示，有植物覆盖的空气层的温度要比在百叶窗后的温度降低20%～35%。在一般观察中测定，环境中增加绝对湿度的范围0.5～1.8g/kg。

也有学者进一步研究绿色表皮遮阴效果在一年中不同季节的变化。Pérez G等人[14]以地中海地区紫藤攀爬的双层绿色表皮系统为实验对象（图3），通过1年的连续监测，测定该系统在不同季节中光照强度、温度、湿度、风速（根据蒲福式风级）的变化。以光传导系数（即植物背后气腔的光照强度与入射光照强度的比值）来表明遮阴效果，比值越小，遮阴效果就越好。实验数据（图4）显示，这个比值从4月份的0.37过渡到7月份的0.04，正体现了树叶逐渐发育完全的过程；相对于暴露区，外部建筑墙表面温度降低了5.5℃，这种差异在8月和9月最高，其中最大值为西南立面15.2℃ （9月）。这一数据证明了垂直绿化系统植物具有遮阴的效果，使建筑在冬天时室内较室外温度高，相对湿度较低(无叶的时期)；而在夏天室内则具有更低的温度和更高的湿度 (树叶遮蔽时期)。

分析建筑表皮垂直绿化产生遮阴效果的机理，主要源于植物光合作用以及对于辐射的吸收和反射，进而调节室内温度。从物理学角度看，植物作为一种介质，相对于其他材料，热辐射传导的吸收率较高，导致室内环境的温度与外界产生一定的差值。研究表明，植物叶面积指数和植物叶片层总体厚度是影响该效果的两个重要因子。其中，叶面积指数（LAI）是指单位面积内植物叶片面积所占比例，可用于表征植物获取太阳能、光合作用的能力[25]。廖容等[26]选取成都市32种立体绿化植物进行降温增湿效应研究，结果显示，叶面积指数越大，单位面积植物获取的太阳能越多，进行光合作用、呼吸作用的器官就多，遮阴效果越好。与叶面积指数相近的概念是植物覆盖率，即单位面积内植物绿化面积占总面积的比。K.J等人[27]在研究垂直绿化植物覆盖率、朝向与建筑热工效应关系的比较中得出结论，植物覆盖率越高，遮阴效果越好。此外，关于植物叶片层总体厚度对于遮阴效果的影响，sternberg等[11]于2008年5月1日到2009年4月30日期间持续监测位于英格兰不同地区的5组传统绿色表皮（常春藤叶覆盖厚度分别为20cm、95cm、＜10cm、45cm、24cm），采集一年里建筑墙面温度和相对湿度的数据。结果表明：5个站点平均日常最高温度中，爬满常春藤的比暴露的墙体温度低36% (遮阴效果)；日常最低温度方面，比暴露的墙体温度高出15% (保温效果)；每日最高表面温度方面，常春藤覆盖墙面较之暴露墙面明显下降，介于1.7℃(＜10cm厚常春藤覆盖)和9.5℃(45cm厚常春藤覆盖)；每日最低表面温度方面，常春藤覆盖墙面高于暴露墙面，介于0.64℃(＜10cm厚常春藤覆盖)和3.88℃(20cm厚常春藤覆盖)之间；同时，建筑绿色表皮永远比暴露的墙面湿度略高，在1%～15%之间。于是，我们可以得出结论：叶片层总体厚度与遮阴效果成正相关，厚度越大，遮阴效果越好；反之，遮阴效果弱，温度降低少。

图4 Pérez G等人在不同测试点测试的温度变化值

图5 Nyuk Hien Wong等人实验设置的8组垂直绿化样式

4.2 降温效果

建筑表皮垂直绿化主要通过植物的蒸腾作用和栽培基质内部的水分蒸发来达到降低环境温度的效果。Schmidt M.[5]通过雨水幕墙模拟绿色表皮的水分蒸发对于环境温度的影响，以此验证了植物的蒸腾作用具有降温效果。Nyuk Hien Wong等人[13]在新加坡某公园仿照设置了8种样式的垂直绿化（图5），测试和评估不同类型的建筑表皮垂直绿化对于建筑热性能的影响。结果显示，与裸露的墙面相比，所有类型的垂直绿化系统都显著降低了植物后面的墙面温度，且最大的墙面降温值发生在植被覆盖度最高的垂直绿化墙体系统中。其中，采用垂直界面、带有混合基质的模块网格生命墙和采用垂直界面、带有无机基质的模块网格生命墙的降温最为明显，这充分说明基质本身对垂直绿化的降温效果有影响，对于人体舒适度的调节能够发挥一定的作用。

进一步以生命墙为实验研究对象，Chen Q等人[20]在武汉分别使用6种植物形成生命墙，考察其在炎热潮湿地区对于环境温度的调节能力。测定的主要参数包括内墙表面、外墙表面、空气层及内部面板表面温度和外部温度，室内、空气层和室外相对湿度，风速和太阳辐射。实验的主要结论是：①外墙表面温度降低20.8℃，内墙表面温度降低7.7℃，室内温度降低1.1℃；②空气层和绿墙温度白天降低9.7℃，晚上降低1.6℃；③空气层的平均相对湿度高于室外相对湿度0.3%；④密封式生命墙空气层的降温效应比自然通风空气层要强，且空气层模块越小降温效果越好。

Eumorfopoulou和Kontoleon[7]研究垂直绿化方位和植被覆盖比例对环境温度的调节和改善作用。实验中模拟建造的单层建筑尺寸为10m×10m×3m（h），保温层5cm，垂直绿化植被层25cm，热导率值为2W/m2。结果表明，植被绿化方位和覆盖率对于建筑热性能有着很大的影响。其中，北立面墙体外部和内部温度分别降低1.73/0.65℃，东立面为10.53/2.04℃，南立面为6.46/1.06℃，西立面16.85/3.27℃；温度降低率为北面4.65%，东面18.17%，南面7.60%，西面20.08%。由此可见，垂直绿化方位能够较大地影响降温效率。

4.3 控风作用

空气渗透是寒冷天气里建筑供热负荷和热能消耗的主因。垂直绿化可以降低建筑外立面的风速，进而减少建筑外层墙体的空气渗透，降低建筑热负荷，改善室内环境人体舒适度。研究表明，多孔的景观元素（乔木、灌木等）对于减少空气流速比固体阻碍物更有效，而且有助于阻断涡流，使立面上的风压分布更均匀[5]。在另一项研究中，佩里尼测试了荷兰一座两层砖混建筑西北立面上覆盖的20cm厚常春藤层中心的空气流速，结果显示植物覆盖的墙体附近空气流速比那些无遮蔽墙体附近的空气流速低84%[28]。值得注意的是，因为空气流动对建筑表皮的降温作用可能会受到植物阻碍，建筑外墙附近风速的降低可能会在炎热天气里对室内的热舒适性带来负面影响。因此，关于控风作用的研究需要进一步细化考虑在合适风向的建筑朝向设置垂直绿化系统，以便更好地发挥其环境效应。

4.4 屏音吸收

建筑外立面垂直绿化的基质层、植物层以及植物和墙面之间空气层可以吸收、反射声音，对于建筑内部人群的使用起到很好的屏音效果。Wong等人[13]根据英国国家标准BSEN ISO 354:2003，在一个密闭的混响室里做了一个关于垂直绿化对噪音吸收的实验，分别选用植物覆盖率为0%、43%、71%和100%的垂直绿化装置进行测试（图6）。结果表明（表3），植物覆盖率越高，消音系数越高，对噪音的吸收越好。

图6 植物覆盖率分别为0%、43%、71%、100%的垂直绿化装置

表3 垂直绿化消音系数实验测试结果

5 结论及建议

以上实验研究进展分析表明，建筑表皮垂直绿化通过遮阴、降温、控风、屏音作用对室内人体舒适度的改善产生影响。

（1）从影响机理分析，遮阴方面，垂直绿化系统的植物和基质能够降低太阳辐射，影响室内的光照强度和环境温度；降温方面，主要是通过植物的蒸腾作用和基质中水分的蒸发效应，一方面，吸收环境热量降低温度，另一方面，利用水分蒸发增加湿度，共同改善室内人体舒适度；控风方面，植物对气流的疏散能够降低风对室内环境的影响；屏音方面，植物和基质能够一定程度吸收噪音，从人为感受方面改善室内人体舒适度。此外，结合生命周期的实验研究探索发现，建筑表皮垂直绿化有助于提升墙体保温性能，植物和基质的热阻效应是控制室内外环境热交换、降低室内空调能耗的有效途径。

（2）从构成体系和影响因子分析，建筑表皮垂直绿化主要通过植物系统、栽培基质影响室内环境和人体舒适度。植物系统对于绿色表皮和生命墙都能发挥作用，主要影响因子包括叶面积指数、植物叶片层厚度和栽植方位。一般地，叶面积指数越大、植物层叶片厚度越厚，垂直绿化环境调节的效果越好，对于室内人体舒适度的改善越佳（表4）。相关实验表明，在东面和西面，植物能够更好地发挥遮阴、降温等方面作用，改善室内环境状况。栽培基质和容器通过介质本身的屏蔽作用影响生命墙系统的环境调节效能，主要影响因子包括栽培基质的厚度、基质的成分和容器类型。如表4所示，栽培基质的厚度影响遮阴、降温、屏音3个方面的室内环境调节，基质厚度越厚，调节作用越大。相关研究表明，基质成分和容器类型都与垂直绿化环境调节作用有一定关联，但具体的影响效果目前尚缺乏相关实验支撑。

因此，建议在气候温暖的地区选用叶片覆盖率较高、叶片层总体厚度较厚的植物构成建筑表皮垂直绿化系统；植物栽植方位上，西面和东面覆盖改善率较高，可以根据需要较多布置。其次，生命墙系统应选择合适的基质厚度，在合适的状况下，基质厚度较高，室内环境的调节率相应较高。此外，基于可控性和调节效果，从改善室内人体舒适度方面建议选择生命墙系统。

表4 建筑表皮垂直绿化对于室内人体舒适度的影响因子与规律

表5 绿色表皮（Green facades）和生命墙（Living wall）系统比较

比较绿色表皮和生命墙两种系统在室内人体舒适度调节方面的作用（表5），生命墙系统可控性更好，植物系统、栽培基质和容器能够根据室内环境要求进行设计，对室内人体舒适度的影响较为系统；绿色表皮系统基本是依靠植物品种自身的墙面覆盖率影响并调节室内环境状况，调节效果较为局限。因此，如果不考虑造价和后期维护，仅仅基于室内人体舒适度改善的可控性和调节效果，建议选择生命墙系统。

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The Experimental Study on the Infl uence of Vertical Greening on Indoor Human Comfort

文章在分析建筑表皮垂直绿化类型和构成的基础上，结合国内外相关实验研究进展，着重探析垂直绿化各组成部分在遮阴、降温、控风、屏音等方面对室内环境和人体舒适度的改善作用。研究表明：建筑表皮垂直绿化主要通过植物系统、栽培基质影响室内环境和人体舒适度；植物的叶面积指数、植物层厚度以及栽植方位影响垂直绿化4个方面的调节作用；栽培基质厚度影响垂直绿化在遮阴、降温、降噪方面的效果；绿色表皮和生命墙系统相比较，生命墙系统在植物和栽培基质方面可控性强，对人体舒适度的调节效果较好。

垂直绿化；人体舒适度；建筑表皮；室内环境；实验研究

Based on the analysis of vertical greening types of building surface and its formation, and combining with the experimental progress of related research at home and abroad, the paper mainly explores the improving function of vertical greening components applied in indoor environment and human comfort from such aspects as shading, cooling, wind control and screen sound. Research shows that: the vertical greening of architecture surface affects indoor environment and human comfort mainly by plant system and substrate; the leaf area index, the plant thickness and the planting orientation affect the 4 vertical modulation functions of greening planting; the thickness of substrate affects the vertical greening effect in shading, cooling and noise reduction; compared the greening surface with the life wall system, life wall system is easier to control in plants and substrates, which is better for the adjustment of human comfort.

vertical greening, human comfort, building surface, indoor environment, experimental study

2016-05-21）

本研究得到同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司重点项目研发基金, 高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室自主与开放课题（2015KY06）的支持。

王敏，博士，同济大学建筑与城市规划学院景观学系副教授，博士生导师；孙力，同济大学建筑与城市规划学院景观学系硕士研究生。