建筑外墙不同形式的垂直绿化对比研究（以广州为例）

詹 意，陈嘉琪，曾柳瑞，周萃楠，吴钰莹，李 雪

（广州大学 广州 510006）

0 引言

自然式的垂直绿化在我国的应用历史悠久，可追溯到2000 多年前春秋时期吴王夫差利用薛荔等藤本植物建造苏州城墙。［1］在现存的苏州古典园林中，也能看到许多古建筑外墙被植物攀援围绕。而更多人工干预的、模块化的垂直绿化建设工程，相较于一些发达国家应用得较晚，但随着环保意识的增强，科技的发展，国内开始出现越来越多的垂直绿化。在城市推行垂直绿化的发展历程中，广州曾是全国的“先行者”。20世纪70年代，我国第一个屋顶花园就在广州东方宾馆 10 层屋顶建成。［2］尽管“起步”早，但广州立体绿化的发展状况却稍显落后，且在实际运用中，广州市内许多已建成的垂直绿化往往未与建筑有机结合，无论从生态还是美观上都不尽人意。在这种发展背景下，提高垂直绿化的合理应用率显得尤为必要。［3］

1 广州市建筑外墙垂直绿化技术的应用

1.1 广州概况

广州市位于广东省中南部地区，地理坐标112°57′-114°03′E，22°26′-23°56′N，总面积 7 434 km2。广州地处亚热带沿海，属南亚热带季风气候，夏季长、霜期短，温暖多雨，光热充足，是中国年平均温差最小的大城市之一。整体环境有利于植物生长，地带性植被为常绿性热带季雨林。

1.2 调查场所

广州现有建筑外墙垂直绿化实例并不算普遍，此次调研的地点主要分布在市中心，总共有10 个调查点：花城汇广场的5 个广场入口（北区下沉广场、中区下沉广场、中区APM 线路入口、北区入口、停车场入口）、广州银行大厦、时尚天河、天环广场、勤建大厦、万科峯境。［4-6］

1.3 研究方法

2017年～2018年间多次实地调研广州建筑外墙垂直绿化场所，记录植物种类、种植方式、种植朝向和后期管理情况，其中种植方式以固定种植槽式、骨架摆花式、模块式、布袋式、自然垂吊式、自然附架式、自然牵引式进行分类统计。结合植物本身的属性与习性，归纳总结出广州市建筑外墙常用绿化墙的共性与特点（见表1）。

1.4 调查结果与分析

1.4.1 建筑外墙垂直绿化概况

调查结果表明，广州建筑外墙垂直绿化平均使用植物种类为4 种，最多为10 种，最少的仅有1 种。建筑外墙垂直绿化在植物选择上比较单一，搭配的多样性不强。且建筑外墙垂直绿化总体缺乏养护，有大面积掉落以及未及时更换的枯萎植物，破坏了整体的图案纹理，影响外墙的美观（见表2）。

1.5 垂直绿化结构类型

表1 广州建筑外墙绿化种植方式［7-9］Tab.1 Guangzhou Building Exterior Wall Greening Planting Method

这10 个调查点的垂直绿化类型中，有大部分建筑外墙设置的垂直绿化的种植方式，是可控性更强，能承载更多植物多样性的人工式生命墙，并且尽量选择东西立面的墙作为绿墙进行施工。

珠江新城花城汇入口选择布袋式的垂直绿化，总体维护良好，但植物种类较为单一。骨架摆花式的花城汇广场的2 个下沉广场和天河天环广场的建筑外墙垂直绿化整体维护效果较好，会根据季节更换植物，景观效果具有多样性。但管理难度高，依然有部分小面积植物存在集体枯萎的现象。花城汇APM 入口和广州银行大厦前的小建筑的建筑外墙垂直绿化是模块式的垂直绿化，根据现场效果来看，由于更换植物灵活性相比于骨架摆花式较低，更换频率低，维护难度大，景观效果比较杂乱。花城汇广场的固定种植槽式垂直绿化虽然和建筑的融合度很高，相较于其他需要花架结构的垂直绿化，固定种植槽式的垂直绿化只需要覆土种植即可，整体性强。但也因此容易收到其他植物或者天气的影响导致带来大面积损坏，景观效果也较为固定单一。勤建大厦的自然垂吊式和万科峯境的附架式生长茂盛，覆盖面积比人工式生命墙要大。但由于植物除自然垂吊、攀爬于外墙的之外，需要特定的技术来养护管理，且成景效果单一。时尚天河门口的自然牵引式垂直绿化可能是由于缺乏管理，生长不佳，绿化覆盖面积很小。

表2 广州10 个调查点的建筑外墙垂直绿化现状比较Tab.2 Comparison of the Status Quo of Vertical Greening on the Exterior Walls of 10 Survey Sites in Guangzhou

1.6 植物景观应用情况

调查的10 个场所建筑外墙垂直绿化共使用了22种植物，隶属于18 个科，以五加科植物为优势科种，占13.6%。从植物种类的角度来看，出现频率较高的植物为肾蕨（17.5%）、鹅掌柴（12.5%）、花叶鹅掌柴（10%）以及吊兰（10%），虽然肾蕨的应用频度高，但强光直射容易导致大面积死亡，破坏绿墙的完整性。鹅掌柴、花叶鹅掌柴和吊兰生长情况都比较理想，适宜在华南地区广泛使用。根据植物的习性，广州建筑外墙垂直绿化选取的植物中，绝大部分都适合生长在温暖湿润的气候，唯一的阴性植物的气候适应性也比较广泛。大部分植物对光照适应的范围较广，但太阳的直射会危害到一小部分植物的正常生长。在这22 种植物中，灌木最多，共有13 种，占植物总数的59.1%（见图1）。

图1 广州建筑外墙垂直绿化植物应用频度Fig.1 Application Frequency of Vertical Greening Plants on Guangzhou Building Exterior Wall

2 广州市建筑外墙垂直绿化现状普及程度

通过向市民和路人发出微信问卷调研，对广州市建筑外墙垂直绿化的普及程度和使用者对垂直绿化的建议进行调研。以年龄层在18～50 周岁之间，在广州生活的居民作为调查对象。最终获得97 个有效问卷，对这97 份有效问卷进行统计和分析。

本调查就建筑外墙垂直绿化的普遍态度，对受访者的反馈情况进行了统计与分析。有90.72%的人在广州有见过垂直绿化，其中有57.73%的人会停留观赏，另外的人则表示不感兴趣。

在满意度上，在“2.在广州地区，您是否有见过绿化墙？”中回答“是”的受访者，在“4.您对现在您在广州所见过的绿化墙满意吗？”的选择中，超过一半的受访对象对广州现有垂直绿化的状态感到一般，26.14%的人对于垂直绿化比较满意，其余的则认为不够满意，以及有1 名受访对象有其他见解。

在垂直绿化的功能优点的调查中，大部分人认同垂直绿化能够减少热岛效应、改变建筑内部温度、净化空气、美化美观的功能，而对于过滤雨水这一功能，则多人认为较其他选项相比不太可靠。

绝大部分受访者认为垂直绿化的缺点在于其维护成本高、养护难度大以及容易滋生蚊虫，但对于其是否会破坏墙体认同感不高（见表3）。

表3 绿化墙的优点数据分布Tab.3 The Advantages and the Shortcomings of Green Wall Data Distribution （%）

由此可见，人们普遍对于广州现有垂直绿化的现状还是有一定的认可和期待，同时也比较清晰地认识到垂直绿化确实能够为城市生态和容貌作出贡献，但其中仍有很多疑惑与担忧——成本高、养护难、滋生蚊虫等。部分受访者们也积极地给予了他们对于广州现有垂直绿化的一些意见，如有人认为现有垂直绿化还是太少，或者在养护方面认为成本过高、不够成熟而不宜推广；以及美观度不够好，绿墙需要充分考虑其周围环境进行合理配置，在色彩和空间大小、形式上协调一致等，都需要在今后得到完善和重视。

3 模拟不同类型的垂直绿化对不同建筑类型的建筑能耗的影响

3.1 模拟方法

本文所使用的计算机软件工具主要为建筑模拟能耗软件DeST。本模拟实验通过对建筑类型、外墙数量、外墙透明性、外墙类型、建筑朝向等影响建筑能耗的因素进行模拟组合，从而探究不同建筑类型下垂直绿化对建筑能耗的影响。［10］

3.2 模拟过程

3.2.1 室外气象参数

室外气象参数使用DeST 中广东省广州市的典型气象年的气象数据进行能耗模拟分析。气象数据为逐时气象数据，包括室外空气干球温度、空气湿度、风速和太阳辐射强度。

3.2.2 室内空调系统模型参数

广州地区夏季使用空调频率较高，空调系统模型的准确性会对实验结果产生较大影响。3 种建筑类型下的空调系统模型参数和设备的开关作息如表4所示。

表4 建筑空调系统参数Tab.4 Different Types of Buildings Air-conditioning System Parameters

3.2.3 垂直绿化热工参数

在本模拟实验中，将垂直绿化等效为导热系数为一定值的100 厚绿化层，所需各参数均取等效值。广州地区普遍的叶面积指数为LAI 3～5，故本文选区的3 种典型叶面积指数为LAI 3、LAI 4、LAI 5。又根据夏季条件下叶面积指数对植被当量热阻的影响曲线拟合结果，得出3 种叶面积指数下绿化层的导热系数。

3.2.4 其他模型参数

在DeST 中建立一个单一房间模型，该房间在竖向上代表一个建筑的中间层，在横向上代表一侧或两侧都有房间的中间房间。模型分别根据典型住宅房间（6 m×6 m×2.8 m）、典型商店店铺（8 m×8 m×4.2 m）、典型办公房间（6 m×6 m×3.9 m）建立正方形房间。在上述三种建筑类型的模型中，天花板、地板和四面墙中的三面（或两面）墙都被设定为绝热（没有热传递和热损失），该房间的热传递只能通过一面或两面外墙。

然后在该模型中对数个参数进行组合模拟，参数包括建筑类型、外墙数量、外墙透明性、外墙类型、建筑朝向。详细参数如下：

建筑类型：住宅建筑、办公建筑、商业建筑；

外墙数量：模型仅有一面外墙、模型具有两面外墙；

外墙透明性：完全不透明、60%透明，40%不透明；

外墙朝向：东+南，东+北；西+南，西+北；南+东，南+西；北+东，北+西。

外墙类型：灰砂砖外墙、混凝土外墙

外墙的具体构造和热物理性能如表5所示。40%不透明外墙的60%透明部分使用6 mm 普通单层玻璃。

3.3 实验结果（见表6）

图2 各类建筑西面为完全不透明灰砂砖墙节能率Fig.2 The Energy Saving Rate of Completely Opaque Grey Sand Brick Wall in the West of Various Buildings

3.4 能耗影响分析

3.4.1 建筑种类对垂直绿化节能效果的影响

如图2所示，在相同条件下（只有西面为外墙、墙体完全不透明、墙体材料采用灰砂砖），垂直绿化墙在住宅、办公与商业3 种建筑中的节能效果不同；且在住宅建筑中的节能效果优于商业建筑，而商业建筑又优于办公建筑。3 种不同建筑类型的模型仅在室内暖通空调系统模型参数与建筑内扰及其作息参数设置不同。

3.4.2 不同叶面积指数对垂直绿化节能效果的影响

如图3所示，在相同条件（西面为完全不透明灰砂砖墙）下，叶面积指数为LAI 5 的垂直绿化墙节能效果最佳，且节能效果随叶面积指数降低而降低。

图3 各类建筑西面完全不透明灰砂砖墙垂直绿化墙节能率Fig.3 The Energy Saving Rate of Vertical Greening Wall of Completely Opaque Lime Sand Brick Wall in the West of Various Buildings

表5 不同垂直绿化类型和不同材料外墙的具体热工参数Tab.5 Different Types of Vertical Greening and Concrete Thermal Parameters of External Walls with Different Materials

表6 有一面外墙且有垂直绿化、及有两面外墙且有垂直绿化相对无垂直绿化的建筑的年累计冷负荷减少量Tab.6 Cumulative Annual Cooling Load Reduction for Buildings with One Facade and with Two Facades，and Vertical Greenery as Opposed to Buildings without Vertical Greenery

3.4.3 不同朝向对垂直绿化节能效果的影响

如图4所示，在住宅建筑完全不透明的灰砂砖墙中，垂直绿化墙在西面的节能效果优于东面，东面优于南面，南面优于北面。由于建筑西面墙体一天中接收到的太阳辐射最大，因此垂直绿化墙节能效果相应较好。

图4 住宅建筑各朝向完全不透明灰砂砖墙垂直绿化节能率Fig.4 Residential Building in Each Direction Completely Opaque Lime Sand Brick Wall Vertical Green Energy Saving Rate

3.4.4 不同外墙透明度对垂直绿化节能效果的影响

不同的外墙透明度会影响垂直绿化墙的节能效果，在商业建筑与办公建筑中影响尤为突出。如图5所示，西面灰砂砖墙上LAI5 垂直绿化墙在完全不透明时的节能效果远优于40%不透明时的节能效果。且在商业建筑与办公建筑此二类室内能耗与热扰较大的建筑中，当建筑外墙部分透明时，垂直绿化墙的节能作用较小，还存在因绿化层增大外墙传热热阻导致室内热量无法排出而增大能耗的情况。

图5 各类建筑不同外墙透明度下西面LAI5 垂直绿化墙节能率Fig.5 Energy Saving Rate of Vertical Green Wall in West LAI5 under Different External Wall Transparency of Various Buildings

3.4.5 垂直绿化墙数量对垂直绿化节能效果的影响

如图6所示，建筑中两面垂直绿化墙的节能效果优于一面垂直绿化墙。且西南、西北两个方位设置垂直绿化墙效果优于东南、东北两个方位。

图6 各类建筑不同数量垂直绿化墙下节能率Fig.6 The Energy-Saving Rate in Different Kinds of Buildings with Different Numbers of Vertical Green Walls

3.4.6 不同外墙材料对垂直绿化节能效果的影响

如图7所示，在相同条件（住宅建筑中叶面积指数为LAI5 的垂直绿化墙）下，在灰砂砖墙表面设置垂直绿化墙的节能效果优于混凝土墙，且二者节能效果相差较大。因此，在设置垂直绿化墙时还应综合考虑建筑本身的墙体材料。

图7 住宅建筑中不同外墙材料设置在叶面积指数LAI5 下垂直绿化墙节能率Fig.7 In Residential Buildings，Different External Wall Materials were Used to Set LAI5 Vertical Green Wall Energy Saving Rate

4 结论

本文通过对广州建筑外墙垂直绿化的现状，结合DeST 能耗模拟软件的分析，对影响建筑外墙与垂直绿化的契合度的因素进行更深入的探讨。在实际项目中，要让建筑外墙垂直绿化真正形成生态作用，需要在设计前根据建筑外墙的属性，以及使用者的需求，匹配适合的垂直绿化，并保持后期管理良好。同时也需要相关科研单位加大研发力度，开发出更多有利于垂直绿化发展的新技术。