重庆办公建筑绿表皮系统夏季热工性能研究

王笑涵，王暄晴，张棱勃，杨真静

（1重庆大学 建筑城规学院，重庆 400045；2山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045）

0 引言

随着城市化的推进，城市用地愈加紧张，高楼林立成为城市的常态，扩大城市平面绿化面积的实施难度与日俱增，而垂直绿化在高层建筑中的应用将为城市绿量带来保障[1]，为城市建筑带来新的变革与机遇。垂直绿化可以有效减少建筑外立面的得热[2]，绿化植物可以通过蒸腾作用降低室温、增加空气湿度、减少建筑立面附近风量；作为遮阳构件也可以降低建筑外墙的温度梯度，减少与建筑外墙的热传导[3]。

绿表皮系统[4]（图1）作为垂直绿化的一种手段，是指将植物种植于模块中，以拉绳为固定构件的附壁牵引式垂直绿化[5]，这种形式对室内采光影响较小，多应用于玻璃幕墙办公建筑[6]。对绿表皮系统热工性能的研究有助于最大化利用其隔热效果，促进建筑的可持续发展。

图1 绿表皮系统

近年来，对于垂直绿化的研究呈逐步增加的趋势（图2），目前针对绿表皮系统调节热性能的机制方面的研究，主要集中在与绿化植物和建筑墙体间空气间层相关的遮阳、冷却、保温和屏障四个主要方面[7]。Kenneth Ip等［8］研究得到爬山虎植物遮阳系数数学关系式。施慧中等［6］研究表明夏季实测工况下，附壁牵引式垂直绿化可减少太阳辐射得热大于60%，降低约15%的空调能耗，同时可降低玻璃幕墙外表面温度达5.2℃。陆世登等［9］实验得出采用绿化遮阳的建筑外墙外表面的最高温度比不采用绿化遮阳低，外墙外表面温度的高低会直接影响建筑室内的热舒适性及空调能耗。此外，植物作为建筑绿表皮系统的主体具有很强的地域性，其选取及构造类型的选择应因地制宜。

图2 发表年度趋势（中国知网）

重庆夏季闷热、冬季湿冷，气温日较差小，年降水量大，是夏热冬冷地区的典型代表。因绿表皮系统在办公建筑中应用居多，故针对此气候特征选取重庆某多层办公楼，研究绿表皮系统对建筑遮阳、冷却及周边环境风速的影响，探究重庆地区绿表皮系统对办公建筑墙体隔热性能的影响及其响应机制。

1 研究方法

1.1 实验对象

实验对象（图3）位于重庆市沙坪坝区重庆大学某办公楼七楼屋顶，场地坐北朝南，内设空调，保证室内温度恒定为27.00℃，取南向宽5200mm、高3000mm的无窗墙壁作为绿化模块的实墙体，据此设定标准实验绿化模块。

图3 实验对象实景图

1.2 实验器材

各实验仪器及被测参数如表1所示。

表1 实验仪器及被测参数

1.3 实验方法

选择八月内连晴天中7:00—23:00这一时间段进行温湿度、风速及太阳辐照度测量，所有仪器在实验开始前进行标定，每30min记录一次数据。同时，为减少实验模块相互热传递，形成误差，各个模块相互距离间隔600mm。具体实验方法如表2所示。

表2 具体实验方法

2 结果及分析

2.1 绿表皮系统对热环境的改善

以实验一绿表皮单元与传统的百叶遮阳以及无绿化裸墙这一对比实验为例，讨论绿表皮系统对建筑热环境的改善。在温度变化方面（图9、图10），绿表皮单元及百叶单元室内外温度值均呈现先上升后下降的趋势，但绿表皮单元对温度的削弱作用明显大于传统百叶：室外温度最高可达39.42℃，在下午15时出现，而相对应的绿表皮单元墙体外表面温度为32.95℃，百叶单元墙体外表面为34.91℃。在测定时间内（表3），百叶单元的墙体外表面平均温度为32.45℃；绿表皮单元的墙体外表面平均温度为32.04℃，相较于裸墙外表面，同比降低了0.77℃和1.18℃。

图9 实验一墙体外表面温度曲线图

图10 实验一室内温度曲线图

表3 百叶对比实验平均数据

绿表皮与百叶对风速均有较明显的减弱作用（图11），但减弱程度与具体作用时间分布有所不同。室外风速在测量时间内波动较大，在13时00分出现峰值，为1.69m/s；绿表皮单元的空气间层风速在14时出现峰值，为0.69m/s；百叶单元的空气间层风速在17时00分出现峰值，为1.18m/s。在测定时间内（表3），室外平均风速为0.93m/s，绿表皮空气间层为0.17m/s，降低了82%；百叶空气间层为0.61m/s，降低了34%。在对太阳辐照度的减弱作用上（图12），由于采用的是与标准绿表皮单元相同遮阳率的定制百叶，其改善程度也近似。

图11 实验一风速曲线图

图12 实验一太阳辐射曲线图

由以上数据可知，绿表皮单元对热环境有一定的改善，在温度、风速、太阳辐照度方面均有一定的作用。相较于百叶来说，对温度及风速的阻隔作用明显，但对太阳辐照度的阻隔效果并不显著。

2.2 绿表皮单元空气间层厚度对热环境的影响

实验二通过改变绿表皮单元空气间层的厚度，探究其对建筑热环境改善的差异。测量时间内，不同厚度空气间层的室内外温度值变化趋势相同（图13、图14），墙体外表面平均温度按空气间层厚度从小至大分别为32.92℃、33.50℃、33.92℃（表4）。室外温度变化幅度较大，最高可达39.00℃，最低为32.83℃，而空气间层间距为100mm的墙体外表面最高温度为15时的34.52℃，空气间层间距200mm和400mm的墙体外表面最高温度在14时出现，分别为36.84℃和35.94℃。

表4 空气间层对比实验平均数据

图14 实验二室内温度曲线图

在测量时间内，风速数据（图15）上下波动均较大，室外风速在15时出现峰值，为1.03m/s；空气间层内部的测量值有相似的变化规律，最大风速值按空气间层厚度从小至大分别是1.46m/s、0.84m/s、1.59m/s。

图15 实验二风速曲线图

室外太阳辐照度（图16）在测量时间内变化很大，下午7时之前最小值为39.30w/m2，最大值可达855.70w/m2，变化幅度为816.40w/m2；而绿表皮单元空气间层的太阳辐射在测量时间内变化相对较小。太阳辐射最大值在中午11时到13时之间出现，其数值按空气间层厚度从小至大分别为181.90w/m2、114.40w/m2、174.40w/m2，最小值均出现在19时，即日落前，按空气间层厚度从小至大分别为6.90w/m2、3.10w/m2、6.90w/m2，变化幅度分别为175.00w/m2、111.30w/m2、167.50w/m2。

图16 实验二太阳辐射曲线图

由此可见，绿表皮单元的空气间层厚度对其作用效果有一定的影响，但该影响并不成正比例，其中或许存在着某一作用效果最好的空气间层厚度最优值。

2.3 绿表皮单元不同透光比对热环境的影响

通过调整绿表皮单元植物的透光比进行对比，发现透光比对温度的影响不大（图17、图18），但对风速和太阳辐照度的改善有相对明显的差异（图19、图20）。在测量时间内，绿化层较密的一组空气间层平均风速为0.08m/s，绿化层较疏的一组为0.31m/s，与环境风速相比均有较大差距（表5）。在针对太阳辐射的测量数据中，绿化层较密的一组空气间层平均太阳辐照度为35.33w/m2，而绿化层较疏的一组为62.75w/m2，约为前者的两倍，对比明显。

表5 疏密度对比实验平均数据

图17 实验三墙体外表面温度曲线图

图18 实验三室内温度曲线图

图19 实验三风速曲线图

图20 实验三太阳辐射曲线图

据此来看，绿表皮单元植物叶片的透光比对其作用效果有一定的影响，且与作用效果基本成正比。

3 结论

通过对重庆地区办公建筑各单元模块进行热工性能实验，得出以下结论：绿表皮和建筑墙体之间形成的空气间层对室内外气候存在缓冲作用，形成了良好的室内外微气候缓冲层，可降低风速及温度波动幅度，阻隔太阳辐射，对建筑有较好的隔热效果。其效果受空气间层厚度、绿表皮透光比等因素影响：当空气间层为100～400mm之间时，间距与效果呈负相关；透光比与效果成正相关，绿表皮越密透光比越小，叶面正投影面积越大，作用效果越好。因此，在以重庆为代表的夏热冬冷地区，应在办公建筑中广泛应用绿表皮系统，以达到建筑热性能提升效果，助推城市热环境和生态环境的改善。