垂直綠化對室內熱環境影響測試研究

劉艷峰，陳迎亞，王登甲，李 濤

（西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安，710055）

夏季太陽輻射強度高，影響建筑表面溫度與室內外空氣溫度，下午太陽高度角小，建筑西墻受到強烈太陽輻射存在“西曬”過熱現象[1]，西墻表面溫度和房間空氣溫度劇增，導致空調負荷能耗大[2]．垂直綠化是在建筑墻體外側種植綠色植物，利用植物的遮陽和蒸騰作用，其效果相當于在墻體附加熱阻，可以有效改善室內熱環境[3-7]，并起到較好的建筑節能效果[8-10]．目前國內對垂直綠化的研究主要有趙學義等測試了夏熱冬暖地區建筑外墻綠化對室內熱環境影響效果[11]；劉凌通過 CFD模擬對寒冷地區城鎮建筑垂直綠化生態效應進行研究[12]；宮偉等測試了嚴寒地區哈爾濱市垂直綠化植物降溫增濕效果[13]．以上主要研究晝間垂直綠化對墻體或室內溫度影響，對夏熱冬冷地區垂直綠化全天的影響效果研究較少．研究選取墻體有無垂直綠化的房間為測試對象，在控制單一變量的基礎上連續測試室內外空氣溫度及墻體內外表面溫度，結合西向總太陽輻射強度分析垂直綠化對室內熱環境及建筑表面溫度的改善效果，為垂直綠化技術提供科學的測試依據．

1 測試方案

1.1 測試對象

為研究垂直綠化對室內熱環境影響效果，選擇夏熱冬冷地區具有代表性的駐馬店市作為測試地點．我國建筑節能設計標準按地域劃分，駐馬店市屬夏熱冬冷地區，夏季悶熱，室外空氣平均溫度26.3 ℃，室外空調計算日平均溫度 30.7 ℃，夏季溫度高，空調負荷能耗大．

測試選取某單層建筑兩間結構、功能相同房間，房間面積14.36 m2，外墻為普通磚混結構，如圖1所示；房間西墻有尺寸相同的單層玻璃窗，窗戶面積1.33 m2；垂直綠化房間西墻攀附著平均厚度約24 cm爬山虎；實驗房間南墻相鄰為空房間，排除太陽輻射在南墻產生“南曬”干擾；對比房間西墻外表面無任何綠化植物，周圍無高大建筑物遮擋，測試房間結構如圖2所示．

圖1 測試房間實景圖Fig.1 Test room real picture

圖2 測試房間結構示意圖Fig.2 Test room structure picture

1.2 測試儀器

空氣溫度采用溫濕度自動記錄儀（型號：TR-72U）測試，儀器精度為±0.2 ℃，每隔10 min自動記錄一次；墻體表面溫度通過布置熱電偶測點記錄，熱電偶（型號 Center 309）精度為±0.1 ℃，每隔10 min自動記錄一次；太陽輻射強度利用太陽輻射測試儀（型號TBQ-2）記錄，儀器精度為±0.001 W/m2，每隔60 min自動記錄一次；儀器均為全天24 h連續記錄．

1.3 測點布置

(1) 溫濕度自動記錄儀

利用溫濕度自動記錄儀測量房間空氣溫度，儀器布置在垂直綠化房間、無垂直綠化房間中心，編號1-2；利用溫濕度自動記錄儀測量室外空氣溫度，儀器布置在距地面垂直距離 1.5 m、距西墻水平距離1.5 m處，編號3，如圖2所示．

(2) 熱電偶探頭

利用熱電偶探頭測量西墻表面溫度，在西墻內外表面分別布置8個測點，編號1-8和1′-8′，如圖3所示．分別取測點1-4平均數值為無垂直綠化墻體外表面溫度、測點1′-4′平均數值為無垂直綠化墻體內表面溫度；取測點5-8平均數值為垂直綠化墻體外表面溫度、測點5′-8′平均數值為垂直綠化墻體內表面溫度，熱電偶測點試驗布置效果如圖4所示．

(3) 太陽輻射測試儀

太陽輻射測試儀豎直放置在無垂直綠化西墻外表面，記錄西向垂直面總太陽輻射強度．

圖3 西墻內、外表面熱電偶測點布置示意圖Fig.3 The measuring points on western wall schematic

圖4 熱電偶測點布置測試圖Fig.4 The measuring points on western wall

1.4 測試內容

測試內容包括室內外空氣溫度、西向垂直面總太陽輻射強度、有無垂直綠化墻體的內外表面溫度以及房間的空氣溫度．

測試時間選擇在夏季連晴高溫期間，室外空氣平均溫度30.7℃，屬于一年中最熱時段，符合測試要求．具體日期為2014年7月28～8月16日，連續測試 20天．實驗房間在測試期間門窗為關閉狀態，無人員居住，無燈光等散熱設備運行．

2 測試結果及分析

2.1 室外氣象參數

根據測試結果，選取具有代表性的7月28、29兩日數據進行分析，室外氣象參數如圖5所示．

圖5室外氣象參數Fig.5 Outdoor meteorological parameters

7月 28-29日晝間（7:00-19:00），室外空氣平均溫度35.5 ℃，最高溫度41.8 ℃，西向垂直面總太陽輻射強度可達558.75 W/m2；夜間（19:00-7:00），室外空氣平均溫度26.3 ℃，最高溫度31.3 ℃．晝間室外空氣溫度高，西墻受到太陽輻射強．

2.2 墻體外表面溫度比較

根據測試數據，7月28-29日有無垂直綠化墻體外表面溫度分析如下：

圖6 墻體外表面溫度Fig.6 Temperature of the outer surface of the wall

晝間，無垂直綠化墻體外表面平均溫度和最高溫度為 39.8 ℃、53.5 ℃，垂直綠化墻體外表面平均溫度和最高溫度為 34.9 ℃、42.3 ℃，分別比無垂直綠化墻體低4.9 ℃、11.2 ℃，如圖6所示．垂直綠化植物攀附在墻體上，太陽輻射被大量葉片吸收或反射而不能直接作用于墻體外表面，墻體外表面溫度因此低于無垂直綠化墻體；另外綠化植物葉片含有大量水分，蒸騰作用使水分散失到葉片間隙的空氣中而使空氣溫度降低，加大墻體外表面與植物葉片間隙空氣的換熱量，墻體外表面溫度進一步降低．

夜間，無垂直綠化墻體外表面平均溫度和最高溫度為 30.8 ℃、40.4 ℃，垂直綠化墻體外表面平均溫度和最高溫度為 30.6 ℃、37.0 ℃，分別比無垂直綠化墻體低 0.2 ℃、3.4 ℃．夜間不存在太陽輻射，綠化植物主要通過蒸騰作用減低葉片間隙空氣溫度，進而降低綠化墻體外表面溫度．

2.3 墻體內表面溫度比較

根據測試數據，7月28-29日有無垂直綠化墻體內表面溫度分析如下：

晝間，無垂直綠化墻體內表面平均溫度和最高溫度為 33.8 ℃、35.7 ℃，垂直綠化墻體內表面平均溫度和最高溫度為 32.9 ℃、34.5 ℃，分別比無垂直綠化墻體低0.9 ℃、1.2 ℃，如圖7所示；夜間，無垂直綠化墻體內表面平均溫度和最高溫度為35.3 ℃、36.4 ℃，垂直綠化墻體內表面平均溫度和最高溫度為 33.6 ℃、34.5 ℃，分別比無垂直綠化墻體低1.7 ℃、1.9 ℃．

有無垂直綠化墻體內表面平均溫度和最高溫度均小于墻體外表面的，且內表面溫度趨勢較為平緩．垂直綠化墻體外表面平均溫度比無垂直綠化墻體外表面平均溫度低，表明垂直綠化能有效降低建筑表面溫度，緩解“西曬”過熱現象．

圖7 墻體內表面溫度比較Fig.7 Temperature of the inner surface of the wall

2.4 房間空氣溫度比較

根據測試數據，7月28-29日有無垂直綠化房間空氣溫度分析如下：

圖8 房間空氣溫度Fig.8 Room air temperature

晝間，無垂直綠化房間空氣平均溫度和最高溫度為 33.1 ℃、34.8 ℃，垂直綠化房間空氣平均溫度和最高溫度為 31.8 ℃、33.1 ℃，分別比無垂直綠化房間低 1.3 ℃、1.7 ℃，垂直綠化房間空氣溫度取得極值時刻比無垂直綠化房間延遲40 min,，如圖 8所示．垂直綠化房間空氣溫度變化較為平緩，且峰值較低，表明垂直綠化不僅增大了西向外圍護結構熱惰性，還可起到削峰填谷作用，避免室內空氣溫度大幅變化，垂直綠化在夏季最不利工況期間對室內熱環境有較好改善作用．另外垂直綠化房間空氣溫度較低，可一定程度減少空調運行時間，達到建筑節能目的．

夜間，無垂直綠化房間空氣平均溫度和最高溫度為 33.7 ℃、34.7 ℃，垂直綠化房間空氣平均溫度和最高溫度為 32.0 ℃、33.0 ℃，分別比無垂直綠化房間低 1.7 ℃、1.0 ℃．墻體晝間蓄熱、夜間放熱，與無垂直綠化墻體相比，垂直綠化墻體晝間平均溫度較低，墻體蓄熱量小，墻體夜間放熱量較小，從而夜間垂直綠化房間溫度低于無垂直綠化房間空氣溫度．

3 結論

在夏季連晴高溫期間進行連續測試，通過分析得到結論主要有：

（1）垂直綠化墻體與無垂直綠化墻體的外表面平均溫度、最高溫度相比，晝間分別低 4.9 ℃、11.2 ℃；夜間分別低0.2 ℃、3.4 ℃，垂直綠化明顯降低墻體外表面溫度峰值．

（2）垂直綠化墻體與無垂直綠化墻體的內表面平均溫度、最高溫度相比，晝間分別低 0.9 ℃、1.2 ℃；夜間分別低 1.7 ℃、1.9 ℃．垂直綠化能較好的降低建筑維護表面溫度，緩解“西曬”過熱現象．

（3）垂直綠化房間與無垂直綠化房間的室內空氣平均溫度、最高溫度相比，晝間分別低1.3 ℃、1.7 ℃；夜間分別低 1.7 ℃、1.0 ℃．垂直綠化可增大西向外圍護結構的熱惰性，對室內空氣溫度有削峰填谷作用，避免室內空氣溫度大幅變化，對夏季室內熱環境改善效果良好，達到建筑節能目的．

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