運(yùn)用植物降溫機(jī)制的圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱設(shè)計(jì)

陳丹丹， 冉茂宇

(華僑大學(xué) 建筑學(xué)院， 福建 廈門 361021)

建筑最基本的功能是為人們提供遮風(fēng)擋雨的庇護(hù)所.我國(guó)炎熱氣候區(qū)居住著半數(shù)以上的人口，因此，越來(lái)越多的房屋必須進(jìn)行建筑防熱設(shè)計(jì)[1].在防熱設(shè)計(jì)過(guò)程中，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是決定室內(nèi)熱舒適質(zhì)量的關(guān)鍵因素.傳統(tǒng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)雖然在保溫隔熱、遮陽(yáng)擋雨方面起著屏障作用，但由于其為實(shí)體材料構(gòu)件，只是一種媒介[2-4]，并不能主動(dòng)調(diào)節(jié)或適應(yīng)氣候.植物具有獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)和生理特性，能夠適應(yīng)不斷變化的天氣條件[5-7]，有著天生的氣候適應(yīng)能力.一方面，植物對(duì)建筑環(huán)境的改善已經(jīng)有相關(guān)應(yīng)用，典型的受自然啟發(fā)的防熱方式是垂直綠化或屋頂綠化[8-9]；另一方面，植物與建筑有很多相似之處，植物扎根于土壤中，并固定于其所處的位置.因此，選擇植物降溫機(jī)制作為研究的出發(fā)點(diǎn).目前面臨的許多問(wèn)題已經(jīng)通過(guò)自然以有效、可持續(xù)和創(chuàng)造性的方式得到解決[10].向大自然尋求應(yīng)對(duì)經(jīng)驗(yàn)是建筑領(lǐng)域一個(gè)新興的研究方向，它提供了巨大的潛力和靈感，可以改善和發(fā)展非生物系統(tǒng).它不是簡(jiǎn)單地模仿自然，而是超越形式，尋求對(duì)其適應(yīng)原則的更好理解.因此，基于植物降溫機(jī)制的圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱設(shè)計(jì)成為人們關(guān)注的課題.本文通過(guò)對(duì)植物降溫機(jī)制進(jìn)行分類梳理，闡述植物降溫機(jī)制與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱方式的聯(lián)系，并對(duì)現(xiàn)有的相關(guān)研究及應(yīng)用進(jìn)行歸納總結(jié)，提出基于植物降溫機(jī)制的圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱設(shè)計(jì)方法.

1 植物降溫機(jī)制

植物在適應(yīng)自然時(shí)，長(zhǎng)期固定于一處，表現(xiàn)為靜態(tài)應(yīng)對(duì)策略，通過(guò)形態(tài)和自身結(jié)構(gòu)體現(xiàn)；在面對(duì)環(huán)境變化時(shí)，則表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)應(yīng)對(duì)策略，植物往往通過(guò)環(huán)境的外力驅(qū)動(dòng)及自身的生理活動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行反應(yīng).

1.1 靜態(tài)應(yīng)對(duì)機(jī)制

1.1.1 形態(tài)分布 自遮陽(yáng)的概念廣泛存在于多肉植物中，主要體現(xiàn)在刺和凸起、肋面、凹槽，或光滑的交替凹凸表面(如仙人掌上不規(guī)則的脊)，這些看似不規(guī)則的現(xiàn)象降低了太陽(yáng)輻射的入射角[11-12].就光而言，盡管仙人掌的表面積與體積比增加，但是肋狀形態(tài)會(huì)產(chǎn)生自陰影，從而降低蒸騰速率.仙人掌的幾何變化被認(rèn)為是對(duì)主動(dòng)輻射攔截的適應(yīng)性的結(jié)果.

植物有效光合作用是通過(guò)葉片高密度的單層分布或疏松的多層分布實(shí)現(xiàn)的[13].例如，小花沙參葉片傾向于擁有較高的莖，從而超越相鄰的葉片，下層的葉片傾向于水平擴(kuò)張以增加光攔截.通過(guò)水平方向的延伸和擴(kuò)展，使葉片的平面區(qū)域最大化，從而最大程度接受太陽(yáng)輻射[14].

有些干旱炎熱地區(qū)生長(zhǎng)的植物，如冬青用密集的小葉子、刺和毛代替了大葉子，以減少葉片表面暴露在陽(yáng)光直射下，從而防止葉片自身溫度過(guò)高，同時(shí)，允許空氣在植被冠層之間流通[15].

一些植物具有適應(yīng)干旱地區(qū)氣候的特殊形態(tài)，利用重力將水直接引到它們的根部，使其吸收水分[16]，如肉質(zhì)植物龍舌蘭，其葉末端尖銳，邊緣多刺，且從根部開(kāi)始生長(zhǎng)，葉子的凹形將雨水或冷凝水引向根部[17].

1.1.2 光學(xué)特性 多肉富士在炎熱的夏季通過(guò)高反射率的葉片降低自身溫度，所以在建筑中使用合適的顏色可以減少輻射吸收的能量.銀色和有光澤的葉片吸光度比其他葉片低約20%[18-19].因此，用于反射的蠟質(zhì)涂層也同樣具有減少輻射的作用[20].

1.2 動(dòng)態(tài)應(yīng)對(duì)機(jī)制

1.2.1 環(huán)境驅(qū)動(dòng) 植物有保護(hù)重要器官或獲得最佳的光照和溫度條件的傾向[21].一些植物表現(xiàn)出相對(duì)較快的運(yùn)動(dòng)，使莖和葉向光方向彎曲，以提高光合效率.還有一類植物如瘦叉柱花，它們利用花的向日性來(lái)跟蹤太陽(yáng)的日常運(yùn)動(dòng)，以確保其生殖器官獲得最佳溫度.

植物還利用濕度驅(qū)動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)形狀變化，如松果在相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)，其封閉的松錐逐漸打開(kāi).植物細(xì)胞壁是一種親水性物質(zhì)，當(dāng)它暴露在干燥的空氣中時(shí)，由于水分蒸發(fā)，它的體積會(huì)縮小.吸濕體積的變化是可逆的，因此，當(dāng)細(xì)胞壁再次暴露在潮濕的空氣中，它將吸收水分并膨脹[22].吸濕膨脹收縮過(guò)程相對(duì)較慢，不需要任何生化能量，且對(duì)周圍環(huán)境變化有響應(yīng)[23].

植物的運(yùn)動(dòng)是對(duì)氣候變化的直接反應(yīng)[24].為了獲得最大的暴露，葉片往往具有清晰的組織和分布，在植物體內(nèi)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和可塑性.在最低限度的照射下，植物在受到高強(qiáng)度照射(如中午)活力較弱時(shí)，會(huì)重新調(diào)整方向，葉片傾斜度較低，防止正常光線照射等情況的發(fā)生[25].植物傾向于改變它們的傾角，以便根據(jù)不同的氣候調(diào)節(jié)光的截留[26]，如薄荷葉片較低層次的葉子彎曲以獲得最大陽(yáng)光輻射.

1.2.2 生理活動(dòng) 蒸騰作用對(duì)降低葉片表面溫度同樣有重要影響.由袁智[27]建立的單個(gè)葉片傳熱傳質(zhì)模型研究可知，氣孔的蒸騰作用在葉片散熱體系中起著重要的作用.整個(gè)夏季葉片蒸騰作用蒸發(fā)潛熱總量占葉片總散熱的32.9%.

植物水分上升的主要通道是木質(zhì)部中的導(dǎo)管，水分上升的動(dòng)力主要來(lái)自植物的蒸騰拉力和導(dǎo)管的毛細(xì)作用[28].毛細(xì)管作用的發(fā)生是由于液體和周圍固體表面的分子間相互吸引[29].液體分子的粘附作用使一些水沿著管壁流動(dòng).毛細(xì)管越窄，液體上升得越高.

植物表皮的氣孔是調(diào)節(jié)溫度的特殊裝置，是蒸騰作用發(fā)生的地方.氣孔通過(guò)張開(kāi)或閉合控制氣體交換，防止植物水分流失[30].如果進(jìn)入植物的水分多于蒸發(fā)的，則細(xì)胞壁受到的壓力增大，氣孔口打開(kāi)，以蒸發(fā)掉更多的水分；如果氣侯干早，蒸發(fā)掉的水分多于進(jìn)入植物的水分，則氣孔關(guān)閉[31].

2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱設(shè)計(jì)過(guò)程

將植物降溫機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)需求，對(duì)于防熱設(shè)計(jì)而言非常重要.自然提供了一個(gè)大型的適應(yīng)策略數(shù)據(jù)庫(kù)，形態(tài)和生理行為是從自然系統(tǒng)中復(fù)制到建筑中最常見(jiàn)的特征.由于其目的是降低溫度、調(diào)節(jié)熱量，因此，傳熱過(guò)程是決定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的主要標(biāo)準(zhǔn).

2.1 建筑傳熱過(guò)程

在夏熱冬暖及夏熱冬冷地區(qū)，夏季氣溫炎熱，造成室內(nèi)過(guò)熱，影響了人們的活動(dòng)及健康，因此，需考慮建筑防熱設(shè)計(jì)[1].一般來(lái)說(shuō)，傳熱過(guò)程有3種主要方式，即輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流.對(duì)于生物體，與物質(zhì)相變有關(guān)的傳熱方式是蒸發(fā)[32].傳熱過(guò)程是自然生物的策略和相應(yīng)的建筑特征之間的共同點(diǎn).然而，植物降溫策略所產(chǎn)生的降溫效果并非單一傳熱方式帶來(lái)的，而是多種傳熱方式共同作用的結(jié)果.因此，在討論傳熱方式與建筑防熱設(shè)計(jì)之間的聯(lián)系時(shí)，以植物降溫機(jī)制的主導(dǎo)傳熱方式為依據(jù)進(jìn)行相關(guān)討論.

2.2 降溫機(jī)制的轉(zhuǎn)化

在收集植物降溫機(jī)制及植物與環(huán)境的相互作用后，提取植物降溫形態(tài)行為等元素，以主導(dǎo)傳熱原理為橋梁，將相同主導(dǎo)傳熱原理的植物降溫元素與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱元素進(jìn)行對(duì)應(yīng)與聯(lián)系，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)最大程度地適應(yīng)自然氣候，實(shí)現(xiàn)降溫.植物降溫機(jī)制及相應(yīng)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱策略，如表1所示.此仿生方法的步驟如下:1) 植物應(yīng)對(duì)高溫方案識(shí)別；2) 提取降溫元素；3) 明確傳熱方式；4) 明確對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱策略；5) 明確概念設(shè)計(jì)整體部分解決方案之間的沖突；6) 進(jìn)行抽象轉(zhuǎn)化；7) 原理應(yīng)用.

表1 植物降溫機(jī)制及相應(yīng)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱策略Tab.1 Plant cooling mechanism and thermal protection strategy of building enclosure

3 降溫策略應(yīng)用分析

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱設(shè)計(jì)主要基于3種建筑降溫策略:遮陽(yáng)；蒸發(fā)；通風(fēng)，這些策略主要通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表達(dá)[33].植物對(duì)大自然的適應(yīng)是整體的，并非是某項(xiàng)生理特征或生理行為應(yīng)對(duì)某項(xiàng)自然現(xiàn)象.在討論建筑某項(xiàng)防熱策略時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)生理結(jié)構(gòu)或行為產(chǎn)生多個(gè)節(jié)能效果.因此，應(yīng)以其主導(dǎo)的作用為分類依據(jù).

3.1 遮陽(yáng)

由于輻射是可見(jiàn)光和非可見(jiàn)光的有效傳熱方式之一，遮陽(yáng)阻擋輻射會(huì)阻礙傳熱，從而導(dǎo)致被動(dòng)降溫.目前，用于建筑遮陽(yáng)設(shè)備的可調(diào)節(jié)性比較有限，主要為太陽(yáng)輻射的極端情況設(shè)計(jì)，而不是為全部暴露在太陽(yáng)輻射下所設(shè)計(jì)[34].Reichert等[35]研究植物如何以最小的能量，利用形態(tài)、組成和行為方式，實(shí)現(xiàn)最佳遮陽(yáng)效果.

Gosztonyi[36]通過(guò)研究仙人掌的幾何形態(tài)，從而優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的自遮陽(yáng)質(zhì)量，研究表明，幾何基礎(chǔ)形式對(duì)采光或遮陽(yáng)有重要影響，陰影和能量交換在很大程度上受到體幾何的影響，從而達(dá)到建筑降溫的效果.將仙人掌的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換到建筑物的立面表面，可以實(shí)現(xiàn)氣候上理想的折疊立面，特別是對(duì)炎熱和陽(yáng)光充足地區(qū)的建筑.

Badarnah等[37]開(kāi)發(fā)了以葉片的向光性為靈感的調(diào)節(jié)遮陽(yáng)系統(tǒng)，由獨(dú)立的遮陽(yáng)板組成，這些遮陽(yáng)板由一個(gè)附著裝置固定.葉子狀的元素被安排在一個(gè)網(wǎng)格上，允許它們跟隨太陽(yáng)的位置自由移動(dòng).該系統(tǒng)產(chǎn)生了一個(gè)高效的遮陽(yáng)，同時(shí)，可以達(dá)到最大限度的太陽(yáng)能增益.研究表明，對(duì)于早晨的低海拔地區(qū)，根據(jù)方位角的不同，遮陽(yáng)板集中在包絡(luò)線的東側(cè)，密度高或低；對(duì)于高度和方位角的不同組合，生成了不同的遮陽(yáng)系統(tǒng)組織模式.目前的遮陽(yáng)系統(tǒng)只考慮高度角或方位角，而沒(méi)有考慮它們的綜合影響(早上和晚上的高海拔角的水平百葉窗或低海拔的垂直百葉窗).這種高度和方位角的結(jié)合是非常重要的，為了覆蓋全天的路徑輻射，在此遮陽(yáng)系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn).

為了避免沙漠的烈日，Cilento[38]以花瓣受太陽(yáng)輻射開(kāi)合為靈感，為Al Bahar塔樓設(shè)計(jì)了雙層立面系統(tǒng).塔樓外立面被動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)成隨著太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉，太陽(yáng)的能量增益下降了50%.

3.2 蒸發(fā)

建筑外表面直接利用太陽(yáng)能使表層水分蒸發(fā)而獲得冷卻的方法，最早是由美國(guó)學(xué)者提出的[39].植物的蒸騰作用對(duì)于植物葉片同樣具有蒸發(fā)降溫的作用.葉片在吸收光輻射進(jìn)行光合作用的同時(shí)，吸收了大量熱量，通過(guò)蒸騰作用散熱，可防止葉溫過(guò)高，避免熱害[40].

Badarnah等[41]設(shè)計(jì)了以氣孔蒸騰作用降溫為靈感的氣孔磚.它是一種3D打印的磚體，其中含有濕的多孔部件，用于蒸發(fā)冷卻，該直接蒸發(fā)冷卻器被應(yīng)用于干旱地區(qū).通過(guò)直接蒸發(fā)冷卻，外部空氣吹過(guò)飽和水介質(zhì)(通常是纖維素),從而蒸發(fā)冷卻.

相對(duì)濕度的變化導(dǎo)致封閉的松錐逐漸打開(kāi).該機(jī)制依賴于雙層結(jié)構(gòu)，活躍的組織外層，厚壁細(xì)胞在暴露于濕氣時(shí)縱向擴(kuò)張并在干燥時(shí)收縮[43].Reichert等[35]以木材的各向異性尺寸變化作為實(shí)際響應(yīng)層的出發(fā)點(diǎn)，利用吸濕材料的特性，研究了適應(yīng)環(huán)境變化的自主響應(yīng)建筑系統(tǒng).研究表明，這種類型的集成功能在物質(zhì)層上允許復(fù)雜的、分散的行為模式，而不需要任何控制單元.同時(shí)，此結(jié)構(gòu)減少了故障點(diǎn)的數(shù)量，并允許系統(tǒng)在發(fā)生大部分故障時(shí)仍然運(yùn)行.

3.3 通風(fēng)

建筑物內(nèi)的自然通風(fēng)是十分必要的，它是決定人們健康和舒適的重要因素之一.自然通風(fēng)相應(yīng)的過(guò)程是:1) 自然對(duì)流，需要溫度梯度來(lái)完成這一過(guò)程；2) 壓差，速度梯度和體積變化影響這一過(guò)程[44].植物在降低自身溫度時(shí)，其形態(tài)和生理活動(dòng)方面也有增強(qiáng)對(duì)流的適應(yīng)策略.

文獻(xiàn)[45]中，Jin以氣孔為靈感，開(kāi)發(fā)了自適應(yīng)立面概念，提取葉片靜脈結(jié)構(gòu)為仿生概念，抽象出六角形概念為表皮組成元素，并與氣孔自我調(diào)節(jié)概念相結(jié)合.構(gòu)建與植物氣孔系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的雙層立面，通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性進(jìn)行溫度管理，控制室內(nèi)、外氣體交換.

3.4 案例評(píng)價(jià)

植物降溫機(jī)制相關(guān)的研究案例，如表2所示.

表2 植物降溫機(jī)制相關(guān)的研究案例Tab.2 Study case related to plant cooling mechanism

續(xù)表Continue table

將植物降溫機(jī)制與其相關(guān)案例進(jìn)行對(duì)比和梳理，分析其防熱性能優(yōu)劣，可發(fā)現(xiàn)以下3點(diǎn)不足.

1) 基于植物降溫機(jī)制的圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱設(shè)計(jì)相關(guān)研究還停留在概念及研究階段，應(yīng)用方面還處于初級(jí)階段.

2) 在遮陽(yáng)、蒸發(fā)、通風(fēng)三者應(yīng)用研究總結(jié)中，植物降溫機(jī)制在通風(fēng)策略方面的研究較少，因此，在通風(fēng)方面的研究是未來(lái)具有彌補(bǔ)空白的方向.

3) 對(duì)植物適應(yīng)性相應(yīng)的研究受到地理氣候因素的局限，如在動(dòng)態(tài)遮陽(yáng)案例中，遮陽(yáng)因素受到太陽(yáng)高度角的影響.

未來(lái)的研究將以普適性原則為依據(jù)，從而發(fā)掘通用的建筑適應(yīng)性圍護(hù)構(gòu)件.

4 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)植物降溫機(jī)制的分類與總結(jié)，從植物適應(yīng)性靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)對(duì)機(jī)制出發(fā)，了解植物在應(yīng)對(duì)氣候挑戰(zhàn)時(shí)有自身的適應(yīng)性，為下一步圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱提供設(shè)計(jì)靈感.

2) 根據(jù)植物應(yīng)對(duì)環(huán)境的形態(tài)及行為抽象簡(jiǎn)化，以主導(dǎo)傳熱過(guò)程為橋梁，將其抽象為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱設(shè)計(jì)元素，為基于植物降溫機(jī)制的圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱設(shè)計(jì)提供相關(guān)的設(shè)計(jì)思路.

3) 將目前現(xiàn)有的植物降溫機(jī)制相關(guān)的案例進(jìn)行歸納總結(jié)，分析現(xiàn)階段的研究現(xiàn)狀，為未來(lái)研究提供設(shè)計(jì)參考.

雖然已有大量的實(shí)驗(yàn)證明植物具有降溫作用，但是對(duì)于大部分植物的降溫表現(xiàn)缺乏具體的量化研究；植物的適應(yīng)表現(xiàn)并非是一種策略對(duì)應(yīng)一種解決方案，往往是一對(duì)多的關(guān)系，因此，在設(shè)計(jì)層面需要對(duì)設(shè)計(jì)需求更深層面的考慮；基于植物降溫機(jī)制的圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱設(shè)計(jì)相關(guān)研究目前還處于初級(jí)階段，需要未來(lái)更多的發(fā)掘與深入探索.