南京市夏季垂直綠化對人體舒適度的影響探究

陳 宇

宋雙雙

侯雅楠

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，高人口密度、高開發(fā)強度的城市聚集效應(yīng)愈發(fā)明顯，給城市的生態(tài)和社會環(huán)境帶來了巨大壓力。資源枯竭、氣候變暖、熱島效應(yīng)等生態(tài)問題日益突出，直接影響人們的生理感受。城市建設(shè)與人口、用地間的矛盾威脅著人們的生存空間，從而影響了城市環(huán)境中的人體舒適度[1-2]。垂直綠化作為建筑物或構(gòu)筑物豎向空間的綠化手段，充分利用三維技術(shù)，多層次、多維度發(fā)展綠化形式，在增加城市綠化面積、緩解城市土地資源短缺、改善空氣質(zhì)量等方面具有極大優(yōu)勢[3]。特別是近年來，城市建設(shè)不斷強調(diào)綠色生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)，統(tǒng)籌發(fā)揮生態(tài)、社會和經(jīng)濟(jì)等多方面效益，使垂直綠化在城市發(fā)展進(jìn)程中的地位不斷提高，越來越多有關(guān)垂直綠化的應(yīng)用和實踐在城市中涌現(xiàn)。深入推進(jìn)垂直綠化建設(shè)，將有利于實現(xiàn)城市生態(tài)自然和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，也將為人們提供更為舒適的人居環(huán)境。

目前國內(nèi)外學(xué)者對垂直綠化的研究已不局限于植物的選擇和配置，而是更多從使用者的角度進(jìn)行探索。研究發(fā)現(xiàn)，垂直綠化能顯著降溫增濕[4]、減弱風(fēng)速[5]，對人體舒適度有積極影響。近年來，對南京市垂直綠化的研究主要集中在對南京市垂直綠化的植物選擇、新型綠化形式的探索和生態(tài)效益的評價等方面，而從垂直綠化對人體舒適度影響的角度進(jìn)行的探討尚缺乏。本文從垂直綠化形式、綠化方位等方面探討垂直綠化對人體舒適度的影響，以期為城市垂直綠化設(shè)計和創(chuàng)造舒適的人居環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地位于江蘇省南京市，地處長江三角洲地區(qū)，全市下轄11個區(qū)，總面積6 597km2，坐標(biāo)為北緯3 1°5 4′～3 2°1 6′，東經(jīng)118°32′～119°24′，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，四季分明，年平均降水量1 200mm，年平均氣溫15.4℃。冬季以東北風(fēng)為主，夏季以東南風(fēng)為主，植被類型具有亞熱帶常綠闊葉林向暖溫帶落葉闊葉林過渡的特征[6]。

1.2 樣地選擇

以南京萬榮立體綠化研發(fā)中心辦公樓為研究對象，其位于南京市察哈爾路華嚴(yán)崗，研發(fā)中心辦公樓和職工宿舍等建筑物都被垂直綠化覆蓋，綠化面積共計1 000m2，采用了網(wǎng)架牽引式、模塊式、種植槽式和種植毯式等多種垂直綠化形式。種植有花葉絡(luò)石(Trachelospermum jasminoides‘Flame’)、細(xì)葉萼距花(Cuphea hyssopifolia)、大吳風(fēng)草(Farfugium japonicum)、沿階草(Ophiopogon bodinieri)、紅花酢漿草(Oxalis corymbosa)、金錢蒲(Acorus gramineusvar.pusillus)、金絲苔草(Carex oshimensis‘Evergold’)、常春藤(Hedera nepalensisvar.sinensis)和鵝掌柴(Schefflera heptaphylla)等室內(nèi)外垂直綠化植物21種[7]。由于樣地中綠化形式主要以網(wǎng)架牽引式和模塊式為主，種植槽式、種植毯式多分布于室內(nèi)且面積較小，因此選擇網(wǎng)架式和模塊式作為研究對象。

1.3 研究方法

為測試不同朝向方位和不同類型垂直綠化對人體舒適度的影響，將立體綠化測試樣點布置于5個建筑立面上，如圖1所示，樣點①②分別為小木屋的東北立面和西北立面，樣點③④分別為辦公樓的東南立面和西南立面，樣點⑤為對照無綠化立面。小木屋采用模塊式垂直綠化形式，辦公樓則采用網(wǎng)架式垂直綠化形式。在調(diào)研中，共分3組進(jìn)行測試[8]。

測試一：將樣點③與⑤的氣候環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗證有無垂直綠化的條件下，室內(nèi)外的溫濕度變化。測試內(nèi)容包括外墻表面溫濕度和室內(nèi)溫濕度。樣點③為垂直綠化墻體，樣點⑤為無綠化對照墻體，測試墻面均朝向東南，避免了不同方位的影響。

測試二：通過對樣點①和④的測試分析，探討模塊式垂直綠化與網(wǎng)架式垂直綠化的生態(tài)效益差異。測量木屋樣點①(模塊式垂直綠化形式)和辦公樓樣點④(網(wǎng)架式垂直綠化形式)的墻體外表面及內(nèi)表面溫濕度，以及室內(nèi)和室外空氣溫濕度。

測試三：測試樣點②的外墻平均溫濕度和室內(nèi)溫濕度，并結(jié)合樣點①③④的數(shù)據(jù)，分析不同方位和朝向影響下垂直綠化的小氣候差異及人體舒適度。

圖1 南京萬榮垂直綠化墻體測試樣點布置示意

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 溫度、濕度

選擇夏季南京地區(qū)晴朗無風(fēng)(風(fēng)速＜2m/s)天氣，于2016年8—9月共測量5d，并選取其中天氣狀況最優(yōu)的3d作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用空氣溫濕度測量儀(型號Testo610)，每日9：00—18：00間隔1h手動記錄距離地面1.5m處墻體外表面、內(nèi)表面，以及室內(nèi)和室外空氣的溫濕度等數(shù)據(jù)[9]。

運用Excel進(jìn)行統(tǒng)計，并采用SPSS2.0統(tǒng)計軟件對溫濕度進(jìn)行方差分析和配對樣本T檢驗，一般認(rèn)為，相關(guān)系數(shù)R＞0表示2個變量間呈正相關(guān)，R＜0為負(fù)相關(guān)。|R|≥0.8時，可認(rèn)為高度相關(guān)；0.5＜|R|＜0.8時，變量間中度相關(guān)；|R|≤0.5時，低相關(guān)或不相關(guān)，需要重新配對檢驗。其中當(dāng)P＜0.05時，表明樣本間具有顯著性差別[10]。

1.4.2 熱舒適度指標(biāo)

PMV-PPD指標(biāo)是目前運用最為廣泛的評價熱舒適的指標(biāo)。PMV指標(biāo)為預(yù)計處于熱環(huán)境中的群體對于熱感覺投票的平均值，可用于評價和判斷某一環(huán)境狀態(tài)能否滿足人體熱舒適性要求；PPD指數(shù)可對于不滿意的人數(shù)給出定量預(yù)計值，即預(yù)測不滿意率，可用百分比表示。PMV指標(biāo)與ASHRAE熱感覺7級指標(biāo)相對應(yīng)，PMV指標(biāo)從冷到熱取值為-3～3[11]，其計算公式為：

式中，PMV為預(yù)計平均熱感覺指數(shù)；M為人體代謝率，W/m2；W為外部做功消耗的熱量(對大多數(shù)活動可忽略不計)，W/m2；Icl為服裝熱阻，m2·K/W；fcl為著裝時人的體表面積與裸露時人的體表面積之比；ta為空氣溫度，℃；

為平均輻射溫度，℃；pa為水蒸氣分壓，Pa；為對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；tcl為服裝表面溫度，℃。其中，hc和tcl可由公式替代得出，因此PMV可通過計算代謝率、服裝熱阻、空氣溫度、平均輻射溫度、風(fēng)速和水蒸氣分壓等參數(shù)得出。

如圖2所示，PMV與PPD的關(guān)系可用公式表示：

PMV指標(biāo)從冷到熱的取值為-3～3，當(dāng)濕熱環(huán)境達(dá)到舒適狀況，即PMV=0時，此時PPD=5%并未達(dá)到0，這是由于雖然濕熱環(huán)境達(dá)到舒適狀況，但人們的舒適度受到生理、心理等多種因素的影響，仍有5%的人會感到不滿意[13]。通過對不同環(huán)境下PMV-PPD的數(shù)據(jù)對比，得出垂直綠化對人體舒適度的影響。

使用PMV-PPD指標(biāo)計算公式，結(jié)合Matlab R2016程序軟件和PMV計算匹配模板進(jìn)行指標(biāo)運算，主要參數(shù)包括服裝熱阻、代謝率、人體外部做功消耗的熱量、環(huán)境溫度、平均輻射溫度、風(fēng)速和相對濕度7個指標(biāo)[14]。其中，由于測試樣點為夏季8月南京地區(qū)的垂直綠化建筑室內(nèi)，且建筑內(nèi)辦公和學(xué)習(xí)的人群長時間采取坐姿，因此可假設(shè)：夏季建筑室內(nèi)人員的著裝為短袖襯衫、裙子和便鞋、長襪等，此時服裝熱阻為0.55clo；室內(nèi)人群主要活動的代謝率為69.78W/m2，即1.2met；人體外部做功消耗的熱量對大多數(shù)活動可忽略不計，W=0；由于室內(nèi)受到較少的太陽輻射，因此將室內(nèi)平均輻射溫度近似于環(huán)境溫度[15]，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 有無垂直綠化環(huán)境的對比分析

測試一主要研究垂直綠化和無綠化裸露環(huán)境下的影響差異，測得溫濕度對比結(jié)果如圖3、4所示。結(jié)果顯示，綠化墻體樣點③外墻面平均溫度34.08℃，而對照墻體樣點⑤外墻面平均溫度則高達(dá)37.8℃，實施墻體綠化可使室外墻體降溫3.72℃，降溫效應(yīng)明顯(P=0.000)；樣點③室內(nèi)平均溫度28.62℃，對照墻體樣點⑤室內(nèi)平均溫度36.07℃，溫差達(dá)7.45℃。由表2可以看出，綠化墻體室內(nèi)外溫差較大，可達(dá)5.46℃，無綠化對照墻體室內(nèi)外溫差較小，且室內(nèi)外溫度都偏高，高溫造成了人體舒適度的差異，同時也影響人們的工作和生活。

圖2 PMV與PPD的函數(shù)關(guān)系[12]

表1 人體舒適度個人參數(shù)設(shè)置

通過測試發(fā)現(xiàn)，樣點③外墻平均濕度為51.09%，對照墻體樣點⑤外墻平均濕度為47.43%，外墻濕度差異較顯著(P=0.000)，濕度平均差值為3.66%。在分析樣點③和⑤的室內(nèi)濕度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，二者相關(guān)性較低，差異不明顯(R=0.589，P=0.064)，故不再對室內(nèi)濕度作進(jìn)一步分析。綠化墻體室內(nèi)平均濕度為50.54%，室內(nèi)外濕度無明顯差異，無綠化對照墻體室內(nèi)平均濕度49.09%，比外墻濕度高1.66%，主要由于無綠化的外墻面接收了較多太陽輻射而溫度升高，加快了水分蒸發(fā)，導(dǎo)致相對濕度水平較低。

2.2 不同綠化形式的對比分析

測試二主要探討模塊式垂直綠化和網(wǎng)架式垂直綠化的生態(tài)效應(yīng)差異，由圖5和表2可知，網(wǎng)架式垂直綠化樣點④外墻平均溫度34.65℃，其溫度明顯高于模塊式垂直綠化樣點①，溫度差值4.07℃，差異顯著(P=0.000)。2種不同綠化形式的室內(nèi)溫度也有所差異，樣點①室內(nèi)溫度28.62℃，樣點④室內(nèi)溫度30.47℃，差異較小；而樣點①室外溫度較室內(nèi)溫度高1.96℃，樣點④室外溫度較室內(nèi)溫度高4.18℃。網(wǎng)架式垂直綠化室外溫度較高、室內(nèi)外溫差較大，模塊式垂直綠化外墻溫度較低、室內(nèi)外溫差較小，二者都可為人們在炎熱夏季的工作與生活提供相對舒適的環(huán)境，但相比之下模塊式垂直綠化效果更佳。

圖3 樣點③與⑤溫度對比分析

圖4 樣點③與⑤濕度對比分析

結(jié)合圖6和表3發(fā)現(xiàn)，樣點①外墻平均濕度56.14%，樣點④外墻平均濕度50.14%，樣點④空氣濕度明顯低于樣點①(P=0.000)，二者濕度差值達(dá)6%；室內(nèi)濕度方面，樣點①室內(nèi)濕度54.14%，與外墻濕度相差2%，而樣點④室內(nèi)濕度50.54%，高于室外濕度0.4%，這主要由于網(wǎng)架式垂直綠化與墻體形成通風(fēng)道間層[16]，風(fēng)速加快水分蒸發(fā)，降低空氣濕度，而模塊式垂直綠化則以其較為密集的植物覆蓋和栽培基質(zhì)增加了室內(nèi)外空氣濕度。

圖5 樣點①與④溫度對比分析

圖6 樣點①與④濕度對比分析

圖7 不同方位垂直綠化溫度對比分析

圖8 不同方位垂直綠化濕度對比分析

2.3 不同綠化方位的對比分析

測試三主要研究建筑不同方位綠化墻體的生態(tài)效應(yīng)差異，其中以2個不同方位的木屋樣點和2個不同方位的辦公樓樣點進(jìn)行對比分析，可以得到溫濕度相關(guān)數(shù)據(jù)(表4)。樣點①為木屋東北立面，其外墻平均溫度30.58℃，與木屋西北立面的樣點②無明顯差異(P=0.952)；樣點③為辦公樓東南立面，外墻平均溫度34.08℃，比辦公樓西南立面樣點④溫度低0.57℃。木屋與辦公樓樣點平均溫度差值達(dá)4.09℃，這主要受到建筑物材質(zhì)和垂直綠化形式的影響，木屋本身隔熱性能優(yōu)異，且由上文可知其表面主要采取的模塊式垂直綠化形式效果更佳，因此使得二者在整體水平上有所差異。由圖7可知，木屋樣點①和②與木屋室內(nèi)溫度差異較小，室外溫度整體高于室內(nèi)溫度；而辦公樓樣點③和④的溫度整體偏高，最高溫出現(xiàn)在14：00，達(dá)到39℃，室內(nèi)外溫差大。由4處測試樣點溫度對比分析可知，木屋東北面墻體溫度略高于西北面，辦公樓東南面溫度高于西南面，辦公樓南向墻體溫度整體較高。

表2 溫度樣本檢驗分析

表3 濕度樣本檢驗分析

樣點①外墻平均濕度56.14%，樣點②外墻平均濕度57.97%，二者濕度差值為1.83%，差異較為明顯(P=0.003)，樣點③外墻平均濕度51.09%，樣點④外墻平均濕度50.14%，辦公樓的不同綠化方位濕度無明顯差異(P=0.980)。辦公樓的測試樣點③和④整體濕度低于木屋測試樣點，差值高達(dá)7.83%。由圖8可知，木屋的室外測點平均濕度與室內(nèi)平均濕度差值較小，而辦公樓室外測點與室內(nèi)的濕度也無較大差異，其濕度均較低。

圖9 萬榮立體綠化研發(fā)中心室內(nèi)PMV-PPD分析

2.4 人體舒適度對比分析

以萬榮立體綠化研發(fā)中心實施垂直綠化的辦公樓、木屋和對照無綠化辦公樓3處室內(nèi)溫濕度為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合人體舒適度PMVPPD指標(biāo)分析得到表5和圖9，可以看出，一天中PMV隨時間變化呈現(xiàn)一定規(guī)律，9：00和18：00人體舒適度幾乎沒有差異，PMV值均較低，14：00溫度達(dá)到最高，人體舒適度相應(yīng)最差。結(jié)合人體舒適度PMV-PPD分析可得，實施垂直綠化的辦公樓和木屋PMV＜2，對照無綠化辦公樓室內(nèi)PMV較高，PMV＞2，最高可達(dá)4.67。實施垂直綠化的辦公樓和木屋的PPD相對較低，遠(yuǎn)高于人體舒適狀態(tài)的PPD≤27%。無綠化對照的室內(nèi)環(huán)境狀況較差，PPD接近100%，即未實施垂直綠化的建筑內(nèi)人體舒適度較不理想。

3 結(jié)論與討論

本文以南京萬榮立體綠化研發(fā)中心辦公建筑為樣點，對3處建筑外墻面垂直綠化和室內(nèi)舒適狀況進(jìn)行測試和對比分析，從多個方面探討垂直綠化對人體舒適度的影響，通過分析得到以下結(jié)論。

實施墻體綠化使室外墻體降溫3.72℃，室內(nèi)溫度降低7.45℃，降溫效應(yīng)明顯。綠化墻體室內(nèi)外溫差較大，可達(dá)5.46℃，無綠化對照墻體內(nèi)外溫差較小，且室內(nèi)外溫度都偏高。實施墻體綠化可使室外墻體平均濕度增加3.66%，室內(nèi)濕度差異不明顯。綠化墻體室內(nèi)外濕度無明顯差異，無綠化對照墻體室內(nèi)平均濕度比外墻高。

不同垂直綠化形式的生態(tài)效益有所不同，網(wǎng)架式垂直綠化外墻平均溫度34.65℃，比模塊式垂直綠化高4.07℃。二者室內(nèi)溫度差異較小，其中網(wǎng)架式垂直綠化室內(nèi)外溫差較大，模塊式垂直綠化室內(nèi)外溫差較小。模塊式垂直綠化外墻平均濕度比網(wǎng)架式垂直綠化外墻高6%。而在室內(nèi)濕度方面，模塊式垂直綠化室內(nèi)外濕度差異比網(wǎng)架式垂直綠化更加明顯。模塊式綠化以其較為密集的植物覆蓋和栽培基質(zhì)，極大增加了室內(nèi)外空氣濕度，在減小室內(nèi)外溫差、增加濕度、提升人體舒適度方面有著一定優(yōu)勢。

通過對木屋和混凝土辦公樓的對比測試可知，辦公樓的溫度高于木屋4.09℃，木屋東北面墻體溫度略高于西北面，辦公樓東南面溫度高于西南面，辦公樓南向墻體溫度整體較高。結(jié)合南京地區(qū)夏季南向多太陽輻射，垂直綠化墻體應(yīng)考慮布設(shè)于建筑南立面，從而為建筑墻體減少太陽輻射[17]，使降溫效應(yīng)明顯。

表4 溫濕度樣本檢驗分析

表5 萬榮立體綠化研發(fā)中心環(huán)境狀況

經(jīng)過計算可得，各環(huán)境樣點在一天中的PMV值隨時間變化先升高后下降且在14：00達(dá)到峰值，18：00恢復(fù)到與9：00相似水平。其中對照無綠化室內(nèi)PMV＞2，辦公樓和木屋室內(nèi)PMV＜2，且木屋的PMV值最低。無綠化對照的室內(nèi)環(huán)境狀況較差，PPD接近100%，辦公樓和木屋室內(nèi)PPD相對較低，人體舒適度狀態(tài)較為理想。可以看出，實施垂直綠化能有效降低PMV和PPD值，改善室內(nèi)環(huán)境舒適度。

由研究結(jié)果可知，在城市建設(shè)中可以通過增加自然爬山虎覆蓋或人工綠墻改善室內(nèi)人體舒適度，實現(xiàn)夏季空調(diào)的節(jié)能減排。在綠化形式的選擇方面，模塊式比網(wǎng)架式在降溫增濕、提升人體舒適度方面的優(yōu)勢更加明顯，可以作為室外垂直綠化的主要模式進(jìn)行推廣。另外建筑材質(zhì)也影響著氣候環(huán)境，木質(zhì)建筑室內(nèi)環(huán)境略優(yōu)于混凝土建筑，建筑選材可以更多考慮木質(zhì)材料。而垂直綠化在布置過程中，應(yīng)盡量選擇建筑南面以減少墻體所受的太陽輻射，同時為解決南立面水分蒸發(fā)問題，應(yīng)注重加強灌溉和養(yǎng)護(hù)以保證植物的良好生長。

本研究主要集中在南京市垂直綠化生態(tài)效益的評價方面，通過引入PMV-PPD指標(biāo)評價人體舒適度狀況，將垂直綠化和人體舒適度兩方面內(nèi)容相結(jié)合，深入到垂直綠化樣地進(jìn)行實地測量，探討夏季不同綠化形式、不同綠化方位和朝向，以及有無垂直綠化3種狀況下的氣候環(huán)境差異和人體舒適度變化特征。本研究對于植物的其他相關(guān)參數(shù)未進(jìn)行深入分析，在后續(xù)研究中應(yīng)進(jìn)一步挖掘垂直綠化植物材料的生態(tài)效益差別，分析不同區(qū)域、不同氣候狀況下不同植物配置狀況、綠量、生物量、葉形和株型等主要因子的影響作用，力求為垂直綠化的推廣設(shè)計提供更多建議，為南京市既有建筑的節(jié)能改造和小氣候改善研究提供強有力的科學(xué)依據(jù)。

注：文中圖片除注明外，均由宋雙雙繪制。