Analysis of the Effect of Vertical Greening System on Urban Microclimate Improvement

ZHAO Xi

摘要：隨著城市的快速發(fā)展，密集的城市建筑系統(tǒng)除了為公眾帶來前所未有的便利之外，還有城市熱島效應(yīng)。本文目的是通過分析城市熱島現(xiàn)象，引入垂直綠色系統(tǒng)，分析其對(duì)城市氣候變化的改善作用。本文將通過控制變量的實(shí)驗(yàn)方法，在同一研究環(huán)境中，測試了兩個(gè)樣品，帶有植物材料的立面與普通立面，以評(píng)估垂直綠化系統(tǒng)的性能?？傮w而言，與普通的外墻相比，垂直綠化系統(tǒng)的外墻熱量減少了40%至50%。

Abstract： With the rapid development of the city， the dense urban building system not only brings unprecedented convenience to the public， but also causes the urban heat island effect. The purpose of this paper is to analyze the urban heat island phenomenon and introduce a vertical green system to analyze its improvement effect on urban climate change. In this paper， two samples， facade with the plant material and the common facade， were tested in the same research environment by the experimental method of controlling the variables to evaluate the performance of the vertical greening system. Overall， the thermal insulation of the vertical greening system is reduced by 40% to 50% compared to conventional exterior walls.

關(guān)鍵詞：綠色建筑;綠色立面;熱島效應(yīng)

Key words： green building;green facade;heat island effect

中圖分類號(hào)：S731? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）32-0205-02

0? 引言

近幾十年來，人口過剩和工業(yè)化導(dǎo)致了城市的快速擴(kuò)張。城市地區(qū)變得越來越擁擠，綠色地區(qū)正在減少，城市中密集的建筑物和道路會(huì)增加地面輻射和空氣溫度，從而導(dǎo)致城市溫度明顯高于郊區(qū)，這種現(xiàn)象稱為城市熱島。為了獲得更舒適的生活環(huán)境，人們將花費(fèi)更多錢用于制冷系統(tǒng)，同時(shí)溫室氣體的排放會(huì)破壞城市的環(huán)境。在21世紀(jì)，隨著城市化引起的日益嚴(yán)重的氣候問題，人們開始逐漸意識(shí)到綠色植物蒸騰降溫的重要性。如今，人們發(fā)現(xiàn)建筑物的外墻有足夠的空間來種植綠色植被，與傳統(tǒng)的城市綠化設(shè)施相比，垂直綠化系統(tǒng)不僅占地少，為公眾提供了更舒適的生活環(huán)境，同時(shí)降低了城市溫度，降低了制冷系統(tǒng)的成本。因此，垂直綠化系統(tǒng)具有改善城市氣候的巨大潛力。

1? 垂直綠化系統(tǒng)概述

垂直綠化系統(tǒng)分為“支撐”和“載體”[1]。支撐系統(tǒng)是指被攀緣植物覆蓋的建筑物的外墻。通常來說常春藤是最佳選擇。載體系統(tǒng)，也稱為生活墻，可以生長更多其他類型的植物。

2? 垂直綠化系統(tǒng)的好處

對(duì)于城市環(huán)境，垂直綠化系統(tǒng)緩解了城市熱島效應(yīng)并改善了城市氣候。此外，這些綠色植被可以通過吸收空氣中的污染物和二氧化碳來改善城市空氣質(zhì)量，減少溫室效應(yīng)。由于城市中自然棲息地的增加，城市生物多樣性也將得到改善。對(duì)于城市經(jīng)濟(jì)而言，垂直綠化系統(tǒng)為建筑物提供了更好的隔熱和遮陽效果，降低了城市制冷系統(tǒng)的成本。另外，這些綠色植物的葉子可以吸收噪音，從而減少了城市的噪音污染。最重要的是，攀緣植物可以保護(hù)建筑物的墻壁并增加墻壁的穩(wěn)定性。最后，垂直綠化系統(tǒng)可以作為城市的特殊地標(biāo)，提供美學(xué)優(yōu)勢(shì)，例如建筑設(shè)計(jì)感。

3? 熱舒適

熱舒適度是人們對(duì)周圍熱環(huán)境的滿意度的主觀評(píng)估。通常受環(huán)境因素和個(gè)人因素影響。由于個(gè)人因素是主觀因素，因此很難通過實(shí)驗(yàn)獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此我們僅考慮環(huán)境因素[2]。

4? 描述和分析前人的研究成果

4.1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)

Jaafar，Said和Rasidi[3]通過對(duì)垂直綠化系統(tǒng)對(duì)周圍建筑物的冷卻效果的文獻(xiàn)綜述，討論了垂直綠化系統(tǒng)如何更好地降低城市溫度并減輕城市熱島效應(yīng)。他們選擇了具有垂直綠化技術(shù)參考價(jià)值的期刊文章，并根據(jù)垂直綠化系統(tǒng)對(duì)制冷效果的貢獻(xiàn)將研究論文進(jìn)行收集和排序，以及根據(jù)垂直綠化系統(tǒng)的類型，研究地點(diǎn)和重要發(fā)現(xiàn)總結(jié)了21篇研究成果，以進(jìn)一步探討了垂直綠化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因素與冷卻效果之間的關(guān)系。

4.2 討論

Jaafar，Said和Rasidi廣泛閱讀和理解有關(guān)垂直綠化系統(tǒng)的冷卻效果的文獻(xiàn)。他們引用的文獻(xiàn)具有代表性，可靠性和科學(xué)性。同時(shí)，介紹了以往對(duì)各種類型的垂直綠化系統(tǒng)的研究以及目前垂直綠化系統(tǒng)仍不流行的現(xiàn)狀。此外，分析了垂直綠化系統(tǒng)在制冷功能方面的發(fā)展及其作為減輕城市熱島效應(yīng)的城市溫度調(diào)節(jié)工具的前景。最后，他們總結(jié)了影響垂直綠化系統(tǒng)冷卻效果的因素，并呼吁其他研究人員更加關(guān)注冷卻效果。

5? 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

5.1 問題陳述

由于城市熱島效應(yīng)，城市冷卻系統(tǒng)占用電力供應(yīng)的40%至60%。這時(shí)，垂直綠化系統(tǒng)對(duì)于調(diào)節(jié)建筑物溫度非常重要，因?yàn)樗梢詼p少很多能源消耗。該實(shí)驗(yàn)的主要目的是研究垂直綠化系統(tǒng)的冷卻效果，包括觀察和記錄使用垂直綠化系統(tǒng)的外墻和普通外墻的溫度和濕度[4]。

5.2 影響實(shí)驗(yàn)的因素

因?yàn)榇怪本G化系統(tǒng)中建筑物外墻的溫度降低主要取決于陽光的遮擋和植物葉片的蒸騰作用。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制以下影響蒸騰作用的因素[5]。

5.2.1 光照

光線是影響垂直綠化系統(tǒng)中綠色植物蒸騰作用的重要因素之一。首先，光線可以幫助植物打開自己的氣孔，氣孔是植物蒸騰時(shí)進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的途徑。充足的光照不但有助于促進(jìn)植物蒸騰而且可以增加周圍環(huán)境和植物葉片的溫度，導(dǎo)致葉片內(nèi)部和外部的壓力不同，因此植物的蒸騰速率將得到提高。

5.2.2 環(huán)境溫度

植物的蒸騰作用主要受溫度影響。隨著環(huán)境溫度的升高，植物的氣孔越來越大，但是溫度過高會(huì)導(dǎo)致植物的氣孔關(guān)閉。例如，如果中午溫度高，則植物的蒸騰作用將減弱，這將減少植物中水分的流失。

5.2.3 濕度

水分是植物蒸騰作用的主要物質(zhì)之一，因此環(huán)境濕度是影響植物蒸騰作用的關(guān)鍵因素。環(huán)境濕度變大，并且足夠的水分有利于植物氣孔的開放。但是，如果環(huán)境濕度繼續(xù)增加，過多的水分將導(dǎo)致植物氣孔關(guān)閉。

5.2.4 風(fēng)速

風(fēng)速是可能影響蒸騰作用的因素。當(dāng)風(fēng)速高時(shí)，可以將葉片外部的水蒸氣吹散，并且減小氣孔的阻力。但是，強(qiáng)風(fēng)會(huì)使氣孔閉合，蒸騰作用減少。

5.3 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)將使用定量測量方法。該研究是在兩座建筑物上進(jìn)行的，其中一座裝有垂直綠化系統(tǒng)。兩座建筑物的溫度和濕度數(shù)據(jù)將通過溫度計(jì)和濕度計(jì)測量。為了比較兩個(gè)建筑物的室內(nèi)和室外溫度和濕度，將在兩個(gè)建筑物的內(nèi)外墻上安裝相同的溫度計(jì)和濕度計(jì)。最后，將在上午8：00至下午5：00的室內(nèi)和室外溫度和濕度表中填寫溫度和濕度記錄以進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)的測量將在位置和方向相同的兩座建筑物上進(jìn)行，以控制兩座建筑物的相同初始溫度和濕度數(shù)據(jù)。

5.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，可以得到10套比較數(shù)據(jù)，即普通建筑物的室內(nèi)和室外溫度和濕度，以及安裝了垂直綠化系統(tǒng)的建筑物的室內(nèi)和室外溫度和濕度。

5.4.1 普通建筑物的室內(nèi)外溫濕度差異

將普通建筑物的室內(nèi)和室外不同時(shí)間段的溫度和濕度數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)學(xué)軟件Minitab生成折線圖。根據(jù)其趨勢(shì)，觀察室內(nèi)和室外之間的溫度變化差異，如果相差不大，則普通建筑物的外墻對(duì)環(huán)境溫度和濕度沒有影響。

5.4.2 垂直綠化系統(tǒng)建筑物的室內(nèi)和室外溫濕度差異

將安裝垂直綠化系統(tǒng)的建筑物在不同時(shí)間段的溫度和濕度數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)學(xué)軟件Minitab中，生成折線圖。觀察圖表趨勢(shì)并比較室內(nèi)和室外溫度和濕度。如果室內(nèi)和室外溫度和濕度發(fā)生顯著變化，則垂直綠化系統(tǒng)會(huì)對(duì)建筑物溫度產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。

5.4.3 比較兩座建筑物的制冷百分比

記錄普通建筑物和同一時(shí)間安裝垂直綠化系統(tǒng)的建筑物的溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算兩種類型建筑物的室內(nèi)和室外制冷百分比，并輸入到數(shù)學(xué)工具M(jìn)initab中生成折線圖。觀察兩個(gè)不同建筑物的制冷百分比線圖之間的差異。如果垂直綠化系統(tǒng)建筑物的線圖總是高于普通建筑物，則認(rèn)為垂直綠化系統(tǒng)的冷卻效果是有效的。

5.4.4 比較兩座建筑物的濕度

將兩種不同類型建筑物中同一時(shí)間的濕度數(shù)據(jù)輸入到數(shù)學(xué)工具M(jìn)initab中，并將生成折線圖。隨時(shí)間觀察兩個(gè)不同建筑物的濕度變化。如果垂直綠化系統(tǒng)建筑物的濕度最終低于普通建筑物的濕度，則垂直綠化系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)濕度的功能。

5.4.5 比較兩座建筑物的溫度

將兩種不同類型的建筑物中選擇相同時(shí)間段的溫度數(shù)據(jù)輸入到數(shù)學(xué)工具M(jìn)initab中生成折線圖。觀察兩個(gè)不同建筑物隨時(shí)間的溫度變化。如果垂直綠化系統(tǒng)建筑物的溫度往往低于正常建筑物的溫度，則垂直綠化系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)溫度的功能。

6? 總結(jié)

這項(xiàng)研究著重于垂直綠化系統(tǒng)對(duì)溫度和濕度的調(diào)節(jié)，并討論了前人的研究成果。同時(shí)，通過進(jìn)行控制變量實(shí)驗(yàn)，該研究預(yù)測垂直綠化系統(tǒng)確實(shí)有助于緩解城市熱島效應(yīng)并節(jié)省能源消耗的成本。研究表明，垂直綠化系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)城市微氣候的巨大潛力。政府應(yīng)更加重視垂直綠化系統(tǒng)，并盡可能為相關(guān)研究提供財(cái)政支持。這將有助于促進(jìn)生態(tài)綠色城市和人類與自然和諧相處的新局面。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊富淞.基于綠色建筑設(shè)計(jì)理論的建筑物立面設(shè)計(jì)探析[J].居舍，2018（30）：94.

[2]陳紅.綠色建筑設(shè)計(jì)理論在建筑物立面設(shè)計(jì)中應(yīng)用的探析[J].綠色環(huán)保建材，2018（08）：100，102.

[3]Badrulzaman Jaafar，Ismail bin Said，Mohd Hisyam Rasidi.Evaluating the Impact of Vertical Greenery System on Cooling Effect on High Rise Buildings and Surroundings： A Review[J].Evaluating the Impact of Vertical Greenery System on Cooling Effect on High Rise Buildings and Surroundings： A Review.Senvar，2011，12.

[4]郭思遠(yuǎn)，徐芯蕾.塑造屋頂上的綠色城市——淺談南京屋頂花園的發(fā)展意義及阻力[J].藝術(shù)科技，2019，32（12）：183，197.

[5]王睿韜.談低碳景觀與綠色屋頂設(shè)計(jì)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2019（05）：43-44，47.

作者簡介：趙熙（1994-），男，河南鄭州人，助理工程師，研究方向?yàn)榫G色建筑、可持續(xù)建筑物。