綠化表皮對過渡空間的熱環(huán)境影響實測研究

　　摘要：城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施在緩解城市熱島方面有良好效果。其中,在建筑壁面綠化類型中,攀援植物綠化表皮具有成本低、占地少、冠層可控的特點,應(yīng)用潛力較大。在應(yīng)用上,綠化表皮與建筑過渡空間的結(jié)合日漸增加。過渡空間作為開敞空間,易受外部熱環(huán)境的直接影響,而綠化表皮的遮陽與蒸騰降溫作用提供了調(diào)節(jié)熱環(huán)境的可能。因此,本文聚焦于綠化表皮對過渡空間的熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用,通過實測調(diào)研分析其調(diào)節(jié)效果。方法上,考察一幢被綠化表皮包裹的外廊建筑,采用動態(tài)測量法,用動態(tài)測量工具包在遮擋與非遮擋區(qū)間進(jìn)行階段性測量,對比兩者的熱環(huán)境變化。與非遮擋區(qū)相對比,綠化表皮可降低太陽總體輻射70.2%～88.3%(84.75～391.35W/m2),空氣溫度與平均輻射溫度(MRT)值降幅為3.8℃與11.4℃,相對濕度增幅為10.6%,風(fēng)速降幅達(dá)2.6m/s。綜合計算后,通用熱氣候指數(shù)(UTCI)值降幅為2.0℃。實測顯示了綠化表皮具有良好的遮陽作用,對過渡空間的熱環(huán)境有良好的調(diào)節(jié)效果,但對風(fēng)環(huán)境有一定影響。因此,綠化表皮的種植與布置策略仍有進(jìn)一步優(yōu)化的潛力。

　　本文源自西部人居環(huán)境學(xué)刊,2020,35(05):69-76.《西部人居環(huán)境學(xué)刊》雜志是建筑城規(guī)學(xué)院具體承辦的國內(nèi)外公開發(fā)行的學(xué)術(shù)型期刊，《西部人居環(huán)境學(xué)刊》立足西部，以建筑學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)、風(fēng)景園林和建筑技術(shù)科學(xué)為學(xué)術(shù)支撐，全面探討人居環(huán)境科學(xué)，并以"學(xué)術(shù)性"、"時代性"和"國際化"強調(diào)學(xué)刊的發(fā)展方向。

　　快速城市化產(chǎn)生了一系列城市環(huán)境問題,如城市熱島效應(yīng)、城市噪聲、空氣污染等,威脅人體健康。綠化墻面(greenwall)在城市微氣候與建成環(huán)境調(diào)節(jié)方面有節(jié)能、降噪、增加生物多樣性、降低空氣污染物等作用[1,2,3,4,5]。近年對于綠化墻面的研究主要有活墻系統(tǒng)與綠化表皮(greenfaçade,GF)兩大類型[1](表1)。以攀援植物引導(dǎo)生長為特點的建筑綠化表皮具有低成本、高適應(yīng)性的特點,可廣泛應(yīng)用于建筑、街谷等層面。城市綠化對微氣候的調(diào)節(jié)與城市熱島的緩解均有積極作用。攀援植物葉片層形成的綠化表皮對建筑與城市微氣候的調(diào)節(jié)作用主要體現(xiàn)在以下幾方面:一是植物冠層對太陽熱輻射的遮蔽與削弱,二是綠化表皮作為一種介質(zhì)與空氣之間的對流傳熱作用,三是植物蒸騰作用帶來的冷卻效應(yīng),四是冠層對環(huán)境風(fēng)的削弱作用(圖1)。整體而言,可通過對人體的熱環(huán)境舒適性相關(guān)指標(biāo)的綜合分析來評價綠化表皮對熱環(huán)境的改善作用。

　　針對綠化表皮,現(xiàn)階段研究主要從優(yōu)化建筑性能的角度出發(fā),主要關(guān)注綠化表皮的節(jié)能效果,大量實測與模擬圍繞綠化表皮對建筑外墻的降溫性能展開[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14](表2)。在建筑設(shè)計上,綠化表皮的應(yīng)用已拓展至對建筑外廊、架空層、空中庭院等過渡空間的覆蓋與包裹。建筑過渡空間具有自遮陽、擋雨的特征,有廣泛的氣候適應(yīng)性[15,16],可為人們提供半戶外的休息、活動可能。但因其開敞特征,其熱環(huán)境較易受到外部環(huán)境波動的直接影響,尤其是在夏季高溫天氣下,外環(huán)境高溫氣流會降低過渡空間的熱環(huán)境舒適度。對此,綠化表皮的應(yīng)用提供了一種遮陽與綠化結(jié)合的策略,通過太陽熱輻射的減弱與蒸騰冷卻作用,為過渡空間熱舒適的改善提供可能。

　　表1綠墻系統(tǒng)類型與構(gòu)造

　　因此,本文聚焦于綠化表皮對建筑過渡空間熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用,以一幢外廊式綠化表皮的建筑為案例,通過夏季典型日實測與熱舒適評價,探討其對熱環(huán)境各分項指標(biāo)與人體熱舒適度的調(diào)節(jié)效果,以期為在緩解城市熱島背景下綠化表皮的應(yīng)用推廣與提升建筑過渡空間的熱舒適度提供參考。

　　圖1綠化表皮微氣候調(diào)節(jié)機制

　　圖1：作者繪制

　　1、實測方法

　　1.1實測對象

　　實測對象為德國慕尼黑嘉興區(qū)的一座外廊式學(xué)生宿舍(濕潤大陸性氣候,柯本氣候分區(qū):Dfb[14])。該建筑位于住宅區(qū)的西北角,長向立面為東西向布局。用地東側(cè)為一幢2層住宅,與其距離為14m,西側(cè)與北側(cè)為城市干道與農(nóng)田。建筑為4層高,房間位于中部,外圍一圈為外廊,廊寬1.5m,層高3m(圖2a、2b)。外廊用不銹鋼索網(wǎng)圍合,代替了欄桿,形成通透的效果,并為爬藤植物的生長提供了引導(dǎo)與支撐。爬藤植物種植于地面,經(jīng)過十多年的生長,已覆蓋至3層高度(圖2c、2d)。為對比綠化表皮的遮陽作用,實驗選取2層與4層布置測試點,2層為綠化表皮遮擋區(qū),4層為非遮擋區(qū)。2層測試區(qū)的綠化表皮葉片層通過像素提取圖像分析法進(jìn)行分析[17],得出覆蓋率為84.0%(圖2e)。

　　表2綠化表皮對熱環(huán)境各指標(biāo)的調(diào)節(jié)效果

　　1.2實測指標(biāo)

　　實測分別在兩天進(jìn)行,第一天為太陽總體輻射(Ga)測量,以反映綠化表皮的遮陽作用;第二天為熱環(huán)境相關(guān)指數(shù)測量,包括空氣溫度(Ta)、相對濕度(RH)、風(fēng)速(Va)、黑球溫度(Tg)等指標(biāo),以考察過渡空間的熱環(huán)境特征與人體舒適度,并以MRT值平均輻射溫度)與UTCI值(通用熱氣候指數(shù)[18])為表征。根據(jù)ISO7726標(biāo)準(zhǔn)[19],對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)黑球的MRT計算等式如下(D=0.15m,標(biāo)準(zhǔn)黑球直徑;µ=0.95,球體輻射系數(shù),無單位)

　　UTCI值為等效溫度,是以單一物理量整合多個熱環(huán)境評價的物理指標(biāo),反映人體對實際外部環(huán)境溫度的生理學(xué)反應(yīng)[21]。UTCI值可通過BioKlima2.6軟件進(jìn)行計算,其流程如圖3所示,輸入物理量包括Ta、RH、Va與MRT(圖中為Tr),人體基本活動與衣著參數(shù)則為軟件默認(rèn)值[22]。其中,UTCI計算中,導(dǎo)入風(fēng)速為10m高度的風(fēng)速值Vh10,根據(jù)垂直梯度風(fēng)公式Va=Vh10·(h/h10)α對風(fēng)速值Vh10進(jìn)行了換算(h為測點高度,h10=10m,α為赫爾曼系數(shù),取建成區(qū)的中性空氣值為α=0.34)[23]。雖然本測試未結(jié)合問卷調(diào)查進(jìn)行舒適度閾值修正,但因測試重點在于反映遮擋區(qū)與非遮擋區(qū)過渡空間的熱環(huán)境差異,因此對于UTCI值的后續(xù)分析僅在兩者的橫向?qū)Ρ壬线M(jìn)行。在此基礎(chǔ)上,對UTCI值與各輸入物理量進(jìn)行數(shù)值回歸與相關(guān)性分析,進(jìn)一步考察過渡空間的人體熱環(huán)境舒適度的影響因素。

　　圖2實測建筑區(qū)位、測點位置與廊道照片

　　圖3UTCI等效溫度計算流程圖[21]

　　表3可移動測量工具包儀器表

　　表3:作者繪制

　　1.3實測工具

　　實測儀器為可移動的動態(tài)測量工具包,組裝了一臺LI-1500光感記錄儀與一臺Testo-480記錄儀(含3種探頭,表2)。動態(tài)測量工具包原來是由城市微氣候測試工具組裝而成,便于攜帶與步行持續(xù)測量,能敏感地記錄與反映不同城市下墊面、街谷形態(tài)等特征對熱環(huán)境的影響[24]。在本實測中,利用動態(tài)測量工具包,每30min階段性地在遮擋與非遮擋區(qū)間移動,對比兩種工況的熱環(huán)境差異。

　　實測儀器設(shè)置高度為1.1m,與表皮距離為0.7m,位于廊道中央。第一天(2018年7月10日)實測儀器只設(shè)置于西側(cè)立面;第二天(2018年7月11日)嘗試進(jìn)一步跟隨太陽移動路徑,把實測區(qū)分為上、下午兩階段,采集兩組數(shù)據(jù),測點上午設(shè)置于東側(cè),下午(13:00后)隨太陽運動軌跡將測點轉(zhuǎn)移至西側(cè)(表3)。測試數(shù)據(jù)將根據(jù)測點移動的時間段進(jìn)行分組處理,以便后續(xù)分析。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1實測一:太陽總體輻射

　　太陽總體輻射實測結(jié)果整體上可分為兩階段。8:45—14:30為階段一,14:30—16:30為階段二。在總體輻射量上,第二階段非遮擋區(qū)域的總體輻射值約為第一階段的3.7倍。對比遮擋區(qū)與非遮擋區(qū)的總體輻射量,在第一階段,遮擋區(qū)平均總體輻射量降低約84.75W/m2,降低幅度約70.2%;在第二階段,降低值約為391.35W/m2,降幅約88.4%(圖4a),即測試時間段內(nèi)太陽總體輻射透過率約為11.6%～29.8%。總體輻射量隨時間變化的原因有幾方面:一是太陽運動軌跡變化,階段一內(nèi),太陽運動軌跡從東南至南側(cè)轉(zhuǎn)變,階段二內(nèi),太陽角度已移至西南方向,實測建筑為東西向,對不同時段的太陽方位均有自遮擋作用;二是測點均布置于西側(cè)立面,上午階段處于太陽直射的遮擋區(qū)內(nèi),下午階段則暴露于太陽直射,總體輻射值升幅明顯;三是天空云量的變化,階段一天空云量較高,階段二云量稍有降低,總體輻射也與天空云量的變化趨勢較為接近(圖4b)。

　　綠化表皮對太陽總體輻射的削減作用的研究結(jié)果顯示,外部總體輻射量越高,表皮的削弱作用越明顯。階段性測試敏感地捕捉了遮擋區(qū)與非遮擋區(qū)的總體輻射變化與差異,整體而言,遮擋區(qū)域的全天總體輻射變化波動較小,且一直維持在較低水平。結(jié)合文獻(xiàn)來看,蘇克耶(Šuklje)等測定的綠化表皮葉片覆蓋率約為83%,太陽總體輻射透過率為23.2%,與本實測較為接近[7]。實測結(jié)果證實了綠化表皮有良好的遮陽作用。

　　圖4太陽總體輻射與天空云量覆蓋率(CCR)實測結(jié)果

　　圖5氣象站記錄數(shù)據(jù)

　　(時間段：9:00—17:00,2018年7月11日)圖5：作者繪制

　　2.2實測二:熱舒適相關(guān)指標(biāo)

　　室外環(huán)境氣象數(shù)據(jù)顯示,測試當(dāng)天氣溫較為平穩(wěn),平均溫度為17.5℃。天空云量上午較低,下午有所增長,主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng),下午風(fēng)速較大(圖5)。

　　測試二的結(jié)果也分為兩階段,9:00—13:00為階段一,測點位于東立面;13:00—17:00為階段二,測點位于西立面。因測試儀器的位置在固定時間段(30min)的測試后會進(jìn)行變換,所以在測試數(shù)據(jù)處理上,把數(shù)據(jù)按時間段與所處位置進(jìn)行區(qū)分處理。首先把實測數(shù)據(jù)根據(jù)實測位置所在時間段進(jìn)行分列處理,然后對不同測試位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,最后得出各時間段與位置的平均數(shù)據(jù)(表4)。整體而言,測點測試數(shù)據(jù)與外部環(huán)境數(shù)據(jù)變化趨勢較為一致。階段一Ta、Tg與UTCI值均處于較高水平,Va值較低;階段二Ta、Tg與UTCI均有所下降,而Va值較大。下午測點位于西側(cè),與主導(dǎo)風(fēng)向一致,因此Va值增加明顯。

　　對比遮擋區(qū)與非遮擋區(qū)的實測數(shù)據(jù)(圖6),結(jié)果顯示,階段一中,東立面遮擋區(qū)域的平均Ta、Tg、MRT、UTCI與Va值分別降低了0.9℃、0.8℃、1.4℃、0.9℃與0.1m/s;階段二中,西立面遮擋區(qū)域的平均Tg與UTCI值分別增加了2.2℃與0.8℃,平均MRT與Va值降低了2.7℃與0.7m/s(表4)。實測結(jié)果表明,綠化表皮對過渡空間中的人體熱舒適指標(biāo)在一定時間段內(nèi)有改善效果,其作用在Ta、Tg值較高而Va值較低的時段尤為明顯。隨著下午Va值的增加,非遮擋區(qū)的UTCI值比遮擋區(qū)更低。然而,下午局部時段的Va值甚至超過5m/s,這已經(jīng)超出了人體風(fēng)舒適的閾值[26]。

　　進(jìn)一步,考慮到動態(tài)測量的測點階段性位置變動,圖6a-e顯示了遮擋區(qū)域的Ta、Tg、MRT與UTCI值在大部分測試階段均為下降趨勢。因此,分析也增加了對每一階段與上一階段的數(shù)據(jù)對比(圖6f)。結(jié)果顯示,遮擋階段的平均Ta、Tg、MRT與UTCI值與非遮擋階段相比均有所減少,其中MRT與UTCI值降幅達(dá)11.4℃和2.0℃。結(jié)果清晰地表明了綠化表皮對過渡空間熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用。

　　表4熱環(huán)境各指標(biāo)實測平均值、最小值與最大值

　　*注:EU:東向非遮擋區(qū);ES:東向遮擋區(qū);WU:西向非遮擋區(qū);WS:西向遮擋區(qū)。表4:作者繪制

　　圖6熱環(huán)境各指標(biāo)實測結(jié)果(1)

　　(時間段：9:00—17:00,2018年7月11日;EU，東向非遮擋區(qū);ES，東向遮擋區(qū);WU，西向非遮擋區(qū);WS，西向遮擋區(qū))圖6：作者繪制

　　結(jié)合UTCI值的分級評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析(圖6e),52.4%的測試結(jié)果位于“無熱壓力等級(9～26℃)”,39.4%的結(jié)果位于“中等熱壓力等級(26～32℃)”。測試案例的過渡空間在測試日間時段內(nèi)均為較為舒適的結(jié)果。

　　2.3UTCI數(shù)值回歸與相關(guān)性分析

　　對UTCI與其他參數(shù)進(jìn)行數(shù)值回歸與相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,Tg、MRT與UTCI之間存在較高的相關(guān)性,而Ta、Va與UTCI之間的R2值與相關(guān)系數(shù)則較低(圖7、表5)。分階段看,階段一中,Tg、MRT與UTCI的R2值較高,階段二中,R2值稍有下降。結(jié)果表明UTCI值對太陽熱輻射的敏感度較高,而對Va值的敏感度較低。對于Va值來說,Va與UTCI值的相關(guān)性雖然較低,但遮擋區(qū)比非遮擋區(qū)的相關(guān)性高,結(jié)果表明綠化表皮除了減低廊道的風(fēng)速,也局部影響了UTCI值。在此案例中,盡管綠化表皮的遮擋作用降低了Ta值,但UTCI值的變化仍較為緩慢,因此Ta與UTCI值的相關(guān)性較低。

　　圖7UTCI與熱環(huán)境各指標(biāo)的數(shù)值回歸分析

　　表5UTCI與熱環(huán)境各指標(biāo)的相關(guān)性分析

　　*注:EU,東向非遮擋區(qū);ES,東向遮擋區(qū);WU,西向非遮擋區(qū);WS,西向遮擋區(qū)。表5:作者繪制

　　由此可見,綠化表皮調(diào)節(jié)了廊道過渡空間的熱舒適性,但也影響了其中的風(fēng)速。對于室內(nèi)換氣來說,過渡空間的空氣流動也有重要作用。因此,為促進(jìn)過渡空間的空氣流動,或需從設(shè)計層面進(jìn)行優(yōu)化,在綠化表皮中適當(dāng)增加開口,從而達(dá)到通風(fēng)與熱舒適的平衡。

　　3、結(jié)論

　　通過對德國慕尼黑嘉興區(qū)學(xué)生宿舍外廊綠化表皮的夏季典型日實測,結(jié)果顯示了綠化表皮的幾個主要影響,一是遮陽作用明顯,太陽總體輻射的透過率約為11.6%～29.8%;二是對過渡空間的熱環(huán)境與熱舒適有一定提升,其遮擋區(qū)域的MRT與UTCI值的降幅達(dá)11.4℃和2.0℃;對風(fēng)環(huán)境有影響,Va最大降幅為2.6m/s,也間接影響了UTCI值的優(yōu)化。另外,本項目葉片覆蓋率大于80%,對走廊與室內(nèi)采光也會產(chǎn)生一定影響,需要進(jìn)一步實測分析。

　　本實測設(shè)計也有一些不足之處,或會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響:動態(tài)測量工具包只設(shè)于建筑不同層的外廊區(qū)域,沒有進(jìn)行室外環(huán)境對比測量,室外環(huán)境數(shù)據(jù)只通過周邊氣象站數(shù)據(jù)獲取;對比遮擋與非遮擋的測點分別設(shè)于2層與4層,垂直向的風(fēng)速與溫度梯度變化也會對實測結(jié)果產(chǎn)生一定影響,后續(xù)研究需尋求更合適的測試對象,以優(yōu)化實驗設(shè)計;實測未測定植物蒸騰作用對溫濕度的影響幅度;實測未獲取葉面積指數(shù)等植物葉片層參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析;等等。因此,未來仍需進(jìn)一步完善與補充實驗設(shè)計與實測工具,以更全面地描述與分析綠化表皮對過渡空間的微氣候的影響。