綠化表皮對過渡空間的熱環境影響實測研究

　　摘要：城市綠色基礎設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,應用潛力較大。在應用上,綠化表皮與建筑過渡空間的結合日漸增加。過渡空間作為開敞空間,易受外部熱環境的直接影響,而綠化表皮的遮陽與蒸騰降溫作用提供了調節熱環境的可能。因此,本文聚焦于綠化表皮對過渡空間的熱環境調節作用,通過實測調研分析其調節效果。方法上,考察一幢被綠化表皮包裹的外廊建筑,采用動態測量法,用動態測量工具包在遮擋與非遮擋區間進行階段性測量,對比兩者的熱環境變化。與非遮擋區相對比,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%,風速降幅達2.6m/s。綜合計算后,通用熱氣候指數(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,對過渡空間的熱環境有良好的調節效果,但對風環境有一定影響。因此,綠化表皮的種植與布置策略仍有進一步優化的潛力。

　　本文源自西部人居環境學刊,2020,35(05):69-76.《西部人居環境學刊》雜志是建筑城規學院具體承辦的國內外公開發行的學術型期刊，《西部人居環境學刊》立足西部，以建筑學、城鄉規劃學、風景園林和建筑技術科學為學術支撐，全面探討人居環境科學，并以"學術性"、"時代性"和"國際化"強調學刊的發展方向。

　　快速城市化產生了一系列城市環境問題,如城市熱島效應、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境調節方面有節能、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與綠化表皮(greenfaçade,GF)兩大類型[1](表1)。以攀援植物引導生長為特點的建筑綠化表皮具有低成本、高適應性的特點,可廣泛應用于建筑、街谷等層面。城市綠化對微氣候的調節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節作用主要體現在以下幾方面: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,四是冠層對環境風的削弱作用(圖1)。整體而言,可通過對人體的熱環境舒適性相關指標的綜合分析來評價綠化表皮對熱環境的改善作用。

　　針對綠化表皮,現階段研究主要從優化建筑性能的角度出發,主要關注綠化表皮的節能效果,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)。在建筑設計上,綠化表皮的應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,其熱環境較易受到外部環境波動的直接影響,尤其是在夏季高溫天氣下,外環境高溫氣流會降低過渡空間的熱環境舒適度。對此,綠化表皮的應用提供了一種遮陽與綠化結合的策略,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綠墻系統類型與構造

　　因此,本文聚焦于綠化表皮對建筑過渡空間熱環境的調節作用,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,探討其對熱環境各分項指標與人體熱舒適度的調節效果,以期為在緩解城市熱島背景下綠化表皮的應用推廣與提升建筑過渡空間的熱舒適度提供參考。

　　圖1綠化表皮微氣候調節機制

　　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的一座外廊式學生宿舍(濕潤大陸性氣候,柯本氣候分區:Dfb[14])。該建筑位于住宅區的西北角,長向立面為東西向布局。用地東側為一幢2層住宅,與其距離為14m,西側與北側為城市干道與農田。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與支撐。爬藤植物種植于地面,經過十多年的生長,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,4層為非遮擋區。2層測試區的綠化表皮葉片層通過像素提取圖像分析法進行分析[17],得出覆蓋率為84.0%(圖2e)。

　　表2綠化表皮對熱環境各指標的調節效果

　　1.2實測指標

　　實測分別在兩天進行,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;第二天為熱環境相關指數測量,包括空氣溫度(Ta)、相對濕度(RH)、風速(Va)、黑球溫度(Tg)等指標,以考察過渡空間的熱環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[18])為表征。根據ISO7726標準[19],對應標準黑球的MRT計算等式如下(D=0.15m,標準黑球直徑;µ=0.95,球體輻射系數,無單位)

　　UTCI值為等效溫度,是以單一物理量整合多個熱環境評價的物理指標,反映人體對實際外部環境溫度的生理學反應[21]。UTCI值可通過BioKlima2.6軟件進行計算,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則為軟件默認值[22]。其中,UTCI計算中,導入風速為10m高度的風速值Vh10,根據垂直梯度風公式Va=Vh10·(h/h10)α對風速值Vh10進行了換算(h為測點高度,h10=10m,α為赫爾曼系數,取建成區的中性空氣值為α=0.34)[23]。雖然本測試未結合問卷調查進行舒適度閾值修正,但因測試重點在于反映遮擋區與非遮擋區過渡空間的熱環境差異,因此對于UTCI值的后續分析僅在兩者的橫向對比上進行。在此基礎上,對UTCI值與各輸入物理量進行數值回歸與相關性分析,進一步考察過渡空間的人體熱環境舒適度的影響因素。

　　圖2實測建筑區位、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測量,能敏感地記錄與反映不同城市下墊面、街谷形態等特征對熱環境的影響[24]。在本實測中,利用動態測量工具包,每30min階段性地在遮擋與非遮擋區間移動,對比兩種工況的熱環境差異。

　　實測儀器設置高度為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)實測儀器只設置于西側立面;第二天(2018年7月11日)嘗試進一步跟隨太陽移動路徑,把實測區分為上、下午兩階段,采集兩組數據,測點上午設置于東側,下午(13:00后)隨太陽運動軌跡將測點轉移至西側(表3)。測試數據將根據測點移動的時間段進行分組處理,以便后續分析。

　　2、結果與討論

　　2.1實測一:太陽總體輻射

　　太陽總體輻射實測結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,第二階段非遮擋區域的總體輻射值約為第一階段的3.7倍。對比遮擋區與非遮擋區的總體輻射量,在第一階段,遮擋區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,太陽運動軌跡從東南至南側轉變,階段二內,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立面,上午階段處于太陽直射的遮擋區內,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與非遮擋區的總體輻射變化與差異,整體而言,遮擋區域的全天總體輻射變化波動較小,且一直維持在較低水平。結合文獻來看,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)實測結果

　　圖5氣象站記錄數據

　　(時間段：9:00—17:00,2018年7月11日)圖5：作者繪制

　　2.2實測二:熱舒適相關指標

　　室外環境氣象數據顯示,測試當天氣溫較為平穩,平均溫度為17.5℃。天空云量上午較低,下午有所增長,主導風向為西北風,下午風速較大(圖5)。

　　測試二的結果也分為兩階段,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)的測試后會進行變換,所以在測試數據處理上,把數據按時間段與所處位置進行區分處理。首先把實測數據根據實測位置所在時間段進行分列處理,然后對不同測試位置的數據進行統計,最后得出各時間段與位置的平均數據(表4)。整體而言,測點測試數據與外部環境數據變化趨勢較為一致。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,與主導風向一致,因此Va值增加明顯。

　　對比遮擋區與非遮擋區的實測數據(圖6),結果顯示,階段一中,東立面遮擋區域的平均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)。實測結果表明,綠化表皮對過渡空間中的人體熱舒適指標在一定時間段內有改善效果,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,非遮擋區的UTCI值比遮擋區更低。然而,下午局部時段的Va值甚至超過5m/s,這已經超出了人體風舒適的閾值[26]。

　　進一步,考慮到動態測量的測點階段性位置變動,圖6a-e顯示了遮擋區域的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據對比(圖6f)。結果顯示,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11.4℃和2.0℃。結果清晰地表明了綠化表皮對過渡空間熱環境的調節作用。

　　表4熱環境各指標實測平均值、最小值與最大值

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

　　圖6熱環境各指標實測結果(1)

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

　　結合UTCI值的分級評價標準進行分析(圖6e),52.4%的測試結果位于“無熱壓力等級(9～26℃)”,39.4%的結果位于“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均為較為舒適的結果。

　　2.3UTCI數值回歸與相關性分析

　　對UTCI與其他參數進行數值回歸與相關性分析,結果顯示,Tg、MRT與UTCI之間存在較高的相關性,而Ta、Va與UTCI之間的R2值與相關系數則較低(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值的相關性雖然較低,但遮擋區比非遮擋區的相關性高,結果表明綠化表皮除了減低廊道的風速,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值的相關性較低。

　　圖7UTCI與熱環境各指標的數值回歸分析

　　表5UTCI與熱環境各指標的相關性分析

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

　　由此可見,綠化表皮調節了廊道過渡空間的熱舒適性,但也影響了其中的風速。對于室內換氣來說,過渡空間的空氣流動也有重要作用。因此,為促進過渡空間的空氣流動,或需從設計層面進行優化,在綠化表皮中適當增加開口,從而達到通風與熱舒適的平衡。

　　3、結論

　　通過對德國慕尼黑嘉興區學生宿舍外廊綠化表皮的夏季典型日實測,結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境與熱舒適有一定提升,其遮擋區域的MRT與UTCI值的降幅達11.4℃和2.0℃;對風環境有影響,Va最大降幅為2.6m/s,也間接影響了UTCI值的優化。另外,本項目葉片覆蓋率大于80%,對走廊與室內采光也會產生一定影響,需要進一步實測分析。

　　本實測設計也有一些不足之處,或會對結果產生一定影響:動態測量工具包只設于建筑不同層的外廊區域,沒有進行室外環境對比測量,室外環境數據只通過周邊氣象站數據獲取;對比遮擋與非遮擋的測點分別設于2層與4層,垂直向的風速與溫度梯度變化也會對實測結果產生一定影響,后續研究需尋求更合適的測試對象,以優化實驗設計;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等植物葉片層參數進行進一步分析;等等。因此,未來仍需進一步完善與補充實驗設計與實測工具,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。