绿化表皮对过渡空间的热环境影响实测研究
摘要：城市绿色基础设施在缓解城市热岛方面有良好效果。其中,在建筑壁面绿化类型中,攀援植物绿化表皮具有成本低、占地少、冠层可控的特点,应用潜力较大。在应用上,绿化表皮与建筑过渡空间的结合日渐增加。过渡空间作为开敞空间,易受外部热环境的直接影响,而绿化表皮的遮阳与蒸腾降温作用提供了调节热环境的可能。因此,本文聚焦于绿化表皮对过渡空间的热环境调节作用,通过实测调研分析其调节效果。方法上,考察一幢被绿化表皮包裹的外廊建筑,采用动态测量法,用动态测量工具包在遮挡与非遮挡区间进行阶段性测量,对比两者的热环境变化。与非遮挡区相对比,绿化表皮可降低太阳总体辐射70.2%～88.3%(84.75～391.35W/m2),空气温度与平均辐射温度(MRT)值降幅为3.8℃与11.4℃,相对湿度增幅为10.6%,风速降幅达2.6m/s。综合计算后,通用热气候指数(UTCI)值降幅为2.0℃。实测显示了绿化表皮具有良好的遮阳作用,对过渡空间的热环境有良好的调节效果,但对风环境有一定影响。因此,绿化表皮的种植与布置策略仍有进一步优化的潜力。
本文源自西部人居环境学刊,2020,35(05):69-76.《西部人居环境学刊》杂志是建筑城规学院具体承办的国内外公开发行的学术型期刊，《西部人居环境学刊》立足西部，以建筑学、城乡规划学、风景园林和建筑技术科学为学术支撑，全面探讨人居环境科学，并以"学术性"、"时代性"和"国际化"强调学刊的发展方向。
快速城市化产生了一系列城市环境问题,如城市热岛效应、城市噪声、空气污染等,威胁人体健康。绿化墙面(greenwall)在城市微气候与建成环境调节方面有节能、降噪、增加生物多样性、降低空气污染物等作用[1,2,3,4,5]。近年对于绿化墙面的研究主要有活墙系统与绿化表皮(greenfaçade,GF)两大类型[1](表1)。以攀援植物引导生长为特点的建筑绿化表皮具有低成本、高适应性的特点,可广泛应用于建筑、街谷等层面。城市绿化对微气候的调节与城市热岛的缓解均有积极作用。攀援植物叶片层形成的绿化表皮对建筑与城市微气候的调节作用主要体现在以下几方面:一是植物冠层对太阳热辐射的遮蔽与削弱,二是绿化表皮作为一种介质与空气之间的对流传热作用,三是植物蒸腾作用带来的冷却效应,四是冠层对环境风的削弱作用(图1)。整体而言,可通过对人体的热环境舒适性相关指标的综合分析来评价绿化表皮对热环境的改善作用。
针对绿化表皮,现阶段研究主要从优化建筑性能的角度出发,主要关注绿化表皮的节能效果,大量实测与模拟围绕绿化表皮对建筑外墙的降温性能展开[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14](表2)。在建筑设计上,绿化表皮的应用已拓展至对建筑外廊、架空层、空中庭院等过渡空间的覆盖与包裹。建筑过渡空间具有自遮阳、挡雨的特征,有广泛的气候适应性[15,16],可为人们提供半户外的休息、活动可能。但因其开敞特征,其热环境较易受到外部环境波动的直接影响,尤其是在夏季高温天气下,外环境高温气流会降低过渡空间的热环境舒适度。对此,绿化表皮的应用提供了一种遮阳与绿化结合的策略,通过太阳热辐射的减弱与蒸腾冷却作用,为过渡空间热舒适的改善提供可能。
表1绿墙系统类型与构造
因此,本文聚焦于绿化表皮对建筑过渡空间热环境的调节作用,以一幢外廊式绿化表皮的建筑为案例,通过夏季典型日实测与热舒适评价,探讨其对热环境各分项指标与人体热舒适度的调节效果,以期为在缓解城市热岛背景下绿化表皮的应用推广与提升建筑过渡空间的热舒适度提供参考。
图1绿化表皮微气候调节机制
图1：作者绘制
1、实测方法
1.1实测对象
实测对象为德国慕尼黑嘉兴区的一座外廊式学生宿舍(湿润大陆性气候,柯本气候分区:Dfb[14])。该建筑位于住宅区的西北角,长向立面为东西向布局。用地东侧为一幢2层住宅,与其距离为14m,西侧与北侧为城市干道与农田。建筑为4层高,房间位于中部,外围一圈为外廊,廊宽1.5m,层高3m(图2a、2b)。外廊用不锈钢索网围合,代替了栏杆,形成通透的效果,并为爬藤植物的生长提供了引导与支撑。爬藤植物种植于地面,经过十多年的生长,已覆盖至3层高度(图2c、2d)。为对比绿化表皮的遮阳作用,实验选取2层与4层布置测试点,2层为绿化表皮遮挡区,4层为非遮挡区。2层测试区的绿化表皮叶片层通过像素提取图像分析法进行分析[17],得出覆盖率为84.0%(图2e)。
表2绿化表皮对热环境各指标的调节效果
1.2实测指标
实测分别在两天进行,第一天为太阳总体辐射(Ga)测量,以反映绿化表皮的遮阳作用;第二天为热环境相关指数测量,包括空气温度(Ta)、相对湿度(RH)、风速(Va)、黑球温度(Tg)等指标,以考察过渡空间的热环境特征与人体舒适度,并以MRT值平均辐射温度)与UTCI值(通用热气候指数[18])为表征。根据ISO7726标准[19],对应标准黑球的MRT计算等式如下(D=0.15m,标准黑球直径;µ=0.95,球体辐射系数,无单位)
UTCI值为等效温度,是以单一物理量整合多个热环境评价的物理指标,反映人体对实际外部环境温度的生理学反应[21]。UTCI值可通过BioKlima2.6软件进行计算,其流程如图3所示,输入物理量包括Ta、RH、Va与MRT(图中为Tr),人体基本活动与衣着参数则为软件默认值[22]。其中,UTCI计算中,导入风速为10m高度的风速值Vh10,根据垂直梯度风公式Va=Vh10·(h/h10)α对风速值Vh10进行了换算(h为测点高度,h10=10m,α为赫尔曼系数,取建成区的中性空气值为α=0.34)[23]。虽然本测试未结合问卷调查进行舒适度阈值修正,但因测试重点在于反映遮挡区与非遮挡区过渡空间的热环境差异,因此对于UTCI值的后续分析仅在两者的横向对比上进行。在此基础上,对UTCI值与各输入物理量进行数值回归与相关性分析,进一步考察过渡空间的人体热环境舒适度的影响因素。
图2实测建筑区位、测点位置与廊道照片
图3UTCI等效温度计算流程图[21]
表3可移动测量工具包仪器表
表3:作者绘制
1.3实测工具
实测仪器为可移动的动态测量工具包,组装了一台LI-1500光感记录仪与一台Testo-480记录仪(含3种探头,表2)。动态测量工具包原来是由城市微气候测试工具组装而成,便于携带与步行持续测量,能敏感地记录与反映不同城市下垫面、街谷形态等特征对热环境的影响[24]。在本实测中,利用动态测量工具包,每30min阶段性地在遮挡与非遮挡区间移动,对比两种工况的热环境差异。
实测仪器设置高度为1.1m,与表皮距离为0.7m,位于廊道中央。第一天(2018年7月10日)实测仪器只设置于西侧立面;第二天(2018年7月11日)尝试进一步跟随太阳移动路径,把实测区分为上、下午两阶段,采集两组数据,测点上午设置于东侧,下午(13:00后)随太阳运动轨迹将测点转移至西侧(表3)。测试数据将根据测点移动的时间段进行分组处理,以便后续分析。
2、结果与讨论
2.1实测一:太阳总体辐射
太阳总体辐射实测结果整体上可分为两阶段。8:45—14:30为阶段一,14:30—16:30为阶段二。在总体辐射量上,第二阶段非遮挡区域的总体辐射值约为第一阶段的3.7倍。对比遮挡区与非遮挡区的总体辐射量,在第一阶段,遮挡区平均总体辐射量降低约84.75W/m2,降低幅度约70.2%;在第二阶段,降低值约为391.35W/m2,降幅约88.4%(图4a),即测试时间段内太阳总体辐射透过率约为11.6%～29.8%。总体辐射量随时间变化的原因有几方面:一是太阳运动轨迹变化,阶段一内,太阳运动轨迹从东南至南侧转变,阶段二内,太阳角度已移至西南方向,实测建筑为东西向,对不同时段的太阳方位均有自遮挡作用;二是测点均布置于西侧立面,上午阶段处于太阳直射的遮挡区内,下午阶段则暴露于太阳直射,总体辐射值升幅明显;三是天空云量的变化,阶段一天空云量较高,阶段二云量稍有降低,总体辐射也与天空云量的变化趋势较为接近(图4b)。
绿化表皮对太阳总体辐射的削减作用的研究结果显示,外部总体辐射量越高,表皮的削弱作用越明显。阶段性测试敏感地捕捉了遮挡区与非遮挡区的总体辐射变化与差异,整体而言,遮挡区域的全天总体辐射变化波动较小,且一直维持在较低水平。结合文献来看,苏克耶(Šuklje)等测定的绿化表皮叶片覆盖率约为83%,太阳总体辐射透过率为23.2%,与本实测较为接近[7]。实测结果证实了绿化表皮有良好的遮阳作用。
图4太阳总体辐射与天空云量覆盖率(CCR)实测结果
图5气象站记录数据
(时间段：9:00—17:00,2018年7月11日)图5：作者绘制
2.2实测二:热舒适相关指标
室外环境气象数据显示,测试当天气温较为平稳,平均温度为17.5℃。天空云量上午较低,下午有所增长,主导风向为西北风,下午风速较大(图5)。
测试二的结果也分为两阶段,9:00—13:00为阶段一,测点位于东立面;13:00—17:00为阶段二,测点位于西立面。因测试仪器的位置在固定时间段(30min)的测试后会进行变换,所以在测试数据处理上,把数据按时间段与所处位置进行区分处理。首先把实测数据根据实测位置所在时间段进行分列处理,然后对不同测试位置的数据进行统计,最后得出各时间段与位置的平均数据(表4)。整体而言,测点测试数据与外部环境数据变化趋势较为一致。阶段一Ta、Tg与UTCI值均处于较高水平,Va值较低;阶段二Ta、Tg与UTCI均有所下降,而Va值较大。下午测点位于西侧,与主导风向一致,因此Va值增加明显。
对比遮挡区与非遮挡区的实测数据(图6),结果显示,阶段一中,东立面遮挡区域的平均Ta、Tg、MRT、UTCI与Va值分别降低了0.9℃、0.8℃、1.4℃、0.9℃与0.1m/s;阶段二中,西立面遮挡区域的平均Tg与UTCI值分别增加了2.2℃与0.8℃,平均MRT与Va值降低了2.7℃与0.7m/s(表4)。实测结果表明,绿化表皮对过渡空间中的人体热舒适指标在一定时间段内有改善效果,其作用在Ta、Tg值较高而Va值较低的时段尤为明显。随着下午Va值的增加,非遮挡区的UTCI值比遮挡区更低。然而,下午局部时段的Va值甚至超过5m/s,这已经超出了人体风舒适的阈值[26]。
进一步,考虑到动态测量的测点阶段性位置变动,图6a-e显示了遮挡区域的Ta、Tg、MRT与UTCI值在大部分测试阶段均为下降趋势。因此,分析也增加了对每一阶段与上一阶段的数据对比(图6f)。结果显示,遮挡阶段的平均Ta、Tg、MRT与UTCI值与非遮挡阶段相比均有所减少,其中MRT与UTCI值降幅达11.4℃和2.0℃。结果清晰地表明了绿化表皮对过渡空间热环境的调节作用。
表4热环境各指标实测平均值、最小值与最大值
*注:EU:东向非遮挡区;ES:东向遮挡区;WU:西向非遮挡区;WS:西向遮挡区。表4:作者绘制
图6热环境各指标实测结果(1)
(时间段：9:00—17:00,2018年7月11日;EU，东向非遮挡区;ES，东向遮挡区;WU，西向非遮挡区;WS，西向遮挡区)图6：作者绘制
结合UTCI值的分级评价标准进行分析(图6e),52.4%的测试结果位于“无热压力等级(9～26℃)”,39.4%的结果位于“中等热压力等级(26～32℃)”。测试案例的过渡空间在测试日间时段内均为较为舒适的结果。
2.3UTCI数值回归与相关性分析
对UTCI与其他参数进行数值回归与相关性分析,结果显示,Tg、MRT与UTCI之间存在较高的相关性,而Ta、Va与UTCI之间的R2值与相关系数则较低(图7、表5)。分阶段看,阶段一中,Tg、MRT与UTCI的R2值较高,阶段二中,R2值稍有下降。结果表明UTCI值对太阳热辐射的敏感度较高,而对Va值的敏感度较低。对于Va值来说,Va与UTCI值的相关性虽然较低,但遮挡区比非遮挡区的相关性高,结果表明绿化表皮除了减低廊道的风速,也局部影响了UTCI值。在此案例中,尽管绿化表皮的遮挡作用降低了Ta值,但UTCI值的变化仍较为缓慢,因此Ta与UTCI值的相关性较低。
图7UTCI与热环境各指标的数值回归分析
表5UTCI与热环境各指标的相关性分析
*注:EU,东向非遮挡区;ES,东向遮挡区;WU,西向非遮挡区;WS,西向遮挡区。表5:作者绘制
由此可见,绿化表皮调节了廊道过渡空间的热舒适性,但也影响了其中的风速。对于室内换气来说,过渡空间的空气流动也有重要作用。因此,为促进过渡空间的空气流动,或需从设计层面进行优化,在绿化表皮中适当增加开口,从而达到通风与热舒适的平衡。
3、结论
通过对德国慕尼黑嘉兴区学生宿舍外廊绿化表皮的夏季典型日实测,结果显示了绿化表皮的几个主要影响,一是遮阳作用明显,太阳总体辐射的透过率约为11.6%～29.8%;二是对过渡空间的热环境与热舒适有一定提升,其遮挡区域的MRT与UTCI值的降幅达11.4℃和2.0℃;对风环境有影响,Va最大降幅为2.6m/s,也间接影响了UTCI值的优化。另外,本项目叶片覆盖率大于80%,对走廊与室内采光也会产生一定影响,需要进一步实测分析。
本实测设计也有一些不足之处,或会对结果产生一定影响:动态测量工具包只设于建筑不同层的外廊区域,没有进行室外环境对比测量,室外环境数据只通过周边气象站数据获取;对比遮挡与非遮挡的测点分别设于2层与4层,垂直向的风速与温度梯度变化也会对实测结果产生一定影响,后续研究需寻求更合适的测试对象,以优化实验设计;实测未测定植物蒸腾作用对温湿度的影响幅度;实测未获取叶面积指数等植物叶片层参数进行进一步分析;等等。因此,未来仍需进一步完善与补充实验设计与实测工具,以更全面地描述与分析绿化表皮对过渡空间的微气候的影响。