姜慧樂等

摘要：公共建筑物的立體綠化主要包括屋頂綠化、垂直綠化以及地面環(huán)境綠化等形式，它是建筑節(jié)能減排的有效措施和途徑之一。以杭州市解放路及其周邊地區(qū)的公共建筑物為研究對象，從一層式、兩層式、多層式綠化類型的植物群落結構出發(fā)進行比較，發(fā)現(xiàn)公共建筑物屋頂綠化的降溫增濕效應比地面環(huán)境綠化的更為明顯，而垂直綠化的降溫增濕效應主要與植物枝葉的茂密程度和分布均勻水平有關。由于屋頂綠化的保溫隔熱作用，可使公共建筑物頂層普通房間的電能總負荷減少0.28 kW，按照每天8 h的工作時間計算，則每天只是空調的開啟就可降低2 kW·h以上的耗電量。而這僅僅是公共建筑物的屋頂綠化就能達到的節(jié)能效果，若再加上適當?shù)闹参锶郝湟约案囝愋偷牧Ⅲw綠化（垂直綠化），則建筑節(jié)能的潛力更大。

關鍵詞：立體綠化；溫濕效應；節(jié)能；植物群落結構；公共建筑物；杭州市

中圖分類號：S731；S718.56；TU985.12+4（531HZ） 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）06-1359-07

隨著區(qū)域經(jīng)濟和城鄉(xiāng)一體化進程的不斷推進，以行政辦公、商業(yè)賣場、酒店賓館、金融中心和公共活動中心為主導的城市公共建筑物的面積也在持續(xù)增加[1]，而人們對公共建筑物環(huán)境以及建筑節(jié)能的要求卻越來越高。杭州市公共建筑物消耗的能源有電能、熱力、城市燃氣以及燃油等類型；其中電能為主要能源，每年耗電量十分驚人，主要用在了空調系統(tǒng)、照明、電梯、辦公用電和其他動力需求上[2]。公共建筑物能耗過大的關鍵在于這些公共建筑物采用了不適當?shù)募锌照{技術，導致能源的無謂消耗。

立體綠化的提出是相對于平面綠化而言的，包括屋頂綠化、垂直綠化以及建筑物地面環(huán)境綠化等形式[3]，是一種融合建筑技術和園林藝術為一體的綜合性現(xiàn)代技術，其可使建筑物的空間潛能與綠色植物的多種效應得到完美的結合和充分的展現(xiàn)[4]，被視為是現(xiàn)代建筑節(jié)能減排的有效措施和途徑之一?？梢哉f，從平面綠化、垂直綠化到立體綠化，是人類在城市生態(tài)環(huán)境建設上的飛躍，是綠化從室外走入室內(nèi)、人類親近自然的一種新選擇[5]。在目前關于建筑物立體綠化的研究中，從不同植物群落結構對建筑物產(chǎn)生的降溫增濕效應等方面的探討還鮮有報道。本研究從杭州市公共建筑物立體綠化的不同綠化形式入手，通過對樣點溫度、空氣相對濕度的定位測定與比較，試圖篩選出適合杭州市的、并具有良好降溫增濕效應的公共建筑物綠化植物群落結構，現(xiàn)將結果報告如下。

1 材料與方法

1.1 研究地點概況

杭州市地處長江三角洲發(fā)達地區(qū)，浙江省北部、錢塘江下游北岸，地理位置處在東經(jīng)120°12′、北緯30°23′，海拔41.7 m；氣候屬亞熱帶季風氣候區(qū)，特點為溫暖濕潤、四季分明、光照充足、雨量豐沛，呈現(xiàn)春多雨、夏濕熱、秋氣爽、冬干冷的氣候特征[6]。其年平均氣溫為16.6 ℃，最熱月平均氣溫為28.6 ℃，室外最熱月平均空氣相對濕度為80%。

研究地點選址于杭州市西湖邊橫貫城區(qū)東西的解放路（中河高架以西路段）及其周邊地區(qū)，該地段是杭州市內(nèi)主要的交通要道，也是重要的商業(yè)街道，是公共建筑物分布較為密集的一個中心地段。其中新僑飯店周邊建筑的屋頂綠化、美化工程是杭州市上城區(qū)人民政府相關部門組織實施的街道美化試點工程，也是課題調查研究的典型對象。

1.2 調查工具

自制調查記錄表，儀器和工具有TES-1361C記憶式溫度、濕度測量儀，尼康數(shù)碼相機及皮卷尺、鋼卷尺等。

1.3 調查方法及內(nèi)容

課題組選取杭州市解放路沿街及其附近已經(jīng)完成立體綠化的、具有典型代表性的公共建筑物作為主要的調查對象，選擇調查對象范圍內(nèi)公共建筑物上的不同立體綠化形式，采用與無綠化的建筑物進行對比、室內(nèi)與室外相互參照的方法，對其屋頂綠化、垂直綠化以及建筑物地面環(huán)境綠化等不同形式的立體綠化進行分類調查，在2011年夏季（6～9月）的晴天，分別在調查日的9∶00、11∶00、13∶00、15∶00、17∶00、19∶00測定各調查類型取樣點的溫度、空氣相對濕度，并對各個群落的植物優(yōu)勢種生長狀況進行實地測量。

1.3.1 屋頂綠化 根據(jù)每個公共建筑物屋頂綠化植物的群落結構不同，將其分為裸屋頂（無植被覆蓋，只有建筑安裝的硬質鋪裝，CK1）、一層式（草坪或木本植物整形綠籬）、兩層式（“灌木+草坪”、“喬木+草坪”、“喬木+灌木”）、多層式（“喬木+灌木+草坪”）4種類型，分別在4種類型所在的房頂上距離屋頂1.5 m處和頂層室內(nèi)（距室內(nèi)地面1.5 m處）實施溫度、空氣相對濕度的測定。每次測定在同一時間、同一類型里重復10次，取平均值。

1.3.2 垂直綠化 對于公共建筑物里外結合墻面、陽臺、窗臺、花架、棚架等處做了綠化處理的部分，根據(jù)垂直綠化植物種類的多少分為單一綠化植物、2種及以上綠化植物組成的群落2種類型，在距離其墻面或其他構筑物外20 cm處實施溫度、空氣相對濕度的測定，同時在公共建筑物垂直方向相應的無綠化處設對照（CK2），并記錄垂直綠化植物的枝葉長勢狀況。每次測定的方法同上。

1.3.3 建筑物地面環(huán)境綠化 在公共建筑物的臨街、樓旁、架空層、庭園、地上停車場等地點的地面，凡有綠化之處也將其分為裸地（無植被覆蓋或硬質鋪裝，CK3）、一層式（草坪或木本植物整形綠籬）、兩層式（“灌木+草坪”、“喬木+草坪”、“喬木+灌木”）、多層式（“喬木+灌木+草坪”）4種類型，分別在4種類型距離地面1.5 m處實施溫度、空氣相對濕度的測定，每次測定的方法（包括第一層室內(nèi)地面1.5 m處的測定）同上。

2 結果與分析

2.1 不同植物群落結構的屋頂綠化類型對公共建筑物屋頂溫度、空氣相對濕度的影響

公共建筑物的屋頂綠化主要通過植物的蒸騰作用以及栽培基質的隔熱作用來吸收、阻隔建筑物產(chǎn)生的熱量，進而達到降低屋頂空氣溫度和調節(jié)空氣相對濕度的目的[7]。根據(jù)公共建筑物綠化的相關研究報道[8-12]可以得知，建筑物的屋頂由于地勢較高、日照輻射強，屋面材料經(jīng)過太陽輻射后升溫快、反射強，夏季白天溫度高出地面3～5 ℃，夜晚卻低于地面2～3 ℃[8]。同時公共建筑物屋頂溫差較大，有利于植物進行光合作用和有機物質的積累。

2011年夏季6～9月在杭州市解放路百貨公司新樓屋頂測定的不同植物群落結構的屋頂綠化類型對公共建筑物屋頂溫度的影響結果分別見圖1和表1。從圖1、表1可見，在一天之中，屋頂?shù)耐獗砻鏈囟仍?3∶00左右達到最高，所以有屋頂綠化的公共建筑物屋頂?shù)慕禍匦?3∶00～15∶00達到最大，而17∶00以后隨著太陽輻射的減少，不同群落結構的屋頂綠化類型與裸屋頂?shù)臏夭顚⒅饾u縮小。將測定數(shù)據(jù)整理后顯示，在一天之中，裸屋頂?shù)氖彝獗砻鏈囟扰c室內(nèi)的溫差最高，達到了11.1 ℃，平均溫差為6.7 ℃；一層式屋頂綠化類型的屋頂表面溫度與室內(nèi)的溫差最高可達到7.4 ℃，平均溫差為3.4 ℃；兩層式屋頂綠化類型的屋頂表面溫度與室內(nèi)的溫差最高可達到6.6 ℃，平均溫差為2.6 ℃；多層式屋頂綠化類型的屋頂表面溫度與室內(nèi)的溫差最高可達到5.9 ℃，平均溫差為1.9 ℃。綜合而言，一層式、兩層式、多層式屋頂綠化類型的屋頂表面溫度分別比裸屋頂表面溫度起碼下降了3.3、4.1、4.8 ℃；根據(jù)已發(fā)表的夏季屋頂表面溫度下降3～5 ℃、則室內(nèi)空調能節(jié)電20%的相關研究結論[13-15]，我們認為，用一層式、兩層式、多層式屋頂綠化類型可以使解放路百貨公司新樓內(nèi)節(jié)電在20%左右。

2011年夏季6～9月在解放路百貨公司新樓屋頂測定的不同植物群落結構的屋頂綠化類型對公共建筑物屋頂空氣相對濕度的影響結果見圖2。從圖2、表1可見，在一天之中，屋頂?shù)目諝庀鄬穸仍?3∶00～15∶00達到最低，這與該時段所對應的屋頂表面溫度最高相符；同時，有綠化與沒有綠化的裸屋頂表面空氣相對濕度之差在11∶00達到最大。而裸屋頂和一層式、兩層式、多層式3種不同屋頂綠化類型的建筑物屋頂表面與頂層室內(nèi)的平均空氣相對濕度差值分別為4.3、13.5、15.9、19.3個百分點。因此屋頂綠化可以顯著提高公共建筑物屋頂?shù)目諝庀鄬穸?，增加公共建筑物使用者在夏季的舒適度，其中多層式的屋頂綠化類型植物群落的增濕效果比一層式、兩層式的更為明顯。

經(jīng)過以上比較可以確認，屋頂綠化的公共建筑物室內(nèi)的降溫和增濕效果都比裸屋頂室內(nèi)的好得多，其效果高低的排序為多層式屋頂綠化類型、兩層式屋頂綠化類型、一層式屋頂綠化類型。

2.2 不同植物群落結構的垂直綠化類型對公共建筑物立面溫度、空氣相對濕度的影響

公共建筑物的垂直綠化是將植物作為建筑的圍護材料、建筑物立面的造型元素或微氣候的調節(jié)表層進行利用的[16]，通過植物的蒸騰作用以及在垂直方向上植物枝葉隔熱作用的不同來吸收熱量，進而達到建筑物內(nèi)外降低溫度和調節(jié)空氣相對濕度的目的。根據(jù)相關文獻，垂直綠化墻面的平均吸收太陽輻射及從外墻表面向內(nèi)傳遞熱量的程度均比無綠化墻面的低1/3左右，可降低室內(nèi)溫度0.6～6.0 ℃[17，18]，還通過植物自身的蒸騰作用來提高空氣相對濕度，使其環(huán)境溫度比其他沒有垂直綠化的部位降低1～4 ℃、空氣相對濕度增加5～7個百分點，從而改善建筑物立面的微環(huán)境，其降溫增濕的范圍處在覆蓋層內(nèi)以及距離覆蓋層40 cm以內(nèi)的范圍[19]。

2011年夏季6～9月在杭州市解放路對新僑飯店、杭州科技大廈等幾個公共建筑物的垂直綠化類型調節(jié)公共建筑物立面溫度、空氣相對濕度的情況做了相關調查和記錄，結果見表2。從表2可見，有垂直綠化的建筑物或構筑物的墻面外20 cm處比無垂直綠化的墻面同部位在溫度上要低0.3～4.6 ℃、在空氣相對濕度上則提高了4.1～9.7個百分點。由此可見，垂直綠化能在不同程度上降低建筑物及相關構筑物內(nèi)外的空氣溫度、提高空氣相對濕度，并且這種降溫增濕的效應往往在一個較大的區(qū)間內(nèi)傳導。

通過對垂直綠化植物群落類型的枝葉長勢狀況進行記錄、整理，得到表3。由表3可見，公共建筑物實施垂直綠化后在降溫增濕效應的體現(xiàn)上主要與枝葉的茂密程度和分布均勻水平有關，單一植物群落與多種植物群落的垂直綠化類型之間在公共建筑物內(nèi)外降溫增濕效應上的差距較小，這為垂直綠化降低成本提供了調整空間。

綜合表2與表3的結果，通過對測定數(shù)據(jù)的處理，我們發(fā)現(xiàn)，在垂直綠化植物群落枝葉生長較為稀疏、分布不均勻時，可降溫0.3～0.5 ℃、增濕4.1～7.4個百分點；當垂直綠化植物群落枝葉生長茂密、分布均勻時，可降溫3.2～4.6 ℃、增濕7.9～9.7個百分點。

2.3 不同植物群落結構的地面環(huán)境綠化類型對公共建筑物地面溫度、空氣相對濕度的影響

在公共建筑物的地面環(huán)境進行綠化覆蓋最大化是城市空間集約化、生態(tài)化發(fā)展的一種體現(xiàn)，其與屋頂綠化和垂直綠化不同的是公共建筑物的地面環(huán)境綠化往往可以給植物提供相對較為良好、穩(wěn)定的生長條件，人工管理、調節(jié)更為方便。2011年夏季6～9月在解放路百貨公司新樓附近臨街、樓旁、架空層、庭園、地上停車場等部位的地面環(huán)境綠化處距地表1.5 m處的溫度測定結果見圖3、空氣相對濕度測定結果見圖4、不同地面綠化類型植物群落結構調節(jié)地面環(huán)境溫度、空氣相對濕度的比較結果見表4。從圖3、圖4可見，在一天之中，這些部位的地面溫度和空氣相對濕度的變化趨勢呈現(xiàn)出與屋頂綠化相類似的情況；地面環(huán)境溫度也是在13∶00左右達到最高，有綠化跟沒有綠化（裸地）的部位溫度之差在13∶00～15∶00達到最高，而其空氣相對濕度均值則在13∶00～15∶00達到最低，與溫度的變化趨勢相反，這與該時段所對應的地面溫度最高時段相符。將測定數(shù)據(jù)整理后顯示，在一天之中，無地面環(huán)境綠化部位的室內(nèi)外最高溫差為6.9 ℃，平均溫差為3.1℃；一層式地面綠化類型的部位室內(nèi)外最高溫差為2.9 ℃，平均溫差為1.9 ℃；兩層式地面綠化類型的部位室內(nèi)外最高溫差為2.2 ℃，平均溫差為1.5 ℃；多層式地面綠化類型的部位室內(nèi)外最高溫差為2.1 ℃，平均溫差為1.1 ℃。綜合而言，室外一層式、兩層式、多層式地面綠化類型部位的近地面環(huán)境溫度分別比沒有地面環(huán)境綠化的部位下降了1.2 ℃、1.6 ℃、2.0 ℃。而通過對圖2和圖4進行比較后可以看出，地面環(huán)境綠化后的增濕效應不如屋頂綠化的明顯，其裸地、一層式、兩層式、多層式4種建筑物地面環(huán)境綠化類型部位與第一層室內(nèi)的平均空氣相對濕度差值分別為1.8、4.1、5.5、8.3個百分點。

由于受到公共建筑物的朝向、日照時間長短、風向等多方面因素的影響較大，不同朝向的地面環(huán)境綠化類型在溫度和空氣相對濕度的表現(xiàn)上略有差異。不過從表4來看，總體上解放路百貨公司新樓附近的地面環(huán)境綠化依然可以在不同程度上達到降溫增濕的效果，能夠增加公共建筑物使用者的舒適度。

2.4 公共建筑物屋頂綠化的節(jié)能測算

為了較直觀地說明立體綠化對公共建筑物的節(jié)能效果，以杭州市解放路百貨公司新樓的屋頂綠化為例，測算了在有無立體綠化條件下公共建筑物的用電量。由于解放路百貨公司新樓屬一類商業(yè)建筑，查文獻[20]可知，杭州市夏季室外平均氣溫為31.5 ℃；室內(nèi)設計溫度為26 ℃，空氣相對濕度為60%。取百貨公司頂層的一間辦公室為研究對象，其房間面積為30 m2，辦公室性質為一般辦公場所，吸煙程度為微量。這其中，空調為夏天室內(nèi)降溫需要提供冷負荷，其主要由3個因素決定：一是室外的溫度傳遞到室內(nèi)的負荷，用Q圍護結構表示；二是需要將室外的新鮮空氣送到室內(nèi)、并且將室外溫度較高的空氣降低到室內(nèi)舒適溫度程度，這其中需要負荷，用Q新風表示；三是人體會散發(fā)出熱量，為了降低人體所散發(fā)的熱量，所需要的負荷參照吃冰棍產(chǎn)生的負荷，用Q人體表示。

2.4.1 不考慮綠化保溫作用下的空調房間總冷負荷Q1

①Q(mào)圍護結構=KF[（t1-td）×CaCp-tn]。

其中，K為維護結構傳熱系數(shù)，查文獻[20]可知K=0.54 W/（m2·℃）；

F為維護結構的面積，包括東、西、南、北墻以及屋頂、地面；

t1為夏季室外溫度平均值，取31.5℃；

td為夏季室外溫度修正值，查文獻[20]可知杭州市的夏季修正值為0.2 ℃；

Ca——外表結構放熱修正系數(shù)，查文獻[20]可知杭州市為1.80；

Cp——外表結構日射吸收修正系數(shù)。查文獻[20]可知是1.15；

tn——室內(nèi)設計溫度，取26 ℃。

②Q新風=0.28×Pw×L×（Iw-In）

其中，Pw——干空氣密度，一般為1.13 kg/m3；

L——新風量，單位為m3/h，由設計規(guī)范知一般辦公室新風量不小于每人25 m3/h；此設計取每人次30 m3/h；

Iw——室外溫度下的空氣焓，查文獻[20]可知，在空氣相對濕度為60%時Iw為83；

In——室內(nèi)設計溫度下的空氣焓，查文獻[20]可知，In為58。

③Q人體=n×Cr×q

其中，n——辦公室人數(shù)，查文獻[20]可知，一般辦公室人員在3～4人；

Cr——群集系數(shù)，查文獻[20]可知為0.89；

q——每個成年人的潛熱量，查文獻[20]可知為181W。

所以，該房間的總冷負荷為Q1=Q圍護結構+Q新風+Q人體

經(jīng)運算，Q1=2.35 kW

2.4.2 考慮綠化保溫作用下的空調房間總冷負荷Q2 根據(jù)文獻[21]對物質傳熱基本方式的相關描述，當建筑物有了屋頂綠化以后，主要通過減弱導熱的方式來降低室外高溫向室內(nèi)的傳導。屋頂綠化會產(chǎn)生類似于電阻的熱阻，使傳遞到室內(nèi)的熱能減弱；通過這種保溫隔熱作用，到達頂層屋內(nèi)的室外溫度將不足31.5 ℃。查文獻[20]可知，普通綠化帶的單位熱阻R=1.2 m2·K/W，可使溫度降1.45 ℃。因此到達屋頂?shù)氖彝鉁囟葹?0 ℃。此溫度下的室外空氣焓值Iw1=70。將其數(shù)值帶入上述公式，可計算出Q2=2 068 W≈2.07 kW。

綜上所述，由于屋頂綠化的保溫隔熱作用，頂層房間總負荷減少了Q1-Q2=2.35-2.07=0.28 kW，按照每天8 h的工作時間，每天只是一個房間（30 m2）空調開啟就可降低2 kW·h以上的用電量，而這僅僅是公共建筑物的屋頂綠化就能達到的節(jié)能效果，若再加上適當?shù)闹参锶郝湟约案囝愋偷牧Ⅲw綠化（垂直綠化），我們有理由相信能夠達到建筑節(jié)能的理想效果。

3 小結

根據(jù)課題組對橫貫杭州市城區(qū)東西的解放路及其周邊地區(qū)公共建筑物立體綠化的調查研究結果，可以得到以下結論：

1）在一天之中，公共建筑物屋頂外表面溫度在13∶00左右達到最高，空氣相對濕度在13∶00～15∶00達到最低；有屋頂綠化的公共建筑物的降溫效應在13∶00～15∶00達到最大，增濕效應在11∶00達到最大。一層式、兩層式、多層式的屋頂綠化類型的屋頂表面溫度分別比裸屋頂表面溫度平均下降了3.3、4.1、4.8 ℃，用一層式、兩層式、多層式屋頂綠化類型可以使室內(nèi)節(jié)電在20%左右。而裸屋頂和一層式、兩層式、多層式3種不同屋頂綠化類型的建筑物屋頂表面與頂層室內(nèi)的平均空氣相對濕度差值分別為4.3、13.5、15.9、19.3個百分點，屋頂綠化可以顯著提高公共建筑物室內(nèi)外的空氣相對濕度，增加公共建筑物使用者在夏季的舒適度，其中多層式的屋頂綠化類型的增濕效果比一層式、兩層式的更為明顯。說明屋頂綠化的公共建筑物室內(nèi)的降溫和增濕效果都比裸屋頂室內(nèi)的好得多，其效果高低的排序為多層式屋頂綠化類型、兩層式屋頂綠化類型、一層式屋頂綠化類型。

2）有垂直綠化的建筑物或構筑物的墻面外20 cm處比無垂直綠化的墻面同部位溫度要低0.3～4.6 ℃，空氣相對濕度則提高了4.1～9.7個百分點；說明垂直綠化能在不同程度上降低建筑物及相關構筑物內(nèi)外的空氣溫度、提高空氣相對濕度，并且這種降溫增濕的效應可在一個較大的區(qū)間內(nèi)傳導。值得注意的是公共建筑物的垂直綠化在降溫增濕效應的體現(xiàn)上主要與綠化植物枝葉的茂密程度和分布均勻水平有關，而在單一植物群落與多種植物群落的垂直綠化類型之間差距較小，這為垂直綠化降低成本提供了調整空間。

3）在一天之中，公共建筑物的地面環(huán)境溫度也是在13∶00左右達到最高，有綠化跟沒有綠化的部位溫度之差在13∶00～15∶00達到最高，而其空氣相對濕度均值則在13∶00～15∶00達到最低。一層式、兩層式、多層式的地面環(huán)境綠化類型可以分別降溫1.2、1.6、2.0 ℃，降溫效果不如屋頂綠化的明顯。無綠化、一層式、兩層式、多層式4種不同群落結構的建筑物地面環(huán)境綠化類型與室內(nèi)的平均空氣相對濕度差值分別為1.8、4.1、5.5、8.3個百分點，同樣也是增濕效果不如屋頂綠化。

4）由于屋頂綠化的保溫隔熱作用，在綠化保溫的前提下，可使公共建筑物頂層普通房間的電能總負荷減少約0.28 kW，按照每天8 h的工作時間計算，則每天只是空調的開啟就可降低2 kW·h以上的耗電量。而這僅僅是公共建筑物的屋頂綠化就能達到的節(jié)能效果，若再加上適當?shù)闹参锶郝湟约案嗟牧Ⅲw綠化（垂直綠化）類型，則建筑節(jié)能的潛力更大。

總體來說，充分利用公共建筑物空間進行立體綠化，可以通過植物的蒸騰作用來增加空氣相對濕度、降低周邊環(huán)境的空氣溫度，從而可較明顯地改善建筑物的局部小氣候條件，增加人們在公共建筑物中工作、生活的舒適度。因此，根據(jù)公共建筑物空間的具體位置來選擇合適的綠化材料與立體綠化類型，形成適生多樣并具有觀賞價值、生態(tài)價值的植物群落結構，并提高節(jié)能降耗的效果，將是人們在對公共建筑物進行立體綠化時需要加以重視的問題。

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