外墙绿植对墙体温度的影响

外墙绿植对墙体温度的影响

 

张梦圆，付海明（东华大学环境科学与工程学院，上海松江201620）

 

摘要：通过试验分析，对比覆盖绿植的建筑外墙和裸露的建筑外墙内外表面温度，得出覆盖绿植可以有效减少太阳对墙体的直接辐射，达到降低墙体外表面温度1.9~11.9℃的效果；且叶面积指数越大的植物种类，在冬季的保温效果越明显；裸墙与植物墙的宏观热阻比为0.49~0.71，比值与太阳辐射强度呈负相关；且外墙覆盖植物具有温度的衰减作用和延时效果；证明了外墙绿植可降低温度，有效改善室内热环境。

 

随着城镇人口的不断扩张，城镇居住面积不断增加，绿化面积日益减少，由此衍生出来的一系列生态问题。而垂直绿化技术的出现，行之有效地解决了城市绿量的问题，增加了城镇环境生态种类的多样性，植物还可以有效地净化空气[1]，改善了城镇空气质量[2]。近年来，学者还关注到垂直绿化具有保温隔热的特殊性能[3-10]，可季节性地调节居民的室内热环境，大大减少了太阳对墙体的直接辐射，起到冬季保温、夏季隔热的功效。

 

中外学者为研究外墙绿化的实际功效做出了诸多努力。Hoyano[11]在东京测试了一栋外墙生长着的常春藤对该混凝土建筑的遮阳效果，发现被常春藤覆盖的外墙面温度降低了18%，内墙面降低了7℃。Eumor-fopoulou等[12]在希腊北部观察测试到攀援植物对建筑墙体的室内和室外表面都有着降温作用，且能够保持日常室内的温度比平均值低2℃左右。Kontoleon[13]还发现攀援植物的墙面绿化对东、西朝向建筑表面的热学影响更明显。同时刘德建[5]在绿色建筑生态节能策略中提到建筑外墙的生态节能设计，合理利用绿色植物搭配以提高居住环境的舒适度，结合建筑朝向和当地风向及日照情况，通过绿色植物为建筑内住户提供优质的生活环境。为确切得出垂直绿化对人体舒适度的影响尺度，陈宇[14]对南京万荣立体绿化研发中心办公楼垂直绿化进行了研究，得出实施垂直绿化能有效降低PMV和PPD值，改善室内环境舒适度，提升人体舒适度，且在垂直绿化形式上，模块式优于网架式。这些研究在客观上分析了植物带来的温降效果，但缺少对传热的本质———“热阻”的研究。

 

本研究采用试验的方式，对比了不同植物种类对环境的温降效果，对太阳辐射的削弱效果，以及植物墙带来的传热优化效果，通过分析试验结果，验证垂直绿化的经济价值和社会效益。

 

1材料与方法

 

1.1试验对象

 

选取上海市松江区东华大学综合试验楼楼顶处的一间空置的房间进行对外表的降温效果试验。上海市位于长江中下游地区，濒江临海，呈现季风性、海洋性气候特征，冬季阴冷潮湿，夏季高温多雨，最高气温30℃，最低温度-5℃左右。屋顶处的试验房间墙壁为承重墙，墙体厚度为300mm，与普通民宅标准相同，房间采光与通风均为良好，无内热源，故选择此处建筑外墙作为本次试验的研究对象。为确保对照试验拥有相同的环境和外界参数，将墙面分为上下2个区域，如图1所示。

 

 

上半部分为裸露的墙体，下半部分覆盖着3种不同类型的植物，采用绿植-外挂花盆-固定支架的组合形式外置于墙体外表面，移栽了金叶女贞、花叶络石和栀子花3种不同叶面积指数的抗旱耐寒的绿植，三者相互对照，并与上半面裸露的墙体共同组成了对照试验台。

 

1.2试验器材

 

试验采取多路传感器将各路数据自动记录储存到主机的形式，将不同测试点的数据每隔10min定时录入系统，进行长期性监测，以保证试验数据的真实客观性。仪器在投入试验之前进行标定，与手持式的测试仪所得数据进行比对，确保数据的有效性。测试的数据有温度、热流、太阳辐射度以及温湿度4个方面，分别对应了4种类型的传感器，如表1所示，通过插入模块连接到多路数据记录仪上，从而达到同时监测的目的。同时，为保证植物正常生存，节约人力成本，绿植的灌溉采用自动灌溉控制阀控制，根据植物习性调适成每周3次的灌溉频率。

 

1.3测点布置

 

1.3.1热电偶。以栀子花所在区域为例，温度测点在垂直于墙体的纵向上分为4个部位，于各自的温度层以不同的方式固定，对于植物叶表面温度测点，用透明胶带把热电偶固定到叶片上表面位置，尽可能地排除测点处的空气；对于植物冠层温度测点，采用尼龙扎带将热电偶固定于顶端叶片之下、植物冠层之内，并裸露于空气中；对于墙体于植物间的空气夹层温度测点，采用缠绕的方式，将热电偶固定于花盆背部的金属支架，置于空气中，同时避免与其他物体接触；对于墙体的内外表面温度测点，先用透明防水胶带将探头固定在墙体表面，再采用乳胶密封透明胶带防止其受潮脱落，之后将热电偶排线并做好标签固定于模块末端，其他叶面积指数的植物和裸露墙面的温度测点布置方式也与上述一致。

 

1.3.2热流。为了防止传感器因曝晒、受潮而导致使用寿命缩短，将热流传感器均布置于墙体内表面，取不同区域的中心位置，采用透明胶带固定于墙面，确保每个传感器前方无热源干扰、无异物遮挡，并将其连接于模块末端，插入数据记录仪内。

 

1.3.3温湿度传感器。温湿度传感器分为3个区域布置，对于室外场所，需对其装置防水防护装置，固定于室外空旷位置；室内区域划分为有无绿植的2个空间，取空间1~1.5m水平区间与绿化区域中心的相交处为测试点，同时取该测试点垂直向上0.5m左右的位置为无绿植区域的空间测试点，通过支架和尼龙扎带固定于室内无人员活动的空间处，排线接入模块，插入记录仪。

 

 

2结果分析

 

2.1墙体表面温度的影响因素

 

2.1.1植物对裸墙的影响。在图2、图3中，黑色折线代表裸露墙体内、外表面的温度变化曲线，彩色的曲线是覆盖有绿色植物的墙面温度，可知，裸露在空气中的墙面温度上下起伏是最为明显的。



图3表示墙体外表面温度在冬季2个月内的变化幅度，可知2月份温度偏高，裸墙的墙体外表面温度与植被墙的墙体外表面温度最大的温差可以达到11.9℃，图2表示墙体内表面温度在冬季2个月内的变化幅度，同样，2月份温度波动幅度相对较大，裸墙的墙体内表面温度与植被墙的墙体内表面温度最大的温差在冬季为1.9℃，可知外墙绿植的存在对墙体外表面的温度影响较大，主要原因在于植物等墙体外置物可以有效地减少太阳对墙面的直接辐射，植物及土壤的蒸腾作用可以有效地降低墙面周围的环境，从而达到降低墙体外表面温度的效果，进而可以有效改善室内的温度环境。

 

 

2.1.2植物种类的影响。本次试验中共用到了栀子花、花叶络石和金叶女贞3种不同叶面积指数的植物。其生理特性参数如表2所示，三者均为常见的喜阳耐寒耐旱的植物，其叶面积指数有着明显差异，因此用来作对比参照，其中栀子花的叶面积指数最大，金叶女贞的最小。

 

 

综上分析得出结论，植物对墙体外表面的温度影响程度较大。为了更直观地对比三者降温效果的区别，本研究对墙体外表面的温度变化曲线进行分析。由图4可得出，3种不同叶面积指数的植物在冬季期间随外界温度变化的整体趋势是一致的，说明三者均具有保温隔热的效果。因此，本研究选取冬季具有代表性的1个月的时间段，取7d为一个周期分为四周数据进行细化分析。

 

在白天室外温度达到峰值时，栀子花覆盖下的墙体外表面温度最高，说明栀子花的隔热降温效果不如另外2个叶面积指数相对较小的植物；然而，当晚上室外温度骤降时，栀子花覆盖的墙体外表面温度仍然高于其他2类植物，说明栀子花的保温效果与另外两者相比尚佳。此外，花叶络石和金叶女贞2种植物在隔热和保温2个功效方面的区别不是特别明显，所以使用者可以从两者的观赏性和适用性等方面择优而定。

 

总而言之，叶面积指数相对较大的植物的保温隔热功能大于叶面积较小的植株，而对于叶面积指数相近的植物，其保温隔热功能较为相近，在选择时可以考虑除该功能之外的其他方面的功效。

 

2.2植物墙与裸墙的性能属性

 

在昼夜交替的周期性传热情况下，裸露墙体的热阻与墙体和外墙绿植栀子花复合而成的植物墙热阻反映了对围护结构的昼夜平均传热能力，决定了墙体内表面的平均温度大小；而绿植与墙体对太阳辐射的延时性反映了围护结构内表面温度随时间推移的变化。

 

由以上的分析结果可知，墙体在植物的覆盖下可以有效地降低墙体外表面温度，且叶面积指数较大的栀子花在冬季的隔热功能稍弱，但保温效果最佳。故以叶面积指数较为突出的栀子花为例，分析冬季外墙绿植对墙体热阻和温度的影响。

 

2.2.1裸墙与植物墙的热阻关系。在多变的室外环境影响下，外界热量每天由室外向室内传导过程为非稳态过程，而非稳态传热的计算步骤是繁琐的，为简化传热过程，本试验将数据采样的时间间隔设置为每10min采集1次，就为期3个月的室外环境参数的变化而言，这10min内的室外参数可视为稳定不变的，可将这段时间内的传热过程视为稳态传热过程，因而可采用稳态传热的理论公式计算得出裸墙与植物墙的热阻，进而可以得出裸墙与植物墙的热阻比，分析植物墙的温降效果及节能作用。

 

本试验对于墙体传热的过程，只考虑垂直于墙体表面方向的一维稳态传热，且不考虑墙体和绿植盆栽等的蓄热。由傅立叶定律的计算公式可得出传热热阻。计算公式如下：热传导定律也称为傅立叶定律。

 

如表3所示，1－3月的裸墙热阻与植物墙热阻的比值月均值都小于1，说明了植物墙的热阻均大于裸墙热阻，热阻的增加削弱了室内外相互传递的热量，使得室内热环境受外界的扰动程度较小，且裸墙与植物墙的热阻比随着太阳辐射量的减少而呈现增加的趋势，说明热阻比的大小与太阳辐射强度有着反向的关系，于冬季而言，太阳辐射较少时，植物墙的热阻反而越大，当室内温度高于室外空气温度时，植物起到了保温功能，防止室内的热量快速扩散到室外去。总之，在植物的覆盖下，植物墙的热阻大于裸墙热阻，且与太阳辐射强度呈负相关性。

 

2.2.2裸墙与植物墙墙体表面温度的关系。建筑墙体对室外的热作用具有一定的热惰性，表现在墙体内表面温度的变化幅度和变化时间有所延迟，裸墙与植物墙2种不同的建筑材料在热惰性上有着明显差别，根据试验数据对其隔热效果进行分析。

 

现将测得的室外实时温度代入上式（7）得出室外综合温度，将其温度曲线与测得的墙体外表面和墙体内表面温度曲线相对比，取一周数据分析，得出图6。

 

如图5、图6所示，室外综合温度曲线和墙体内、外表面温度曲线均存在周期性的波动，且可以明显观察出，室外综合温度曲线的波动幅度明显大于墙体内、外表面温度。

 

 

在图5中，单个周期内温度波动由大到小依次为室外综合温度曲线、裸墙外表面温度曲线、栀子花墙外表面温度曲线。其中裸墙外表面温度每个周期的极大值平均比室外综合温度低5.4℃，栀子花墙外表面温度每日极大值平均比室外综合温度的低10.8℃，可知绿植外墙的温度降温效果能达到裸墙的2倍，可见外墙的节能效果极为显著，对实现节能减排有着重大意义。

 

在图6中，可以明显观察出，室外综合温度曲线的振幅明显大于墙体内表面温度，有无绿植的墙体内表面温度的极大值均延后于室外综合温度的极大值，表明墙体和绿植均对外界温度具有热惰性。在温度延迟效果上，可知，有绿植覆盖的墙体内表面温度的极值出现的时间相对于裸露墙体延时时间更长些，经计算整理为3~6h（有绿植覆盖）和2~5h（无覆盖）。说明在相同的外界环境和太阳辐射强度的影响下，有绿植覆盖的墙体对温度的延时效果更为明显，这对调节室内空气温度有着积极作用。

 

3结语

 

众所周知，大树底下好乘凉，于建筑围护结构而言也是如此。建筑墙体增设绿植不仅增加了它的观赏性，更对室内热环境有着积极影响，本研究通过模拟建筑实际住宅的试验测试，用实际数据验证了植物在冬季对建筑的保温性能，得出了叶面积指数较大的植株的保温隔热效果要优于叶面积指数小的植株；通过对试验数据的进一步处理，可知绿植外墙在对室外温度的波动的衰减和延时效果上要优于裸露外墙，且衰减效果随太阳辐射强度的增强而增强，增设绿植的墙体外表面温度下降效果是裸墙外表面的2倍，墙体内表面的温度延时时间要比裸墙长2~3h，验证了绿植在夏热冬冷地区的冬季仍具有保温隔热的效果，这对外墙绿植的研究和推广有着重要意义，响应国家节能减排的号召，为后人开发和利用现代生态建筑技术发挥重要作用。