基于群落结构的杭州市公共建筑物立体绿化温湿效应研究

摘要：公共建筑物的立体绿化主要包括屋顶绿化、垂直绿化以及地面环境绿化等形式，它是建筑节能减排的有效措施和途径之一。以杭州市解放路及其周边地区的公共建筑物为研究对象，从一层式、两层式、多层式绿化类型的植物群落结构出发进行比较，发现公共建筑物屋顶绿化的降温增湿效应比地面环境绿化的更为明显，而垂直绿化的降温增湿效应主要与植物枝叶的茂密程度和分布均匀水平有关。由于屋顶绿化的保温隔热作用，可使公共建筑物顶层普通房间的电能总负荷减少0.28 kW，按照每天8 h的工作时间计算，则每天只是空调的开启就可降低2 kW・h以上的耗电量。而这仅仅是公共建筑物的屋顶绿化就能达到的节能效果，若再加上适当的植物群落以及更多类型的立体绿化（垂直绿化），则建筑节能的潜力更大。

关键词：立体绿化；温湿效应；节能；植物群落结构；公共建筑物；杭州市

中图分类号：S731；S718.56；TU985.12+4（531HZ） 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）06-1359-07

随着区域经济和城乡一体化进程的不断推进，以行政办公、商业卖场、酒店宾馆、金融中心和公共活动中心为主导的城市公共建筑物的面积也在持续增加[1]，而人们对公共建筑物环境以及建筑节能的要求却越来越高。杭州市公共建筑物消耗的能源有电能、热力、城市燃气以及燃油等类型；其中电能为主要能源，每年耗电量十分惊人，主要用在了空调系统、照明、电梯、办公用电和其他动力需求上[2]。公共建筑物能耗过大的关键在于这些公共建筑物采用了不适当的集中空调技术，导致能源的无谓消耗。

立体绿化的提出是相对于平面绿化而言的，包括屋顶绿化、垂直绿化以及建筑物地面环境绿化等形式[3]，是一种融合建筑技术和园林艺术为一体的综合性现代技术，其可使建筑物的空间潜能与绿色植物的多种效应得到完美的结合和充分的展现[4]，被视为是现代建筑节能减排的有效措施和途径之一。可以说，从平面绿化、垂直绿化到立体绿化，是人类在城市生态环境建设上的飞跃，是绿化从室外走入室内、人类亲近自然的一种新选择[5]。在目前关于建筑物立体绿化的研究中，从不同植物群落结构对建筑物产生的降温增湿效应等方面的探讨还鲜有报道。本研究从杭州市公共建筑物立体绿化的不同绿化形式入手，通过对样点温度、空气相对湿度的定位测定与比较，试图筛选出适合杭州市的、并具有良好降温增湿效应的公共建筑物绿化植物群落结构，现将结果报告如下。

1 材料与方法

1.1 研究地点概况

杭州市地处长江三角洲发达地区，浙江省北部、钱塘江下游北岸，地理位置处在东经120°12′、北纬30°23′，海拔41.7 m；气候属亚热带季风气候区，特点为温暖湿润、四季分明、光照充足、雨量丰沛，呈现春多雨、夏湿热、秋气爽、冬干冷的气候特征[6]。其年平均气温为16.6 ℃，最热月平均气温为28.6 ℃，室外最热月平均空气相对湿度为80%。

研究地点选址于杭州市西湖边横贯城区东西的解放路（中河高架以西路段）及其周边地区，该地段是杭州市内主要的交通要道，也是重要的商业街道，是公共建筑物分布较为密集的一个中心地段。其中新侨饭店周边建筑的屋顶绿化、美化工程是杭州市上城区人民政府相关部门组织实施的街道美化试点工程，也是课题调查研究的典型对象。

1.2 调查工具

自制调查记录表，仪器和工具有TES-1361C记忆式温度、湿度测量仪，尼康数码相机及皮卷尺、钢卷尺等。

1.3 调查方法及内容

课题组选取杭州市解放路沿街及其附近已经完成立体绿化的、具有典型代表性的公共建筑物作为主要的调查对象，选择调查对象范围内公共建筑物上的不同立体绿化形式，采用与无绿化的建筑物进行对比、室内与室外相互参照的方法，对其屋顶绿化、垂直绿化以及建筑物地面环境绿化等不同形式的立体绿化进行分类调查，在2011年夏季（6～9月）的晴天，分别在调查日的9∶00、11∶00、13∶00、15∶00、17∶00、19∶00测定各调查类型取样点的温度、空气相对湿度，并对各个群落的植物优势种生长状况进行实地测量。

1.3.1 屋顶绿化 根据每个公共建筑物屋顶绿化植物的群落结构不同，将其分为裸屋顶（无植被覆盖，只有建筑安装的硬质铺装，CK1）、一层式（草坪或木本植物整形绿篱）、两层式（“灌木+草坪”、“乔木+草坪”、“乔木+灌木”）、多层式（“乔木+灌木+草坪”）4种类型，分别在4种类型所在的房顶上距离屋顶1.5 m处和顶层室内（距室内地面1.5 m处）实施温度、空气相对湿度的测定。每次测定在同一时间、同一类型里重复10次，取平均值。

1.3.2 垂直绿化 对于公共建筑物里外结合墙面、阳台、窗台、花架、棚架等处做了绿化处理的部分，根据垂直绿化植物种类的多少分为单一绿化植物、2种及以上绿化植物组成的群落2种类型，在距离其墙面或其他构筑物外20 cm处实施温度、空气相对湿度的测定，同时在公共建筑物垂直方向相应的无绿化处设对照（CK2），并记录垂直绿化植物的枝叶长势状况。每次测定的方法同上。

1.3.3 建筑物地面环境绿化 在公共建筑物的临街、楼旁、架空层、庭园、地上停车场等地点的地面，凡有绿化之处也将其分为裸地（无植被覆盖或硬质铺装，CK3）、一层式（草坪或木本植物整形绿篱）、两层式（“灌木+草坪”、“乔木+草坪”、“乔木+灌木”）、多层式（“乔木+灌木+草坪”）4种类型，分别在4种类型距离地面1.5 m处实施温度、空气相对湿度的测定，每次测定的方法（包括第一层室内地面1.5 m处的测定）同上。

2 结果与分析

2.1 不同植物群落结构的屋顶绿化类型对公共建筑物屋顶温度、空气相对湿度的影响

公共建筑物的屋顶绿化主要通过植物的蒸腾作用以及栽培基质的隔热作用来吸收、阻隔建筑物产生的热量，进而达到降低屋顶空气温度和调节空气相对湿度的目的[7]。根据公共建筑物绿化的相关研究报道[8-12]可以得知，建筑物的屋顶由于地势较高、日照辐射强，屋面材料经过太阳辐射后升温快、反射强，夏季白天温度高出地面3～5 ℃，夜晚却低于地面2～3 ℃[8]。同时公共建筑物屋顶温差较大，有利于植物进行光合作用和有机物质的积累。

2011年夏季6～9月在杭州市解放路百货公司新楼屋顶测定的不同植物群落结构的屋顶绿化类型对公共建筑物屋顶温度的影响结果分别见图1和表1。从图1、表1可见，在一天之中，屋顶的外表面温度在13∶00左右达到最高，所以有屋顶绿化的公共建筑物屋顶的降温效应在13∶00～15∶00达到最大，而17∶00以后随着太阳辐射的减少，不同群落结构的屋顶绿化类型与裸屋顶的温差将逐渐缩小。将测定数据整理后显示，在一天之中，裸屋顶的室外表面温度与室内的温差最高，达到了11.1 ℃，平均温差为6.7 ℃；一层式屋顶绿化类型的屋顶表面温度与室内的温差最高可达到7.4 ℃，平均温差为3.4 ℃；两层式屋顶绿化类型的屋顶表面温度与室内的温差最高可达到6.6 ℃，平均温差为2.6 ℃；多层式屋顶绿化类型的屋顶表面温度与室内的温差最高可达到5.9 ℃，平均温差为1.9 ℃。综合而言，一层式、两层式、多层式屋顶绿化类型的屋顶表面温度分别比裸屋顶表面温度起码下降了3.3、4.1、4.8 ℃；根据已发表的夏季屋顶表面温度下降3～5 ℃、则室内空调能节电20%的相关研究结论[13-15]，我们认为，用一层式、两层式、多层式屋顶绿化类型可以使解放路百货公司新楼内节电在20%左右。

2011年夏季6～9月在解放路百货公司新楼屋顶测定的不同植物群落结构的屋顶绿化类型对公共建筑物屋顶空气相对湿度的影响结果见图2。从图2、表1可见，在一天之中，屋顶的空气相对湿度在13∶00～15∶00达到最低，这与该时段所对应的屋顶表面温度最高相符；同时，有绿化与没有绿化的裸屋顶表面空气相对湿度之差在11∶00达到最大。而裸屋顶和一层式、两层式、多层式3种不同屋顶绿化类型的建筑物屋顶表面与顶层室内的平均空气相对湿度差值分别为4.3、13.5、15.9、19.3个百分点。因此屋顶绿化可以显著提高公共建筑物屋顶的空气相对湿度，增加公共建筑物使用者在夏季的舒适度，其中多层式的屋顶绿化类型植物群落的增湿效果比一层式、两层式的更为明显。

经过以上比较可以确认，屋顶绿化的公共建筑物室内的降温和增湿效果都比裸屋顶室内的好得多，其效果高低的排序为多层式屋顶绿化类型、两层式屋顶绿化类型、一层式屋顶绿化类型。

2.2 不同植物群落结构的垂直绿化类型对公共建筑物立面温度、空气相对湿度的影响

公共建筑物的垂直绿化是将植物作为建筑的围护材料、建筑物立面的造型元素或微气候的调节表层进行利用的[16]，通过植物的蒸腾作用以及在垂直方向上植物枝叶隔热作用的不同来吸收热量，进而达到建筑物内外降低温度和调节空气相对湿度的目的。根据相关文献，垂直绿化墙面的平均吸收太阳辐射及从外墙表面向内传递热量的程度均比无绿化墙面的低1/3左右，可降低室内温度0.6～6.0 ℃[17，18]，还通过植物自身的蒸腾作用来提高空气相对湿度，使其环境温度比其他没有垂直绿化的部位降低1～4 ℃、空气相对湿度增加5～7个百分点，从而改善建筑物立面的微环境，其降温增湿的范围处在覆盖层内以及距离覆盖层40 cm以内的范围[19]。

2011年夏季6～9月在杭州市解放路对新侨饭店、杭州科技大厦等几个公共建筑物的垂直绿化类型调节公共建筑物立面温度、空气相对湿度的情况做了相关调查和记录，结果见表2。从表2可见，有垂直绿化的建筑物或构筑物的墙面外20 cm处比无垂直绿化的墙面同部位在温度上要低0.3～4.6 ℃、在空气相对湿度上则提高了4.1～9.7个百分点。由此可见，垂直绿化能在不同程度上降低建筑物及相关构筑物内外的空气温度、提高空气相对湿度，并且这种降温增湿的效应往往在一个较大的区间内传导。

通过对垂直绿化植物群落类型的枝叶长势状况进行记录、整理，得到表3。由表3可见，公共建筑物实施垂直绿化后在降温增湿效应的体现上主要与枝叶的茂密程度和分布均匀水平有关，单一植物群落与多种植物群落的垂直绿化类型之间在公共建筑物内外降温增湿效应上的差距较小，这为垂直绿化降低成本提供了调整空间。

综合表2与表3的结果，通过对测定数据的处理，我们发现，在垂直绿化植物群落枝叶生长较为稀疏、分布不均匀时，可降温0.3～0.5 ℃、增湿4.1～7.4个百分点；当垂直绿化植物群落枝叶生长茂密、分布均匀时，可降温3.2～4.6 ℃、增湿7.9～9.7个百分点。

2.3 不同植物群落结构的地面环境绿化类型对公共建筑物地面温度、空气相对湿度的影响

在公共建筑物的地面环境进行绿化覆盖最大化是城市空间集约化、生态化发展的一种体现，其与屋顶绿化和垂直绿化不同的是公共建筑物的地面环境绿化往往可以给植物提供相对较为良好、稳定的生长条件，人工管理、调节更为方便。2011年夏季6～9月在解放路百货公司新楼附近临街、楼旁、架空层、庭园、地上停车场等部位的地面环境绿化处距地表1.5 m处的温度测定结果见图3、空气相对湿度测定结果见图4、不同地面绿化类型植物群落结构调节地面环境温度、空气相对湿度的比较结果见表4。从图3、图4可见，在一天之中，这些部位的地面温度和空气相对湿度的变化趋势呈现出与屋顶绿化相类似的情况；地面环境温度也是在13∶00左右达到最高，有绿化跟没有绿化（裸地）的部位温度之差在13∶00～15∶00达到最高，而其空气相对湿度均值则在13∶00～15∶00达到最低，与温度的变化趋势相反，这与该时段所对应的地面温度最高时段相符。将测定数据整理后显示，在一天之中，无地面环境绿化部位的室内外最高温差为6.9 ℃，平均温差为3.1℃；一层式地面绿化类型的部位室内外最高温差为2.9 ℃，平均温差为1.9 ℃；两层式地面绿化类型的部位室内外最高温差为2.2 ℃，平均温差为1.5 ℃；多层式地面绿化类型的部位室内外最高温差为2.1 ℃，平均温差为1.1 ℃。综合而言，室外一层式、两层式、多层式地面绿化类型部位的近地面环境温度分别比没有地面环境绿化的部位下降了1.2 ℃、1.6 ℃、2.0 ℃。而通过对图2和图4进行比较后可以看出，地面环境绿化后的增湿效应不如屋顶绿化的明显，其裸地、一层式、两层式、多层式4种建筑物地面环境绿化类型部位与第一层室内的平均空气相对湿度差值分别为1.8、4.1、5.5、8.3个百分点。

由于受到公共建筑物的朝向、日照时间长短、风向等多方面因素的影响较大，不同朝向的地面环境绿化类型在温度和空气相对湿度的表现上略有差异。不过从表4来看，总体上解放路百货公司新楼附近的地面环境绿化依然可以在不同程度上达到降温增湿的效果，能够增加公共建筑物使用者的舒适度。

2.4 公共建筑物屋顶绿化的节能测算

为了较直观地说明立体绿化对公共建筑物的节能效果，以杭州市解放路百货公司新楼的屋顶绿化为例，测算了在有无立体绿化条件下公共建筑物的用电量。由于解放路百货公司新楼属一类商业建筑，查文献[20]可知，杭州市夏季室外平均气温为31.5 ℃；室内设计温度为26 ℃，空气相对湿度为60%。取百货公司顶层的一间办公室为研究对象，其房间面积为30 m2，办公室性质为一般办公场所，吸烟程度为微量。这其中，空调为夏天室内降温需要提供冷负荷，其主要由3个因素决定：一是室外的温度传递到室内的负荷，用Q围护结构表示；二是需要将室外的新鲜空气送到室内、并且将室外温度较高的空气降低到室内舒适温度程度，这其中需要负荷，用Q新风表示；三是人体会散发出热量，为了降低人体所散发的热量，所需要的负荷参照吃冰棍产生的负荷，用Q人体表示。

2.4.1 不考虑绿化保温作用下的空调房间总冷负荷Q1

①Q围护结构=KF[（t1-td）×CaCp-tn]。

其中，K为维护结构传热系数，查文献[20]可知K=0.54 W/（m2・℃）；

F为维护结构的面积，包括东、西、南、北墙以及屋顶、地面；

t1为夏季室外温度平均值，取31.5℃；

td为夏季室外温度修正值，查文献[20]可知杭州市的夏季修正值为0.2 ℃；

Ca――外表结构放热修正系数，查文献[20]可知杭州市为1.80；

Cp――外表结构日射吸收修正系数。查文献[20]可知是1.15；

tn――室内设计温度，取26 ℃。

②Q新风=0.28×Pw×L×（Iw-In）

其中，Pw――干空气密度，一般为1.13 kg/m3；

L――新风量，单位为m3/h，由设计规范知一般办公室新风量不小于每人25 m3/h；此设计取每人次30 m3/h；

Iw――室外温度下的空气焓，查文献[20]可知，在空气相对湿度为60%时Iw为83；

In――室内设计温度下的空气焓，查文献[20]可知，In为58。

③Q人体=n×Cr×q

其中，n――办公室人数，查文献[20]可知，一般办公室人员在3～4人；

Cr――群集系数，查文献[20]可知为0.89；

q――每个成年人的潜热量，查文献[20]可知为181W。

所以，该房间的总冷负荷为Q1=Q围护结构+Q新风+Q人体

经运算，Q1=2.35 kW

2.4.2 考虑绿化保温作用下的空调房间总冷负荷Q2 根据文献[21]对物质传热基本方式的相关描述，当建筑物有了屋顶绿化以后，主要通过减弱导热的方式来降低室外高温向室内的传导。屋顶绿化会产生类似于电阻的热阻，使传递到室内的热能减弱；通过这种保温隔热作用，到达顶层屋内的室外温度将不足31.5 ℃。查文献[20]可知，普通绿化带的单位热阻R=1.2 m2・K/W，可使温度降1.45 ℃。因此到达屋顶的室外温度为30 ℃。此温度下的室外空气焓值Iw1=70。将其数值带入上述公式，可计算出Q2=2 068 W≈2.07 kW。

综上所述，由于屋顶绿化的保温隔热作用，顶层房间总负荷减少了Q1-Q2=2.35-2.07=0.28 kW，按照每天8 h的工作时间，每天只是一个房间（30 m2）空调开启就可降低2 kW・h以上的用电量，而这仅仅是公共建筑物的屋顶绿化就能达到的节能效果，若再加上适当的植物群落以及更多类型的立体绿化（垂直绿化），我们有理由相信能够达到建筑节能的理想效果。

3 小结

根据课题组对横贯杭州市城区东西的解放路及其周边地区公共建筑物立体绿化的调查研究结果，可以得到以下结论：

1）在一天之中，公共建筑物屋顶外表面温度在13∶00左右达到最高，空气相对湿度在13∶00～15∶00达到最低；有屋顶绿化的公共建筑物的降温效应在13∶00～15∶00达到最大，增湿效应在11∶00达到最大。一层式、两层式、多层式的屋顶绿化类型的屋顶表面温度分别比裸屋顶表面温度平均下降了3.3、4.1、4.8 ℃，用一层式、两层式、多层式屋顶绿化类型可以使室内节电在20%左右。而裸屋顶和一层式、两层式、多层式3种不同屋顶绿化类型的建筑物屋顶表面与顶层室内的平均空气相对湿度差值分别为4.3、13.5、15.9、19.3个百分点，屋顶绿化可以显著提高公共建筑物室内外的空气相对湿度，增加公共建筑物使用者在夏季的舒适度，其中多层式的屋顶绿化类型的增湿效果比一层式、两层式的更为明显。说明屋顶绿化的公共建筑物室内的降温和增湿效果都比裸屋顶室内的好得多，其效果高低的排序为多层式屋顶绿化类型、两层式屋顶绿化类型、一层式屋顶绿化类型。

2）有垂直绿化的建筑物或构筑物的墙面外20 cm处比无垂直绿化的墙面同部位温度要低0.3～4.6 ℃，空气相对湿度则提高了4.1～9.7个百分点；说明垂直绿化能在不同程度上降低建筑物及相关构筑物内外的空气温度、提高空气相对湿度，并且这种降温增湿的效应可在一个较大的区间内传导。值得注意的是公共建筑物的垂直绿化在降温增湿效应的体现上主要与绿化植物枝叶的茂密程度和分布均匀水平有关，而在单一植物群落与多种植物群落的垂直绿化类型之间差距较小，这为垂直绿化降低成本提供了调整空间。

3）在一天之中，公共建筑物的地面环境温度也是在13∶00左右达到最高，有绿化跟没有绿化的部位温度之差在13∶00～15∶00达到最高，而其空气相对湿度均值则在13∶00～15∶00达到最低。一层式、两层式、多层式的地面环境绿化类型可以分别降温1.2、1.6、2.0 ℃，降温效果不如屋顶绿化的明显。无绿化、一层式、两层式、多层式4种不同群落结构的建筑物地面环境绿化类型与室内的平均空气相对湿度差值分别为1.8、4.1、5.5、8.3个百分点，同样也是增湿效果不如屋顶绿化。

4）由于屋顶绿化的保温隔热作用，在绿化保温的前提下，可使公共建筑物顶层普通房间的电能总负荷减少约0.28 kW，按照每天8 h的工作时间计算，则每天只是空调的开启就可降低2 kW・h以上的耗电量。而这仅仅是公共建筑物的屋顶绿化就能达到的节能效果，若再加上适当的植物群落以及更多的立体绿化（垂直绿化）类型，则建筑节能的潜力更大。

总体来说，充分利用公共建筑物空间进行立体绿化，可以通过植物的蒸腾作用来增加空气相对湿度、降低周边环境的空气温度，从而可较明显地改善建筑物的局部小气候条件，增加人们在公共建筑物中工作、生活的舒适度。因此，根据公共建筑物空间的具置来选择合适的绿化材料与立体绿化类型，形成适生多样并具有观赏价值、生态价值的植物群落结构，并提高节能降耗的效果，将是人们在对公共建筑物进行立体绿化时需要加以重视的问题。

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