夏熱冬冷地區(qū)室內(nèi)垂直綠化的實驗研究
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耿陽月于航 趙美
同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院
摘要：本文針對夏熱冬冷地區(qū)，對放置室內(nèi)植物墻的辦公室和普通辦公室的室內(nèi)熱濕環(huán)境進行實地測試和軟件模擬。實驗測試結(jié)果表明，自然工況下，室內(nèi)植物墻在夏季能夠起到降溫增濕作用，改善室內(nèi)舒適度；空調(diào)工況下，室內(nèi)植物墻能夠有效降低溫度波動和提高相對濕度，本次實驗條件下空調(diào)節(jié)電量為0.46 kWh/天。模擬計算表明植物墻可以降低室內(nèi)環(huán)境溫度1.4℃，與實際測試結(jié)果的誤差為12%。
關(guān)鍵詞：室內(nèi)垂直綠化室內(nèi)熱濕環(huán)境測試數(shù)值模擬
0 引言
垂直綠化是城市綠化的主要形式之一，它具有占地面積少、可增加綠化面積的優(yōu)勢。目前，和建筑外立面垂直綠化越來越受到重視，同時室內(nèi)垂直綠化的應(yīng)用也逐漸增多。
室內(nèi)垂直綠化有三種形式：墻面式、懸掛式及室內(nèi)綠墻式。后者是近年來室內(nèi)垂直設(shè)計的新概念。綠墻的概念最早出自于法國植物學(xué)家帕特里克·布蘭克，他創(chuàng)造出一項用于墻面垂直綠化的新技術(shù)，可使平地上的植物生長于垂直的建筑墻面，為建筑設(shè)計和建筑裝飾提供了一種新型的有機生態(tài)材料。這種植物墻可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)墻體、圍墻、橋柱等各種墻面，為打造生態(tài)花園城市開辟了新的途徑。
室內(nèi)植物可以調(diào)節(jié)室內(nèi)小氣候，起到降溫增濕的作用。李辰琦等運用Energy-Plus能耗模擬軟件、CFD計算流體力學(xué)軟件、U-wert.net材料U值計算軟件對建筑生態(tài)綠墻的能源性、物理性、區(qū)域性環(huán)境效應(yīng)進行模擬，研究其環(huán)境效應(yīng)；趙學(xué)義等測試了夏熱冬冷地區(qū)建筑外墻綠化對室內(nèi)熱環(huán)境的影響效果；狄育慧等應(yīng)用Fluent軟件分別對有無墻體綠化的建筑室內(nèi)熱環(huán)境進行了模擬研究，并實地測試驗證了其模擬結(jié)果的合理性。以上研究主要針對室外垂直綠化對墻體或室內(nèi)溫度影響，對于夏熱冬冷地區(qū)室內(nèi)垂直綠化的環(huán)境效應(yīng)研究較少，大多數(shù)文獻只是給出一些定性的結(jié)論，缺乏實驗測試及定量研究。
本文通過有室內(nèi)植物墻房間（以下簡稱綠墻房間）和普通房間的對比研究，通過實際測試分析植物墻對室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響和作用。
1 測試方案
1.1測試對象
為研究夏熱冬冷地區(qū)室內(nèi)垂直植物墻對室內(nèi)熱環(huán)境影響效果，選擇上海市作為測試地點。上海市屬夏熱冬冷地區(qū)，夏季室外空氣平均溫度為27℃，室外空調(diào)計算日平均溫度30.4℃，溫度高，濕度大，空調(diào)負(fù)荷能耗大。
選擇上海地區(qū)一棟辦公樓作為實驗場地，該辦公樓為四層建筑，南北朝向。選擇四樓南向兩個大小及功能相同的房間作為對比實驗房間，其中一個房間西墻安裝植物墻，另一個房間未作處理用于對照。圖1為測試房間現(xiàn)場圖。兩個房間東西墻都為內(nèi)墻，排除西曬等熱擾對實驗房間的影響。測試工況分為自然工況和空調(diào)工況，空調(diào)工況下室內(nèi)溫度設(shè)定為26℃。實驗房間在測試期間門窗為關(guān)閉狀態(tài)，無人居住，無燈光等散熱設(shè)備運行。
1.2實驗植物和測試儀器
本實驗垂直綠化形式為室內(nèi)綠墻式，取佛甲草為實驗植物。佛甲草屬景天科，生于山野水濕地及巖石上，適應(yīng)性極強，不選擇土壤，耐寒力極強。佛甲草屬多漿植物，含水量極高，其葉、莖表皮的角質(zhì)層具有極強的防止水分蒸發(fā)的特性。實驗利用18個0.5 m x0.5 m的佛甲草模塊（如圖2所示）組成植物墻進行測試，植物墻的形式如圖3所示。
室內(nèi)空氣溫濕度采用溫濕度自動記錄儀（型號：WSZY-1）測試，溫度精度為+0.1℃，相對濕度精度為0.1% RH．每隔10 min自動記錄一次。
1.3測點布置
利用便攜式氣象站測量室外環(huán)境參數(shù)，儀器放置在距地面垂直距離1.5 m背陰處；利用T型熱電偶測試墻面、屋頂及地面的內(nèi)壁面溫度；利用溫濕度自動記錄儀測量房間空氣溫濕度。本實驗選取了垂直方向上兩個典型平面的溫濕度場進行研究，分別為距離地面1.1 m處（人體靜坐時頭部高度）及1.8 m處（人體站立時的活動高度）。實驗前，先利用手持式溫濕度測試儀測量房間內(nèi)的溫濕度，根據(jù)梯度變化確定測點布置。一般情況下，靠近墻壁、窗戶處的溫度梯度比較大，但由于此范圍內(nèi)人員活動較少，因此不在此處布置測點。測點布置示意圖如圖4所示。
1.4測試參數(shù)
測試參數(shù)包括室外空氣溫度、相對濕度；房間各個墻面、地面及屋頂?shù)膬?nèi)壁面溫度；兩個房間內(nèi)各個測點的溫濕度。
1.5測試時間和工況
測試時間為2015年8月1日至8月30日，室外空氣平均溫度為32℃，是上海一年中最熱時段。
設(shè)置自然工況和空調(diào)工況2種工況進行實測，空調(diào)工況下室內(nèi)溫度設(shè)定為26℃。測試期間實驗房間無人居住，門窗為關(guān)閉狀態(tài)，無燈光等散熱設(shè)備運行。
2 測試結(jié)果及分析
2.1自然工況
選取8月17日和18日的數(shù)據(jù)進行分析。晴天，晝間( 7:00-19:00)室外平均溫度為29℃，最高溫度為33℃;夜間(19:00-7:00)室外平均氣溫為25℃，最高為27 ℃。
綠墻房間和普通房間室內(nèi)溫濕度如圖5所示�？梢钥闯�，晝間普通房間室內(nèi)空氣平均溫度為32.5℃，最高溫度為34.2 ℃，綠墻房間室內(nèi)空氣平均溫度為31.6℃，最高溫度為32.6℃，分別比普通房間低0.9℃和1.6 ℃。另一方面，綠墻房間溫度達到最大值的時刻比普通房間延遲約30 min。表明植物墻對室內(nèi)溫度起到衰減和延遲作用。夜間，綠墻房間空氣平均溫度為30.5 ℃，最高溫度為31.5℃，普通房間室內(nèi)空氣平均溫度為30.2℃，最高溫度為31.4℃，分別比普通房間高0.3℃、0.1℃。這是由于植物墻晝間蓄存的熱量在夜間釋放出來，導(dǎo)致夜間溫度較普通房間略高。根據(jù)兩個房間的逐時溫差計算得出，晝間最大溫差為1.9℃，平均溫差為1.0℃；夜間最小溫差為-0.4℃，平均溫差為-0.3℃。由此可見，植物墻在夏季具有抑制室內(nèi)溫度上升的作用。
圖6是自然工況下綠墻房間和普通房間的室內(nèi)相對濕度變化圖�？梢钥闯�，綠墻房間相對濕度比普通房間高12.8%，并且波動較小，表明室內(nèi)型植物墻具有較明顯的增濕作用。
2.2空調(diào)工況
選取8月15日數(shù)據(jù)進行分析，晝間( 7:00-19:00)室外平均溫度為29℃，最高溫度為32℃；夜間(19:00-7:00)室外平均氣溫為25℃，最高為27℃。綠墻房間和普通房間室內(nèi)溫濕度如圖7和圖8所示。
由圖7可以看出，在空調(diào)工況下，普通房間波幅最大為1.9℃，最小為1.0℃；綠墻房間波幅最大為1.1℃，最小為0.3℃，綠墻房間的溫度波動分別比普通房間低0.8℃、0.7℃。由圖8可以看出，綠墻房間平均相對濕度較普通房間高7.4%。由此可見，植物墻在空調(diào)工況下有助于恒定室內(nèi)溫度和增加空氣濕度。
3 植物墻對室內(nèi)環(huán)境熱舒適性的影響
本文用PMV(預(yù)測平均投票數(shù))和PPD（預(yù)測不滿意百分?jǐn)?shù)）分析評價植物墻對室內(nèi)熱舒適的影響。
夏季自然工況下，室內(nèi)辦公人員靜坐，身穿短袖T恤和長褲，服裝熱阻為0.6 clo；室內(nèi)風(fēng)速0.2 m/s;辦公環(huán)境室內(nèi)自然光照度為400 Lux。根據(jù)實測的室內(nèi)溫度和相對濕度數(shù)據(jù)，計算得到綠墻房間和普通房間PMV-PPD，如表1所示。
夏季自然工況下，綠墻房間預(yù)測不滿意百分?jǐn)?shù)低于普通房間。綠墻房間熱感覺介于暖和稍暖之間，普通房間熱感覺則介于熱和暖之間，由此可見，室內(nèi)綠墻對改善室內(nèi)舒適度起到一定作用。
4 室內(nèi)植物墻夏季節(jié)能量估算
假定空調(diào)工況下綠墻房間和普通房間空調(diào)的開啟時間為8 h(9:00-17:00)。根據(jù)試驗測試結(jié)果，綠墻房間較普通房間室內(nèi)平均溫度降低l℃。按照室內(nèi)溫度每提高1℃，空調(diào)的制冷量平均增加57.6 W，空調(diào)能效比(EER)提高0.0515計算，綠墻房間每天空調(diào)節(jié)電量為0.46 kWh，約占空調(diào)用電量的6.6%。
5 結(jié)語
設(shè)置在房間內(nèi)的植物墻不僅使人身心愉悅，而且能夠有效地改善室內(nèi)熱濕環(huán)境，還具有一定的節(jié)能潛力。本文得到如下主要結(jié)論：
1)自然工況下，綠墻房間和普通房間室內(nèi)平均溫度和最高溫度相比，晝間分別低0.9℃、1.6℃；夜間分別高0.3℃、0.1℃。室內(nèi)平均相對濕度較普通房間高12.8%。
2)空調(diào)工況下，綠墻房間較普通房間室內(nèi)溫度波動小，最大波幅和最小波幅分別較普通房間低0.8℃、0.7℃。室內(nèi)平均相對濕度較普通房間高7.4%。
3)室內(nèi)植物墻可以提高室內(nèi)舒適度，對于空調(diào)節(jié)電也很有潛力。
