夏熱冬冷地區居住建筑綠化遮陽研究

金 熙 ,沈守云 , 秦 彥 ,高 波

夏熱冬冷地區居住建筑綠化遮陽研究

金 熙1,2,沈守云1, 秦 彥1,高 波1

（1.中南林業科技大學 風景園林學院，湖南 長沙，410004；2.湖南大學 建筑學院，湖南 長沙 410004)

隨著對居住建筑節能的日益重視，人們對于綠化遮陽的重視愈發突出。特別是在夏熱冬冷地區，采用植被與綠化遮陽來減少室內太陽輻射熱，降低空調能耗，從而達到較好的節能效果，已達成共識。通過介紹目前夏熱冬冷地區常見的綠化遮陽技術與形式，系統的歸納了不同綠化遮陽形式的節能效果，旨在進一步完善綠化遮陽體系。

夏熱冬冷；綠化遮陽；居住建筑；節能

夏季悶熱，冬季陰冷潮濕，靜風率高是夏熱冬冷地區的典型氣候特征[1]?！吨袊ㄖ澞苣甓劝l展研究報告2007》指出，“中國南方夏季影響空調能耗的是太陽輻射，節能的關鍵途徑為外遮陽和外表面通風?！币虼?，南方地區特別是夏熱冬冷地區，夏季節能的關鍵就是被動式技術的應用。

近年來，隨著建立適合夏熱冬冷地區低能耗居住建筑模式研究的開展和深入，綠化遮陽已經成為重要的研究方向。合理配置綠化，在美化環境的同時，用于建筑遮陽，可減少夏季圍護結構的直接得熱，防止室內過熱；充分利用綠化的蒸騰作用和遮擋特性，對于改善建筑室內熱環境、降低空調能耗，有著重要的意義。

1 綠化遮陽的原理

遮陽的實質是將建筑外圍護結構的太陽輻射轉移、吸收、消耗或遮擋，減少建筑整體得熱，降低熱傳遞速度，從而達到理想的隔熱效果。而綠化遮陽則是通過植物覆蓋圍護結構表面，形成氣候緩沖層，利用植物的遮陽與隔熱特性，并且通過自身的光合作用，蒸騰作用，將太陽輻射或消耗，或轉移；而且植物的蒸騰作用除了可以轉化太陽輻射熱，還可以吸收周圍環境能量，從而降低環境溫度，改善微氣候，形成能量的良性循環利用。

在夏熱冬冷地區，綠化遮陽的隔熱節能作用主要體現在：1）通過植物葉片的蒸騰作用，將熱能轉化，從而減少了建筑圍護結構的太陽輻射量，降低了圍護結構外表面溫度；2）因為植物的遮擋特性，使得到達地面及樹冠下的日照強度大大減弱，降低了環境溫度，綠化區即使白天在強烈的太陽輻射下增溫也不多。研究表明，綠化遮陽可以帶來明顯的降溫效應，植物覆蓋的地面、墻面、屋面能形成次級氣候梯度，可以減少室外空氣與圍護結構間的熱交換，維系環境的熱濕平衡，降低空調負荷，營造舒適的熱環境，最終達到理想的建筑節能效果[2]。

與其它遮陽設施相比，綠化遮陽的范圍更廣、更大，且能更好的調節居住建筑夏季遮陽需求與冬季自然采暖需求之間的矛盾；同時，通過綠化配置，可改變氣流方向，引風入室，從而提高熱舒適度[3]。

圖1 冬夏兩季綠化對建筑微氣候的調節Fig.1 Microclimate adjustment by plants in summer and winter

2 綠化遮陽的方式

綠化遮陽主要是通過兩個方面來改善夏季熱舒適：1）降低居住區環境溫度；2） 遮擋太陽直射，減弱太陽輻射強度。歸納起來，目前常用于夏熱冬冷地區居住區的綠化遮陽共有3種：①環境綠化遮陽；②垂直綠化遮陽；③屋頂綠化遮陽。

2.1 環境綠化遮陽

環境綠化遮陽是指通過計算，模擬與測試，對居住建筑所處環境及周邊場地進行植被規劃，包括草坪、花壇、樹木等。環境綠化基本上以大面積的草坪間以灌木為主，道路兩側及廣場周邊以喬木為主，形成室外場地的環境綠化遮陽體系，利用植物的遮擋特性與蒸騰作用，減少太陽光對于地面的直接熱輻射量和圍護結構的得熱，同時吸收場地環境能量，從而降低環境溫度。綠色植物通過光合與蒸騰作用，一方面通過光合與蒸騰作用吸收大量的太陽輻射能，直接減少地面對太陽輻射的吸收，減弱太陽日照強度，從而降低下墊層的表面溫度，改變了建筑的環境溫度。研究表明，如果夏季城市氣溫為27.5 ℃時，草坪表面溫度為22～24.5 ℃，比裸露地面溫度低6～7 ℃，比柏油路表面溫度低8～20.5 ℃。綜合國內外研究情況，環境綠化遮陽能使局地氣溫降低3～5 ℃，最大可降低12 ℃（圖2）[4]。

圖2 不同介質遮陽環境下的溫度變化Fig.2 Temperature changes under different greening shading conditions

另外，在夏季，枝葉茂盛的植物如喬木能有效遮擋太陽輻射；通過對門窗、陽臺等建筑開口部位的遮擋，能減少直接進入室內的太陽輻射熱，顯著減少室內溫度；而對于墻體而言，通過植物的遮擋，能降低墻體的外表面溫度，從而減少滲透到室內的熱量。

綜上所述，根據當地氣候和地理因素，通過對不同綠地類型和不同綠化樹種的搭配進行優化分析與布局，減少地面、環境作為第二熱源的長波輻射傳熱量，可以極大地改善室內熱舒適，降低建筑的空調能耗。研究表明，綜合理規劃建筑場地的綠化遮陽，可降低環境空氣溫度，能減少經導熱，空氣滲透傳熱的15%～30%，是一種有效、主動的隔熱節能方式。

2.2 垂直綠化遮陽

垂直綠化遮陽是指借助植物在建筑物、構筑物的立面生長蔓延的覆蓋方式而進行的遮陽處理[5]。與環境綠化遮陽相比，垂直綠化遮陽對建筑節能的作用更為直接。在夏季，夏熱冬冷地區的住宅大都存在著“西曬”過熱的現象，因此垂直綠化遮陽主要應用于住宅西墻和南墻[6]。

圖3 垂直綠化遮陽示意Fig.3 Illustration of vertical greening shading form

垂直綠化山墻又稱之為“可呼吸的墻體”，這是因為，植物對住宅西山墻進行垂直覆蓋后，植物與墻體之間形成了空氣間層，這使得，一方面植物借助葉片的蒸騰，光合作用，通過其生理特性，吸收并轉化太陽輻射熱，從而減少建筑圍護結構、地面、周圍環境其它物體對于太陽輻射的吸收量；另一方面，由于空氣間層的存在，延緩了穿過植物的太陽直射向墻體進行輻射傳熱的過程。垂直綠化通過兩方面的綜合作用，降低住宅外表面溫度和場地微氣候溫度，能最大程度上消除“西曬”對于室內熱環境的不利影響，改善室內熱環境。根據重慶大學李娟副教授的研究[7]：西山墻的垂直綠化，對于建筑外墻單位面積墻體通過或放出的熱流較普通圍護結構少約397 w/m2；室內較室外環境溫度低約3～9 ℃；垂直綠化可使室外溫度降低約4 ℃，減少空調負荷約12.7%；垂直綠化對于正午峰值降溫作用更為明顯，可以達到6 ℃,減少空調負荷20 %。

另一方面，用于垂直綠化遮陽的植物，譬如爬山虎、長春藤等，具有極強的生命力、易繁殖蔓延、環境適應能力強；且造價低廉，圍護簡便，因此，垂直綠化遮陽是夏熱冬冷地區主要的綠化遮陽形式。

2.3 屋頂綠化遮陽

屋頂是建筑主要接受太陽輻射的外圍護結構構件之一，其受到的太陽直接輻射最強且作用時間最長，其室外綜合溫度也是最高的[8]。據研究，夏季從屋面進入室內的得熱量往往占總圍護結構總得熱量的70 %以上。因此，在夏熱冬冷地區，采用屋頂綠化遮陽，強化和改善屋頂的隔熱能力[9]，對于改善頂層房間的室內熱環境具有較大的意義。

圖4 屋頂綠化遮陽示意Fig.4 Illustration of roof greening shading form

綠化屋頂一方面利用植物的光合作用將熱能轉化為生物能，利用植物葉面的蒸騰作用增加蒸發散熱量，降低屋頂室外溫度；另一方面，利用植物培植材料的熱阻和熱惰性降低屋面內表面溫度，同時通過植物遮擋太陽直射[10]。數據顯示，夏季屋頂植物可反射27%的陽光，吸收60%的陽光，僅有13%的陽光通過栽培基質傳遞，因此綠化后的屋頂表面溫度明顯低于普通屋頂表面溫度，溫差值在某些較熱城市最大可到30 ℃以上。綠化屋頂對空氣平均增溫量的總量為普通屋頂的1/4左右，在極熱天氣下對緩沖和削減極端溫度起著突出的作用，極大的改良了建筑熱工效應[11]。

由于屋頂與地面的差別，日照、溫度、濕度等因素都會隨層高的增加而變化，選擇合適的屋頂綠化遮陽形式可以便達到預期的效果[12]。

相對于地面與外圍護結構，屋頂接受的太陽輻射范圍廣、強度大、時間長，能促使植物光合作用增強，客觀上加強了綠化遮陽效應，同時植物和草皮還有利于整個屋頂的蒸發冷卻。

鋼筋混凝土屋面材料經太陽輻射，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 ℃，屋面溫差較大，有利于植物進行光合作用和有機物質的積累。

屋頂由于晝夜溫差大，風速快，能加速整個屋頂的蒸發冷卻，帶來明顯的降溫效應。據統計，屋頂相對濕度比地面低10%～20%，尤其在夏季，植物生長旺盛，蒸騰作用強，屋頂植物對水分的需求比地面植物高。

可以預見，垂直綠化遮陽與屋頂綠化遮陽綜合使用時，將會大大增強居住建筑的降溫隔熱效應。

表1 3種綠化遮陽方式一覽Table 1 Summary of three greening shading forms

3 結 論

如何使遮陽在居住建筑節能中發揮最大效應，是一個重要的建筑可持續發展的課題。本文結合夏熱冬冷地區夏季氣候特點，系統的總結了3種常見的綠化遮陽形式：環境綠化遮陽、垂直綠化遮陽和屋頂綠化遮陽，如表1所示。需要指出的是，要求所選植物為冬季落葉植物，從而不會在冬季影響居住建筑的被動式采暖。通過歸納與分析，本文一方面對遮陽體系進行了有益的補充，同時希望能通過科學合理的綠化遮陽設計，有效地改善居住建筑微氣候環境和熱舒適性。

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Research on greening shading of residential buildings in hot summer and cold winter zone

JIN Xi1,2, SHEN Shou-yun1, QIN Yan1, GAO Bo1
(1.School of Landscape Architecture, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2.School of Architecture, Hunan University, Changsha 410004, Hunan, China)

With ever-increased concerns on energy efficiency of residential buildings, greening shading has been highly valued in shading field in hot summer and cold winter zone.It is commonly agreed that using plants or vegetation may reduce indoor direct solar radiation and energy consumption of HVAC system, so as to achieve better energy efficiency effects.By introducing common greening shading patterns used in hot summer and cold winter zone, the technology and forms with different energy efficiency effects for those patterns were systematically introduced., which could be useful knowledge for improving the whole greening shading system.

hot summer and cold winter; greening shading; residential building; energy efficiency

S783;TU201.5

A

1673-923X(2012)03-0085-04

2011-12-29

湖南省林業科技計劃項目（103-5140）；湖南省教育廳科學研究項目（11C1308）；中南林業科技大學高層次人才項目(101-0606)

金 熙(1979—)，男，湖南益陽人，講師，博士研究生，主要從事建筑設計與綠色建筑的教學與科研工作

[本文編校：吳 毅]