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上海地区植物墙的热工性能和节能性能研究

Yang He^a, Hang Yu ^a,* , Akihito Ozaki^b, Nannan Dong^c, Shiling Zheng^d

a中国上海同济大学机械工程学院HVAC＆GAS研究所;b日本九州大学人类环境系研究生院

c中国上海同济大学建筑与城市规划学院景观研究系;d中国上海同济大学建筑与城市规划学院建筑系

摘要：为了分析上海地区植物墙的热工性能和节能性能，本文建立了一个耦合的热湿传递模型，并通过现场实验进行了验证。测量结果表明，在夏季和冬季，植物墙的散热性能优于普通墙,并且本文通过一个能量平衡分析阐明了植物墙与普通墙之间的传热机理差异。本文基于该模型，分析了夏季和冬季对植物墙热性能的影响。此外，通过计算额外的等效热阻，并根据墙的长期模拟结果评估了植物墙的平均热性能。结果发现夏季植物墙等效热阻值明显高于冬季。 最后，本文进行了灵敏度测试，以区分影响植物墙长期热性能的重要因素，包括植物参数，基质参数，结构层参数，室内条件，天气参数和灌溉频率。本文的模型有助于优化植物墙的设计，以获得更好的热效益，并判断植物墙是否满足当地的节能规律。

copy; Elsevler B.V于2016年发布

关键词：植物墙;耦合湿热模型；热性能；能量平衡；等效热阻

命名

C_p—比热[J/K/kg] u—速度[m/s]

d,d_ca—叶和腔的厚度[m] W—平均叶宽[m]

d_p—冠层位移高度[m] Z_r—参考高度[m]

D—扩散系数 [m²/s] Z₀,Z₀^s—冠层和基质的粗糙度[m]

E—潜热通量[W/m²] 希腊的符号

e—水蒸汽压力[Pa] alpha;—太阳辐射吸收率

F—视角因数 gamma;—心理测量常数[Pa/K]

H—显热通量[W/m²] Ɛ—长波发射率

h_ca—空气腔等温线传热系数[W/m²/K] Ө—含水率[m³/m³]

H_i,h_o—室内外对流系数[W/m²/K] kappa;—卡尔曼常数（0.41）

h—株高[m] lambda;—导热率[W/m/K]

I_sky—天空长波辐射[W/m²] rho;—密度[kg/m³]

K_h—湍流扩散率[m²/s] rho;_f—太阳辐射反射率

K—导水率[m/s] sigma;—斯蒂芬 - 玻尔兹曼常数5.67*10^-8[W/m²/K⁴]

k—消光系数 tau;—辐射透射率

L—汽化潜热[J/kg] 下标

n—衰减系数 a—空气

P_atm—标准大气压[Pa] c—冠层空间

q_l,q_v—液体和气体水通量[kg/m²/s] ca—空腔层

q_h—通过基质的热流[W/m²] f—叶层

R—辐射[W/m²] g—基质层

r_st—气孔阻力[s/m] i,j—计算节点

r_a,r_as—冠层上方和下方的气动阻力[s/m] LR—长波辐射

r_gs—基质表面的电阻[s/m] p—支撑层

r_b—冠层边界阻力[s/m] r—参考高度

S—根系吸水率[kg/s] SR—太阳辐射

T—温度[°C] sc,sl—普通墙体和植物墙的结构层

w—水

1. 介绍

在过去的几十年中，快速的城市化和工业化带来了许多环境问题，如热岛效应和空气质量下降。特别是对老年人,这些问题可能增加不适，并导致更高的健康风险。导致这一问题主要原因之一是城市绿地面积的减少，绿地已经被热容量较大，蒸散较少的硬地面所取代，因此政府发布各种政策促进城市绿化。然而，在人口密集的城市地区，地面绿化的空间有限，大部分屋顶区域经常被各种建筑服务所占据，如太阳能电池板和冷却塔。在这种情况下，植物墙被认为是绿化城市的有希望的方式。此外，绿色墙体在建筑规模上也具有优势，如降低建筑空间制冷和供暖的能源需求，改善声学舒适度和建筑外墙的使用寿命。

如今，在世界各地的建筑物上建造了多种植物墙。据许多研究者[1 - 4]的综合分类，以植物的种类和种植地点为基础，植物墙主要分为绿色外墙和活体墙。绿色外墙通常是指攀援植物，放置在地上或建筑物不同高度的盆中，并直接连接到立面或与立面相连的支撑结构。而活体墙往往是通过支持各种植物在一个特定的覆盖结构锚固在有着人工灌溉和施肥系统的建筑物墙壁或框架附近。由于全年景观效果极佳，选址布局灵活，近年来虽然成本高，维护成本高，但是在上海公共建筑物上仍迅速蔓延。

在植物墙的研究中，人们越来越重视热工性能和节能性能。在某些地区已经对各种类型的植物墙进行了实验和建模 [1,2，5-10]，与裸墙相比，人们发现了不同的效果。根据S. Charoenkit [11]的研究审查，植物墙与裸墙之间的外表面温度的最大差异在3℃到30℃之间，而具有植物墙和没有植物墙的房间的内部空间的平均温度差异从0.4°C至6°C。至于能源性能，建造植物墙后，可以降低1-50.6％的制冷负荷和6-33.5％的制热负荷。植物墙体热性能存在如此巨大差异的原因可以分为以下三类：气候与室内条件，居住墙的构型与湿热性质，相应裸墙的热特性。由于涉及到许多影响因素和复杂的湿热传递机理，难以将一个地方的植物墙热工性能的结果推断到另一个条件。尽管已经进行了一些实验，模拟绿色墙壁的模拟工具仍然很少，特别是对于植物墙。Wong等人 [12]在新加坡采用模拟软件TAS来确定垂直绿化系统对热舒适度和能耗的影响。但模型只考虑与叶面积指数相关的遮荫效应，不考虑植物冠层与建筑物墙壁之间的蒸散和辐射换热。Carlos [13]采用EnergyPlus软件模拟了在葡萄牙北部温和的冬季，植物墙体系对建筑热性能的影响，模拟中使用的垂直绿化模型与D.J.Sailor[14]开发的绿色屋顶模型相同。Alexandri和Jones [15]模拟了在不同气候条件下绿色围护结构对城市环境的热效应，考虑了空气在围护结构表面附近的传热和传质以及蒸汽扩散对传热的影响。Djedig et al.[16]为拉罗谢尔的植物墙建立了热湿传递模型，并将其整合到瞬态建筑模拟程序（TRN SYS）中，以研究其动态性能。该模型通过绿色模块考虑了传热传质现象，并通过称为ClimaBat的室外缩尺建筑模型实验数据验证了模型的正确性。Scarpa et al.[8]为意大利的两种植物墙开发了一种数学模型，一个用草和闭合空气腔，而另一个具有垂直花园和一个开放腔。该模型利用有限体积法和热电气类比法，这无论是在夏季和冬季都表现出与现场测量有很好的一致性。Malys et al.[7]开发了一个湿热模型的植物墙，是在小气候模拟软件SOLENE Microclimate实施，并通过在法国温带气候中期的实验数据验证。模型简化了植物墙的三个热平衡节点：植物物质的一个节点，冠层内的一个空气节点和基底外表面的最后一个节点。尽管再现温度演变高效，但模型在水量平衡和蒸散计算方面仍存在一些不确定性。

正如上面提到的那样，绿墙的热性能受多种因素影响，仅仅通过温度或热通量的降低来评估其热性能是不够的。研究人员通常采用有效热阻来反映屋顶的热效益和特性，并提出了各种参考值或经验公式[13-16]。Eumorfopoulou和Kontoleon [21]的绿色立面研究表明，根据墙参数，气候带和植物特征，添加到立面上的植物层可以提高其0.0-0.7KW/m²的有效热阻。与绿色立面相比，植物墙还包括基层，其蒸发效果和保温效果不容忽视。然而，对植物墙热阻的研究还很有限。此外，许多研究集中在短期实验或建模，而不考虑长期的热性能，但后者通常是建筑师和工程师关心的。本文的目的是结合现场实验和长期建模，研究一个炎热的夏季和寒冷的冬季的上海地区普通类型的植物墙的热力和能源性能。本文所建立的模型不仅考虑了植物层和基质层的传热传质，而且还考虑了辐射传输过程中在其过程中的多次反射。计算不同条件下的植物墙的有效热阻，确定影响因素的敏感性。预计本文的研究结果可为上海地区居住建筑墙体评估与应用提供有益的帮助。

1. 模型开发

2.1型号说明

本文研制的植物墙模型模拟了温度和湿度的一维分布，只考虑热量和湿度沿深度方向的传递。如图1所示，植物墙简化为以下五个部分：建筑墙体，气腔，支撑面板，基底层和植物层。为了模拟耦合的湿传递过程，在先前对绿色围护结构的研究[17-20]的基础上，提出了以下假设：

1. 基质表面和植物冠层是大到足以被假定垂直均匀，并通过植物墙热流仅在水平方向发生。
2. 在模拟期内，植物的叶面积指数、最小气孔导度等参数不发生变化。
3. 对于低层测试建筑，室外风速沿着植物墙的高度方向被认为是恒定的。忽略了重力效应和降水，在日常灌溉条件下，沿着植物墙高度的水含量分布被认为是不变的。
4. 忽视植物的生化反应和热传导;气孔下方的空气充满了水蒸气。
5. 基质含水量的变化等于蒸散量的失水量，而植物叶片的含水量不随时间变化。水分转移只发生在基质层，并且其他层被认为是防水的。
6. 植物冠层被认为是一种半透明的介质，其中辐射服从比尔定律。

考虑了植物遮荫和蒸腾作用、基质蒸发和绝缘效应等对植物墙的影响。下一节将详细介绍相应的方程。

图1 活动墙和普通墙的传热过程示意图。

2.2植物墙模型

2.2.1长波辐射分布

在长波范围内，叶片组织的透射率和反射率可以忽略不计。冠层只会发射一次甚至没有被树叶拦截的辐射。本文将植物生长的墙体系统划分为n个节点，根据Beer定律计算冠层的长波透过率[21]：

tau;_LR,c = exp (-k_{LR ●}LAI) (1)

其中，k_LR是长波辐射的消光系数，LAI是植物层叶面积指数。

每个节点接收的长波辐射可以推导如下：

R_LR,fi=F_ijε_iε_jsigma;(T_f,j⁴-T_f,i⁴) F_igε_iε_gsigma;(T_g⁴-T_f,i⁴) F_iskyε_i(I_sky-sigma;T_f,i⁴) (2)

其中，RLR,fi是植物层各部分的长波辐射，Fij辐射视因子，ε是长波辐射吸收系数，Tg和Tf分别是地表温度和各层的叶片温度，sigma;是Stefan-Boltzmann常数。

(1-tau;_LR,c,i)bull;tau;_LR,c,i-1bull;tau;_LR,c

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