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生态墙体系统的降水收集和蒸发比例：平板系统和箱体系统的比较研究
P.M.F. van de Wouw,E.J.M.Ros，H.J.H.Brouwers建筑环境系，建筑物理与服务部，埃因霍温科技大学，P.O.专栏513,56MB荷兰艾恩德霍芬
摘要
被绿色植物覆盖的立面可以为雨水的排水提供更自然的方式。此外，它还提供了遮蔽、绝缘和蒸发蒸腾（ET）的水，使其能够减少建筑物的热负荷。在两个月的时间里，对两个商业上可用的生活墙系统进行了为期两个月的降水和ET的测试。并且监测系统的进水量、出水量，从而得到生态墙体的整体水量变化；进而结合天气数据对降水量以及蒸发散热量（ET）进行分析。在不考虑风速对排水量的影响下，垂直平面的排水量可用系统单位面积上的平面排水量的18.8％和箱体的33.0％所组成的当量平均百分比来表示。结果显示测试的两个系统在风速，湿度，气温和太阳辐射的影响方面有一定的相似性。通过FA0-56的彭曼（Penman-Monteith）方程进行数据处理可知：单位面积的水平绿色面板系统和单位面积的垂直面板系统的蒸发散热量（ET）结果为1.46，种植箱系统为0.76；并结合各种影响因素对ET值的影响结果，来综合改进系统初步设计的灌溉程序。预计绿色面板和种植箱系统的总蒸发散热（ET）功率可达到18（plusmn;3）kW /msup2; /年和11（plusmn;3）kW /msup2;/年。分析所得出的系统总水量的平衡关系可知，系统进行全年的灌溉管理是很有必要的。
关键词：生活墙系统 水平衡 蒸散 降水集合 蒸发模型
1 简介
在城市环境中，植被的存在对环境中二氧化碳，氮氧化物和颗粒物质的空气净化、隔热、降低噪音、保护建筑材料不受环境影响、减少“城市热岛“效应，改善气候，改善生物多样性方面以及人们（减少压力水平，增加幸福感和生产力）有很多好处[1-11]。
目前，城市绿地的自然排水已经被人工排水所替代，并且城市的绿色墙面也已逐渐被防潮表面所取代。但，绿色植被和屋顶[12-16]所组合成的绿色屋顶，代表了城市与绿化的重新融合，它有着半自然的雨水排放形式[12 -15,17,18]。在风的影响下，它但与传统屋顶一样，雨水无法渗透过表面。这些无法渗透的雨水从立面中国流下，被排放到地面或下水道中。目前，有关绿色屋顶的研究表明，在植物的土壤中存储的雨水有60％-100％[13-15,18]与绿色屋顶类似，绿色外墙具有收集，保留和逐渐排放雨水的潜力。然而，与绿色屋顶相比，绿色表面的雨水收集量还不得而知。此外，没有研究并能够确切表明坡度对雨水存储起着重要的影响，也有研究称其影响是负面的[13,14,19,20]也有一些研究表明或许对雨水存储没有影响[3,18,21]。
绿色外墙除了起着降水管理外还有着提供遮阴，隔热和蒸发的作用（ET），它可使水分从土壤和植物中通过植物孔隙蒸发，从而有助于营造更舒适的室内环境。太阳辐射被植物的叶子和支撑结构吸收并反射，不会到达底层结构和开口[11,22-30]。此外，系统表面覆盖着的一层致密的叶子，其形成的空气腔产生了额外的绝缘作用。文献中给出了在双层玻璃的绝缘值范围内变化的绝缘值[15,26，3l-38]。最后，绿色壁面中水蒸发大约消耗了2.45 MJ / kg（在20℃时）的潜热[39]。因此，对周围区域有着绝热冷却的效果。许多研究表明冷却绿色立面系统对绝热或蒸发及其周围环境和室内气候的起着重要的作用 [15-17,24,27,28，34，37，38，40-49]。然而，对种植外部垂直的（也称为绿墙、垂直花园以及垂直绿化系统）[40,48- 52]的一系列绿化生态墙系统（LWS）的蒸发冷却量的研究，目前尚未有文献报道。
与水平和垂直的绿色立面系统相比，LWS不仅仅局限于其立面的底部支撑作用和对爬升植被的使用，其系统具有更大的美学和创造潜力，它可以快速大面积覆盖表面并蔓延到更高的区域[52,53]。由于设计复杂性、材料和后期维护的原因，LWS的安装成本、使用周期成本以及环境影响都大大增加。从成本效益的角度来看，其最大的优点是与保护环境和空调方面的节能有关。而对于后者，LWS的应用优于直接或间接的绿色立面系统，因为它的基本材料对阻碍传导热交换起着关键作用[30,49,57,58]；虽然它的规模主要与社会，生态和环境效益相关，其对货币价值的影响也有限，但是，它减少了对环境的影响[55]。对于经济和环境可持续发展的垂直绿化系统而言，它的生产和服务所直接和间接消耗的成本和能值（根据Odum能源系统理论[59]安装和维护服务，水和植物肥料等消耗）的量也很重要[60,61]。因此，我们需要更有效和更全面的水资源管理知识[62]。
我们通常根据联合国粮食和农业组织标准化的FAO-56 Penman-Monteith方程（以下称PM方程）来进行植物蒸发的理论研究，[39]。该方程使用假设的一般作物来代表单个植物物种独特蒸发参数。不同的ET比率与参考表面ET的比率（ETo）有关，我们可以知道具体的作物确定其影响系数 [39]。之前，植物在双层外墙和垂直花园蒸发系统的应用研究中，这个方程被成功的应用过。因此，将实验测得的ET应用到PM方程中，可以对绿色界面系统的ET功率进行全年预测，和对建筑物潜在的节能量进行预测。
本研究的主要目标在当前天气条件的影响下，明确不同的生活墙体系的内部水量平衡的变化，以便对进水量和输水量进行更好的控制，进而优化灌溉管理以及在应用之前预测估计这种生态墙体系统的潜在蒸发冷量。
2 材料和方法
2.1 测试地点和条件
在荷兰埃因霍温科技大学进行为期2个月的研究（从11月底至次年1月底）。在Eindhoven的初冬季有满足各种降水量的大小以及所需合适的风速等测试条件。 [39]。
图1.测试门面的位置和方向：a、测试装置和雨量计（用X标记）的位置的卫星图像b、荷兰艾恩德霍芬科技大学“Vertigo”大楼西侧立面的测试设置l821，c、安装面板系统（右侧）和花盆箱系统（左侧）的测试设置。
一般用常绿植物的测量值来表示ET。这些常绿植物全年不会枯萎，覆盖范围全年不变，因此，在测试时它们的ET不受季节的影响。
到两个LWS期间，分别在面板和花盆箱系统的47个和61个成功测量日期之前进行冻结，并且中止测试。根据气象条件选择实验的位置如图1a，b和c所示：在（纬度：51.45，经度：5.48），（TU/e）处Vertigo大楼西侧立面的设置位置以及阳台上的测试设置。荷兰艾恩德霍芬的主导风向是西南方向（图2a）。考虑到主要位置的建筑物，测试门面将朝南或朝西，以便于进行WDR的收集。考虑到建筑物的热负荷特性，朝西的立面接收直接接近正交的辐射太阳辐射，并有较高的环境温度（白天时）。降低热负荷的需求可以被认为高于入口角较高的南立面：55。反过来，在南立面上选择朝西的立面进行实验。
在一年中，不仅仅是气候的影响，时间以及方向都会影响LWS，而且建筑物的形状以及该地点上的确切位置对于该面板的状况有着相当大的影响。受到风速和风向的影响，雨量也达到了正常范围。根据Blocken和Carmeliet的说法，最大WDR的变化发生在立面的顶角。如果阻风效应大于56.1，建筑物下部的WDR将减少。为了最大限度地减少这些因素对测量的影响，我决定将LWS定位在埃因霍温科技大学校园中的一座中等高宽建筑板材的西立面前。立面上的位置选择在建筑物角落30米处以防止角落效应。因此，系统高度设置在4米以下，避免了你屋顶边缘附近的强风（湍流）的影响。在测试系统前，选择一个大型的开放区域延伸到1800米左右，其中西部3棵单树（plusmn;20米高）位于西部65米处，南部60米处有一排树木（plusmn;15米高）。这个位置风的影响相对稳定，相当于自由场条件，在0.4-0.8范围内的降雨比理论上可以达到要求[66]。
根据最常用的气候分类系统Koppen-Geiger地图，测试地点位于暖温带，全年湿润，温暖的夏季（Cfb）气候[67]。图2b根据月平均值（在1981-2010期间）概述了测试地点的预期气象条件[68]。
2.2 生活墙系统
(图3.LWS系统类型基于：a种植箱，装满生长培养基，水平位置b。封闭的或掺入的生长培养基，垂直放置c。植物箱或面板系统，结合攀爬或悬挂植物的设施d。)
生态墙（LWS）有多种类型，文献中也有许多不同的分类方法。分析作者采用的类型。如图3所示在这项研究中，研究了两种市场上可以买到的种植箱和面板类型（图3a和b）的活墙系统（LWS）。选择不可生物降解土作为生长介质，组合系统和一般系统相比会较多的暴露表面积和体积（图3c和d），因此它们具有较高的降水收集潜力和缓冲作用；它们两个都是间接预制模块系统，通常安装在立面H40上，第一个系统是We型的花盆箱（图3a），它在安装后有效测量0.60 x 0.55米范围，形成一个0.33㎡的有效的垂直表面 [57-69]。在这个LWS中，植被在水平盆栽土壤培养基中体积为35msup3;，该系统与传统播种机的系统相似。第二套系统是一套配有矿棉的模块化预制水耕板系统（图3b），以下简称面板系统，尺寸为0.60 x 1.00 m，其基质体积为0.421msup3;，有效覆盖了0.67平方米；与种植箱系统相反，其通过将预先生成的插塞植物插入矿棉基质而被绿化覆盖的垂直表面。
两种系统都具有明显不同的生长条件，有着不同的植物适应性。为了确保每个系统的性能的结果有代表性，系统种植了较多以冬青属植物为主的物种，目前这些物种在实际应用中较多。应用单一类型不同物种时的蒸散量在一定程度上可使差异趋于平衡，但并不能完全排除。在测试之前，两个LWS都已预先种植，并且确保植物生长良好、健康。
由于植物没有扎根于地面，因此水和营养物质的吸收有限，因此，它们较依赖于灌溉系统。相对于种植箱系统中使用的灌封土壤，面板系统的矿棉缓冲能力较低，需要灌溉频率高。为了同时满足两种系统的灌溉条件，选择具有指定容量2升/小时、压力自平衡、自闭合和自清洁商业可用的灌溉系统（Gardena微滴）。在使用前，对滴头经过测试、选择和校准，以确保其可测量的水量恒定、无误差。在咨询公司提供面板系统中设置灌溉持续时间和频率每3小时1次，3个滴头每天共提供0.791升。建议对公司提供的花盆箱系统进行必要性灌溉，其质量损失约为1.5公斤。在测量期间前对系统进行初始润湿之后，播种箱系统在试验期间仅灌注一次，量为1430毫升。
2.3 实验设计
随着时间的推移，通过LWS的质量差别来对其内部水变化进行的量度。然而，可以分为三类影响因素：主要因素，如LWS的干重和增加的灌溉；次要因素，一般外部影响，如降水、蒸发比例、风和生物量的变化；以及涉及例如动物，粪便，来自其他植物的生物质，下落的物体，人类活动，火灾等的第三因素。主要因素和次要因素都是需要考虑的，但是只有主要因素可以影响系统。第三因素是要么避免，要么考虑其影响。为了模拟由其他模块包围的安装系统的条件，两个系统都是部分封闭的，避免了第三因素的影响。因此，顶部，背部，底部和侧面在暴露前部和突出部分时不受天气影响。对于花盆箱系统，位于上方的模块的突出部分在箱体内计算。为避免对质量测量产生影响，通过保持5mm的间隙使系统与箱体保持分离所有相邻的边。图4a和b分别显示面板和花盆箱系统测试装置的横截面。
导致水量增加的因素是灌溉和雨水或露水形式的降雨收集，而径流，通流和蒸发比例有助于控制含水量和减少质量。通过监测LWS的灌溉，径流，通量和质量变化，蒸发比率和降雨收集可以按照以下方法来确定：
备注：
，由于降水收集（ ）或蒸发比率（-）[g]；
，LWS质量变化[g]；
，密度水[g/]；
，流失体积[ml]
，流通量[ml]；
，拍摄体积[ml]；
图4.容纳花盆箱的外壳的横截面系统，天平、安装支架、灌溉系统和通流收集和测量系统（尺寸毫米）。
2.4 数据采集
系统使用最大量程为120kg，灵敏度为plusmn;1g（Mettler-Toledo，型号KC120-ID1 MultiRange）的秤直接测量花盆箱系统的质量（包括安装框约33kg）。面板系统质量（包括安装框asymp;25千克）直接用最大量程为60千克、在15-30千克范围内验证的误差为plusmn;10克的秤进行测量，（AllScales Europe，Serie WPI-T-40 -60）。两个量表均以每秒6次的速度不断的进行数字记录。用22s的移动平均数来平衡风速引起的振动，但短期的质量变化仍然明显。
在不考虑降水量或蒸发比例的情况下，为了测出水灌溉的时间和流量，用0.58ml/根的分辨率的翻斗来监测外部滴水量。在用聚合四氟乙烯（PTFE）涂覆的水槽中进行收集排出的水并且直接通过倾翻斗来确定流量（通过流失或流过系统）。
图5.Sa和b显示了影响面板和花盆箱系统的水平衡的因素的简化分别表示。
图lc描述了安装LWS的完整测试设置。在测试期间连续收集气象数据。使用AVaisala WTX510气象仪器测量气压、气温、相对湿度（RH）、风速、风向和当地降水量。气象站位于离立面相同的距离上，分别位于系统上方约0.3米，以及花盆箱和面板系统北面1.7米和3.1米处。此外，还使用了倾翻斗机构和一个水平孔板的流量计（Young Model 52202）来测量水平降雨量。从图.1a中可以看到他们在屋顶上的位置在系统上方4米处标有X。由于而产生的最大误差与翻斗的体积相对应，并且由此产生的每笔尖水平降雨量为0.1毫米的分辨率。关于WDR撞击立面垂直表面的信息是通过位于两个系统之上和之间0.4 米的WDR测量
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