耿阳月于航 赵美
同济大学机械与能源工程学院
摘要：本文针对夏热冬冷地区，对放置室内植物墙的办公室和普通办公室的室内热湿环境进行实地测试和软件模拟。实验测试结果表明，自然工况下，室内植物墙在夏季能够起到降温增湿作用，改善室内舒适度；空调工况下，室内植物墙能够有效降低温度波动和提高相对湿度，本次实验条件下空调节电量为0.46 kWh/天。模拟计算表明植物墙可以降低室内环境温度1.4℃，与实际测试结果的误差为12%。
关键词：室内垂直绿化室内热湿环境测试数值模拟
0 引言
垂直绿化是城市绿化的主要形式之一，它具有占地面积少、可增加绿化面积的优势。目前，和建筑外立面垂直绿化越来越受到重视，同时室内垂直绿化的应用也逐渐增多。
室内垂直绿化有三种形式：墙面式、悬挂式及室内绿墙式。后者是近年来室内垂直设计的新概念。绿墙的概念最早出自于法国植物学家帕特里克·布兰克，他创造出一项用于墙面垂直绿化的新技术，可使平地上的植物生长于垂直的建筑墙面，为建筑设计和建筑装饰提供了一种新型的有机生态材料。这种植物墙可广泛应用于室内墙体、围墙、桥柱等各种墙面，为打造生态花园城市开辟了新的途径。
室内植物可以调节室内小气候，起到降温增湿的作用。李辰琦等运用Energy-Plus能耗模拟软件、CFD计算流体力学软件、U-wert.net材料U值计算软件对建筑生态绿墙的能源性、物理性、区域性环境效应进行模拟，研究其环境效应；赵学义等测试了夏热冬冷地区建筑外墙绿化对室内热环境的影响效果；狄育慧等应用Fluent软件分别对有无墙体绿化的建筑室内热环境进行了模拟研究，并实地测试验证了其模拟结果的合理性。以上研究主要针对室外垂直绿化对墙体或室内温度影响，对于夏热冬冷地区室内垂直绿化的环境效应研究较少，大多数文献只是给出一些定性的结论，缺乏实验测试及定量研究。
本文通过有室内植物墙房间（以下简称绿墙房间）和普通房间的对比研究，通过实际测试分析植物墙对室内热湿环境的影响和作用。
1 测试方案
1.1测试对象
为研究夏热冬冷地区室内垂直植物墙对室内热环境影响效果，选择上海市作为测试地点。上海市属夏热冬冷地区，夏季室外空气平均温度为27℃，室外空调计算日平均温度30.4℃，温度高，湿度大，空调负荷能耗大。
选择上海地区一栋办公楼作为实验场地，该办公楼为四层建筑，南北朝向。选择四楼南向两个大小及功能相同的房间作为对比实验房间，其中一个房间西墙安装植物墙，另一个房间未作处理用于对照。图1为测试房间现场图。两个房间东西墙都为内墙，排除西晒等热扰对实验房间的影响。测试工况分为自然工况和空调工况，空调工况下室内温度设定为26℃。实验房间在测试期间门窗为关闭状态，无人居住，无灯光等散热设备运行。
1.2实验植物和测试仪器
本实验垂直绿化形式为室内绿墙式，取佛甲草为实验植物。佛甲草属景天科，生于山野水湿地及岩石上，适应性极强，不选择土壤，耐寒力极强。佛甲草属多浆植物，含水量极高，其叶、茎表皮的角质层具有极强的防止水分蒸发的特性。实验利用18个0.5 m x0.5 m的佛甲草模块（如图2所示）组成植物墙进行测试，植物墙的形式如图3所示。
室内空气温湿度采用温湿度自动记录仪（型号：WSZY-1）测试，温度精度为+0.1℃，相对湿度精度为0.1% RH．每隔10 min自动记录一次。
1.3测点布置
利用便携式气象站测量室外环境参数，仪器放置在距地面垂直距离1.5 m背阴处；利用T型热电偶测试墙面、屋顶及地面的内壁面温度；利用温湿度自动记录仪测量房间空气温湿度。本实验选取了垂直方向上两个典型平面的温湿度场进行研究，分别为距离地面1.1 m处（人体静坐时头部高度）及1.8 m处（人体站立时的活动高度）。实验前，先利用手持式温湿度测试仪测量房间内的温湿度，根据梯度变化确定测点布置。一般情况下，靠近墙壁、窗户处的温度梯度比较大，但由于此范围内人员活动较少，因此不在此处布置测点。测点布置示意图如图4所示。
1.4测试参数
测试参数包括室外空气温度、相对湿度；房间各个墙面、地面及屋顶的内壁面温度；两个房间内各个测点的温湿度。
1.5测试时间和工况
测试时间为2015年8月1日至8月30日，室外空气平均温度为32℃，是上海一年中最热时段。
设置自然工况和空调工况2种工况进行实测，空调工况下室内温度设定为26℃。测试期间实验房间无人居住，门窗为关闭状态，无灯光等散热设备运行。
2 测试结果及分析
2.1自然工况
选取8月17日和18日的数据进行分析。晴天，昼间( 7:00-19:00)室外平均温度为29℃，最高温度为33℃;夜间(19:00-7:00)室外平均气温为25℃，最高为27 ℃。
绿墙房间和普通房间室内温湿度如图5所示。可以看出，昼间普通房间室内空气平均温度为32.5℃，最高温度为34.2 ℃，绿墙房间室内空气平均温度为31.6℃，最高温度为32.6℃，分别比普通房间低0.9℃和1.6 ℃。另一方面，绿墙房间温度达到最大值的时刻比普通房间延迟约30 min。表明植物墙对室内温度起到衰减和延迟作用。夜间，绿墙房间空气平均温度为30.5 ℃，最高温度为31.5℃，普通房间室内空气平均温度为30.2℃，最高温度为31.4℃，分别比普通房间高0.3℃、0.1℃。这是由于植物墙昼间蓄存的热量在夜间释放出来，导致夜间温度较普通房间略高。根据两个房间的逐时温差计算得出，昼间最大温差为1.9℃，平均温差为1.0℃；夜间最小温差为-0.4℃，平均温差为-0.3℃。由此可见，植物墙在夏季具有抑制室内温度上升的作用。
图6是自然工况下绿墙房间和普通房间的室内相对湿度变化图。可以看出，绿墙房间相对湿度比普通房间高12.8%，并且波动较小，表明室内型植物墙具有较明显的增湿作用。
2.2空调工况
选取8月15日数据进行分析，昼间( 7:00-19:00)室外平均温度为29℃，最高温度为32℃；夜间(19:00-7:00)室外平均气温为25℃，最高为27℃。绿墙房间和普通房间室内温湿度如图7和图8所示。
由图7可以看出，在空调工况下，普通房间波幅最大为1.9℃，最小为1.0℃；绿墙房间波幅最大为1.1℃，最小为0.3℃，绿墙房间的温度波动分别比普通房间低0.8℃、0.7℃。由图8可以看出，绿墙房间平均相对湿度较普通房间高7.4%。由此可见，植物墙在空调工况下有助于恒定室内温度和增加空气湿度。
3 植物墙对室内环境热舒适性的影响
本文用PMV(预测平均投票数)和PPD（预测不满意百分数）分析评价植物墙对室内热舒适的影响。
夏季自然工况下，室内办公人员静坐，身穿短袖T恤和长裤，服装热阻为0.6 clo；室内风速0.2 m/s;办公环境室内自然光照度为400 Lux。根据实测的室内温度和相对湿度数据，计算得到绿墙房间和普通房间PMV-PPD，如表1所示。
夏季自然工况下，绿墙房间预测不满意百分数低于普通房间。绿墙房间热感觉介于暖和稍暖之间，普通房间热感觉则介于热和暖之间，由此可见，室内绿墙对改善室内舒适度起到一定作用。
4 室内植物墙夏季节能量估算
假定空调工况下绿墙房间和普通房间空调的开启时间为8 h(9:00-17:00)。根据试验测试结果，绿墙房间较普通房间室内平均温度降低l℃。按照室内温度每提高1℃，空调的制冷量平均增加57.6 W，空调能效比(EER)提高0.0515计算，绿墙房间每天空调节电量为0.46 kWh，约占空调用电量的6.6%。
5 结语
设置在房间内的植物墙不仅使人身心愉悦，而且能够有效地改善室内热湿环境，还具有一定的节能潜力。本文得到如下主要结论：
1)自然工况下，绿墙房间和普通房间室内平均温度和最高温度相比，昼间分别低0.9℃、1.6℃；夜间分别高0.3℃、0.1℃。室内平均相对湿度较普通房间高12.8%。
2)空调工况下，绿墙房间较普通房间室内温度波动小，最大波幅和最小波幅分别较普通房间低0.8℃、0.7℃。室内平均相对湿度较普通房间高7.4%。
3)室内植物墙可以提高室内舒适度，对于空调节电也很有潜力。
