摘要：垂直绿化作为一种节能技术越来越受重视，但对其光热传递模型的理论与实验研究仍有所不足，这已成为制约其广泛应用的瓶颈。本项目针对夏热冬暖地区气候特点，开展以下工作：（1）研究太阳辐射透过垂直绿化后的衰减机理，获取垂直绿化消光系数逐时变化特征，观测垂直绿化全年生长特性，拟合叶面积指数逐月变化曲线，建立垂直绿化动态光学参数模型；（2）采用足尺寸热湿气候风洞分析垂直绿化气孔阻力与环境参数之间的多因子响应关系以及空气动力学阻力与叶片对流换热系数之间的类比关系，改进垂直绿化蒸腾潜热计算模型；（3）耦合求解垂直绿化、空气间层及建筑外立面三者之间的质量和能量平衡方程，建立垂直绿化光热传递模型与建筑热过程的耦合机制，并将其集成到建筑能耗仿真平台；（4）将以上非稳态计算模型与建筑能量模拟程序耦合，评估不同气候条件下垂直绿化的节能潜力。

　　关键词：垂直绿化；光热传递；模型研究；节能减排

　　一、研究背景

　　能源安全和气候变化是当今世界各国面临的主要挑战，特别是对于我国来说，随着经济的快速发展，全社会能源消费持续增长，2018年，我国能源消费32.7亿吨油当量(toe)，超越美国成为全球第一大能源消费国。同时，我国能源对外依存度不断加大，2019年《世界能源统计年鉴》显示，我国原油对外依存度高达72%，天然气对外依存度达43%，能源安全问题日益凸显。此外，由于我国能源消耗过高，排放了大量的温室气体，导致大气温室效应增强、极端气候事件频发、居民健康风险升高等一系列与气候变化有关的问题，已经对我国生态环境乃至社会经济发展造成诸多不利影响。为了应对能源安全和气候变化的挑战，急需各行业采取高效节能减排技术。建筑行业能耗约占全社会总能耗的三分之一，同时也是温室气体排放的主要来源，因此，建筑行业蕴藏着巨大的节能减排潜力。建筑围护结构，即分隔室内空调环境与室外自然环境的建筑构件，对建筑能耗具有重要的影响。有研究表明，建筑供暖和制冷能耗的20-60％与建筑的围护结构有关，因此，提高围护结构的热工性能是实现建筑行业节能减排目标的有 效途径之一。为此，国内、外学者不断探索新型围护结构节能技术，例如相变材料，热反射涂膜，冷辐射涂层、智能窗户和建筑绿化等。 其中，建筑绿化是利用植物装饰建筑围护结构外侧，形成气候缓冲层的节能技术。该技术来源于植物的自然降温原理，不仅可以降低建筑能耗，还具有缓解城市热岛、改善空气质量和营造生物多样性等生态效益。根据绿化应用位置的不同，常见的建筑绿化方式主要有屋顶绿化和垂直绿化。建筑垂直立面面积大约是屋顶面积的20倍，在建筑垂直立面应用绿化措施可以获得比屋顶绿化更显著的景观效果、生态效益和节能潜力。特别是在我国夏热冬暖地区，由于该地区经济较为发达，夏季空调制冷能耗占全社会总能耗的比例接近20%，另一方面，该地区的气候特点有利于植物生长，不会出现植物低温冻害，因此，垂直绿化在夏热冬暖地区所能发挥的节能减排潜力更加显著。已有的研究表明，如果香港全部高层住宅外立面都采用垂直绿化，每年可以节省超过26亿度电，减排二氧化碳220万吨。综上所述，研究夏热冬暖地区垂直绿化及其节能减排效益有助于降低该地区的建筑能耗、减少温室气体排放，对保证国家能源安全、应对气候变化具有十分重要的战略意义。

　　本研究课题的目标在于：建立垂直绿化动态光学参数模型，改进垂直绿化蒸腾潜热计算模型，确定上述光热传递模型与建筑热过程的耦合机制，实现垂直绿化对建筑能耗影响的动态仿真。

　　二、研究思路

　　首先，根据半透明体辐射传输理论，分析直射辐射和散射辐射在垂直绿化植物冠层中的动态传输过程，研究消光系数与垂直绿化叶片倾角和太阳入射角度之间的逐时动态响应关系。建立室外叶面积指数观测基地，选择夏热冬暖地区常用垂直绿化植物作为观测对象。采用植物冠层分析仪，逐月现场测量观测对象的叶面积指数。根据一年的测量数据，采用植物生长方程，对测量数据进行非线性回归分析，确定适用于预测上述常用垂直绿化叶面积指数全年动态变化的方程形式及其拟合参数，并将其应用到垂直绿化太阳辐射吸收率、透过率和反射率的计算方程中，从而建立用于全年建筑能耗模拟的垂直绿化动态光学参数模型。

　　其次，根据植物叶片热湿传递机理，研究水蒸气和显热热流在叶片和周围空气中的扩散过程。在足尺寸热湿气候风洞中开展垂直绿化蒸腾作用实验，研究气孔阻力与环境参数之间的单因子响应关系，采用多元回归分析，建立垂直绿化气孔阻力与环境参数之间的多因子响应模型。在足尺寸热湿气候风洞中放置由仿真叶片制作的垂直绿化试件，获取用于描述叶片表面对流换热系数的准则方程式，通过大气边界层热扩散理论中的空气动力学阻力与对流换热系数转换关系式，获得叶片空气动力学阻力。

　　最后，根据建筑能耗仿真平台的动态热过程算法，耦合求解垂直绿化、空气间层以及建筑外立面三者之间的质量和能量平衡方程，建立垂直绿化光热传递模型与建筑热过程的耦合机制。基于上述耦合机制，在建筑能耗仿真平台上开发垂直绿化光热传递功能模块，并通过功能拓展接口将该功能模块集成到建筑能耗仿真平台，从而实现垂直绿化光热传递过程与建筑热过程的耦合仿真。

图2-1技术路线图

　　三、研究内容

　　（一）垂直绿化动态光学参数模型研究

　　研究垂直绿化叶片对不同入射方向太阳辐射的拦截和散射特性，分析垂直绿化消光系数逐时变化特征，构建消光系数与垂直绿化冠层结构和太阳入射角度之间的响应方程。选择夏热冬暖地区常见垂直绿化植物搭建实验台，观测垂直绿化植物全年生长特性，采用植物生长方程拟合叶面积指数逐月变化曲线。

　　分析垂直绿化太阳辐射吸收率、透过率和反射率与消光系数、叶片光谱特征和叶面积指数之间的函数关系，将消光系数逐时响应方程和叶面积指数逐月拟合曲线应用到垂直绿化太阳辐射吸收率、透过率和反射率的计算过程中，从而建立用于全年建筑能耗模拟的垂直绿化动态光学参数模型。

图3-1垂直绿化叶面积指数变化曲线

　　（二）垂直绿化蒸腾潜热计算模型研究

　　研究植物叶片与周围环境之间的热湿传递机理，逐一分析植物叶片气孔阻力与风速、温度、湿度、太阳辐射等环境参数之间的单因子响应关系，然后采用多元回归分析，建立垂直绿化气孔阻力与环境参数之间的多因子响应模型。

　　研究植物叶片热量平衡过程，确定用于描述植物叶片对流换热准则方程式中的经验系数（Nu=C·Prm·Ren），通过大气边界层热扩散理论中的空气动力学阻力与对流换热系数转换关系，建立垂直绿化空气动力学阻力计算模型。

　　（三）垂直绿化光热传递模型与建筑热过程耦合机制研究

　　根据建筑能耗仿真平台的动态热过程算法，耦合求解垂直绿化、空气间层以及建筑外立面三者之间的质量和能量平衡方程，建立垂直绿化光热传递模型与建筑热过程的耦合机制。

　　在建筑能耗仿真平台上开发垂直绿化光热传递模块，模拟分析垂直绿化对建筑能耗的动态影响，采用参数敏感性分析方法定量评价建筑能耗仿真结果对垂直绿化光热传递模型输入参数的敏感程度，确定模型关键参数，识别模型结构和耦合机制的缺陷，在此基础上逐步完善光热传递模型及其与建筑热过程的耦合机制。

　　在夏热冬暖地区广州搭建室外足尺寸对比实验房，在冬季、夏季和过渡季连续观测实验房内、外表面温度和热流以及室内空调能耗数据，将实测结果与模拟结果进行对比分析，验证垂直绿化光热传递模型与建筑热过程耦合机制的准确性。

图3-2垂直绿化传热模型在实际建筑中的应用

　　四、创新点与特色

　　本项目的创新之处有以下两点：

　　（一）现有的垂直绿化光热传递模型无法分析垂直绿化遮阳性能的逐时变化特征和全年变化规律。本项目通过构建垂直绿化消光系数逐时计算模型和叶面积指数逐月回归模型，从而建立用于全年建筑能耗仿真的垂直绿化动态光学参数模型。本项目在垂直绿化光学参数计算模型上有所创新。

　　（二）本项目采用足尺寸热湿气候风洞实验台复现稳态和动态气候工况，研究垂直绿化蒸腾作用过程，建立垂直绿化气孔阻力和空气动力学阻力计算模型，从而改进垂直绿化蒸腾潜热计算模型，使之适用于建筑能耗仿真过程。本项目在垂直绿化蒸腾潜热研究方法上有所创新。

　　五、成果市场推广应用前景分析  

　　建筑垂直立面面积大约是屋顶面积的20倍，在建筑垂直立面应用绿化措施可以获 得比屋顶绿化更显著的景观效果、生态效益和节能潜力。特别是在我国夏热冬暖地区，由于该地区经济较为发达，夏季空调制冷能耗占全社会总能耗的比例接近20%，另一方 面，该地区的气候特点有利于植物生长，不会出现植物低温冻害，因此，垂直绿化在夏热冬暖地区所能发挥的节能减排潜力更加显著。有研究表明，如果香港全部高层住宅外立面都采用垂直绿化，每年可以节省超过26亿度电，减排二氧化碳220万吨。因此，本项目研究有助于降低建筑能耗、减少温室气体排放，对保证国家能源安全、应对气候变化具有十分重要的战略意义，研究成果具有显著的应用前景。

　　六、实施成效  

　　本项目取得了以下实施效果：

　　（一）建立了垂直绿化对建筑能耗影响的评价体系

　　将本项目所提出的光热传递模型集成到建筑能耗仿真平台DeST中，模拟垂直绿化对建筑能耗的影响规律，进而建立了垂直绿化对建筑能耗影响的评价方法和体系。

　　（二）建立了垂直绿化叶面积指数全年变化数据库

　　搭建了垂直绿化生长观测平台，选取华南地区广泛使用的六种垂直绿化植物作为观测对象，逐月观测其叶面积指数的变化规律，建立了垂直绿化叶面积指数全年变化数据库，该数据库可以作为垂直绿化对建筑能耗影响模拟的输入参数。

　　（三）编制了垂直绿化传热计算软件

　　以垂直绿化光热传递模型为理论核心，编制了垂直绿化传热计算软件，并获授权软件著作权登记，张磊，邓智超，孟庆林.建筑绿化传热计算软件.软件著作权登记，2019.05.18。

　　（四）发表相关论文7篇，其中SCI收录论文4篇

　　本项目发表相关研究论文7篇，其中SCI收录论文4篇，如下所示：

　　[1] Yu Zhang, Lei Zhang, Luyao Ma, Qinglin Meng, Peng Ren. Cooling Benefits of an Extensive Green Roof and Sensitivity Analysis of Its Parameters in Subtropical Areas[J]. Energies,2019,12(22):4278.（SCI收录）

　　[2] Lei Zhang, Zhichao Deng, Lisha Liang, Yu Zhang, Qinglin Meng, Junsong Wang, Mattheos Santamouris. Thermal behavior of a vertical green facade and its impact on the indoor and outdoor thermal environment[J]. Energy & Buildings,2019,204(5):109502.（SCI收录）

　　[3] Zhan Qiaosheng, Xiao Yiqiang, Musso Florian, Zhang Lei. Assessing the hygrothermal performance of typical lightweight steel-framed wall assemblies in hot-humid climate regions by monitoring andnumerical analysis[J]. Building and Environment,2021,188(5):107512.（SCI收录）

　　[4] Tan Kanghao, Qin Yinghong, Du Taiyang, Li Lingling, Zhang Lei, Wang Junsong. Biochar from waste biomass as hygroscopic filler for pervious concrete to improve evaporative cooling performance[J]. Construction and Building Materials,2021,287(5):123078.（SCI收录）16

　　[5]邓智超,张磊,张玉,孟庆林.湿热地区降雨对种植屋面热工性能的影响研究[J].建筑科学,2020,36(12):89-95.

　　[6]邓智超,张磊,张玉,马路遥,孟庆林,阮琳,代色平,李智琦.基于植被冠层动态光 学参数的种植屋面传热计算模型[J].建筑科学,2018,34(10):115-120.

　　[7]廖德妮,张玉,蓝静,谢天明,黄文豪,雷敏聪,杨鸿滔,张磊.分体式空调冷凝水产 量计算方法研究[J].建筑节能,2020,48(06):69-73+96.

　　（五）培养相关研究领域硕士研究生3名

　　梁丽莎.广州地区攀援垂直绿化降温及节能效益研究[D].华南理工大学,2019。

　　邓智超.基于DeST的建筑绿化传热计算模块开发研究[D].华南理工大学,2020。

　　廖德妮.垂直绿化表皮对壁面对流换热系数影响的风洞实验方法研究[D].华南理工大学,2021。