夏热冬冷地区建筑绿化对建筑能耗的影响研究
作者：石天豪1 蔡存金1 陈焰华2 汤小亮2 明廷臻1,3
武汉理工大学 土木工程与建筑学院
中信建筑设计研究总院有限公司
武汉理工大学三亚科教创新园
城市化进程的加速深刻改变了地表覆盖与能量平衡，导致城市热岛效应日益凸显，与周围农村环境相比，城市空气温差可高达10℃以上，即使是小城市也具有一定的热岛效应。夏热冬冷地区（主要包括长江中下游及其周边区域）作为我国人口密集、经济活跃的重要区域，其气候特征表现为夏季高温高湿、冬季寒冷潮湿，建筑能耗（尤其是空调和采暖能耗）基数大且增长迅速，是建筑节能工作的重点与难点区域。
城市快速发展导致绿地与植物覆盖减少，进一步加剧了城市热岛效应，并直接推高了建筑能耗。立体绿化可以降低气温并调节城市气候，缓解城市区域温度升高现象。采用多种绿化方式是改善建筑与环境的关系、实现建筑节能、增强建筑生态性能的有效手段。通过改善建筑环境，可提升室内热舒适度，降低建筑对自然环境的影响，有效减少能源消耗与碳排放，助力节能减排。本研究的目的是为夏热冬冷地区公共建筑的立体绿化设计提供理论基础，并定量分析立体绿化的碳减排作用，推动夏热冬冷地区建筑绿化的应用与实践进程。
1.生态绿化对建筑能耗影响的研究现状
国内外学者对建筑绿化进行了深入研究，其中屋顶绿化可分为拓展型、半密集型和密集型三类，分别适用于不同荷载及景观需求。国外如德国偏好耐旱景天植物，以降低维护需求，而国内逐渐尝试多种植物混植以提升景观与生态稳定性。垂直绿化则在遮阳、隔热、降低建筑能耗及改善城市环境方面具有显著效果。绿化对建筑能耗影响显著，研究表明绿化层可显著减少太阳辐射进入建筑，降低冷负荷，如屋顶绿化可节能高达63%，垂直绿化亦能降低冷负荷20%以上。整体来看，立体绿化具有降温节能功能，有助于提高城市生态质量，成为缓解热岛效应及促进建筑节能的重要手段。
2.绿化碳汇减碳机理
2.1绿化碳汇计算
实现建筑运行阶段的减碳效果，不仅需要控制碳排放，也要考虑提高碳减排量。立体绿化的植物类型与植物生长状况会直接影响建筑碳减排作用。据测定，1kg叶绿素的年固碳量为215kg。因此，提高立体绿化的碳汇作用可从增加空间植被总量和提植物固碳效率两个方面入手。植被的固碳原理主要是通过光合作用，进行固碳释氧。植物的光合作用和呼吸作用速率都受到生理和环境的影响，因此将植物净日同化量作为评价植物固碳效率的基础数据指标更为准确。植物净日同化量指昼净光合量与夜间暗呼吸量的差值，一般植物的暗呼吸消耗量是白天同化量的20%。
在单位叶面积净日固碳量（Wco2）的前提下，同时加入叶面积指数(LAI)作为评价植物绿量的指标。绿量是指单位面积上植物的总量，它能直接体现植物的固碳释氧等生态效益。
叶面积指数和单位叶面积净日固碳量都直接与具体植物类型有关，因此在作碳汇分析时，需结合不同植被的具体固碳性能与地域适宜性进行植物种类选择。
常见植被可分为乔木、灌木和草坪。不同植被的固碳能力有明显差异，从植物单体角度看，固碳能力依次为乔木最优，灌木固碳效果中等，草坪最次。植物不同生命阶段的固碳作用也有差别。固碳效率高的植物无疑有助于提升场地的碳汇潜力。因此在进行植物选择时，树龄和单株植物固碳量应该结合考虑。
综合建筑节能减碳和植物的碳汇减碳作用，绿化屋顶的减碳机理表现为：（1）降低建筑的空调和供暖负荷，减少设备耗电量部分的碳排放。（2）增强地表反射比，间接达到等效二氧化碳减碳。（3）植物自身光合作用固碳，起到吸收二氧化碳的作用。
2.2建筑模型
本研究以国家网络安全人才与创新基地一期工程中网络安全学院2#教学楼为例，进行能耗分析计算。建筑的位置示意图如图1所示。国家网络安全人才培训中心项目位于东西湖区，临空港大道以西、塔西路以东、径河路以北地块。该场地平整，交通便利，开发条件成熟。
图 1 网络安全学院 2# 教学楼位置示意图
图 2 网络安全学院 2# 教学楼建筑模型示意图
网络安全学院2#教学楼为甲类建筑，坐落于武汉城区，建筑朝向南。该建筑采用框架结构，总体积为203 136.31m3，表面积为31 924.53m2，体形系数为0.16。建筑共5层，高度为23.00m，其中1层层高为5m，2至5层层高为4.5m。建筑模型示意图见图2。根据节能建筑标准，新风渗透设置为0.2次每小时。教学楼空调系统在早上7：00到晚上18：00运行，供暖温度设置为20℃，制冷温度设置为26℃。建筑的全楼外窗（包括透明幕墙）、外墙面积汇总表见表1。建筑围护结构的传热性能如表2所示。建筑的内热源分布情况如表3。
表 1 建筑的全楼外窗（包括透明幕墙）、外墙面积汇总表
表 2 建筑围护结构的传热性能
表 3 建筑的内热源分布
3.绿色植被对建筑能耗的影响实验分析
3.1建筑外墙面覆盖绿色植被对建筑运行能耗的影响
在夏热冬冷地区，绿色植被在建筑节能中扮演着重要角色。常见的植被类型包括草皮、灌木、攀缘植物和蕨类植物，它们能够有效降低建筑外表温度，减少冷却能耗并改善周围环境的热舒适度。例如，草皮与灌木能在屋顶和外墙上形成隔热层，攀缘植物则能够覆盖墙面，有助于减少太阳辐射对建筑物的直接加热。本报告选取草皮、灌木、攀缘植物蕨类这四种绿色植被，将其应用于网络安全学院2#教学楼的屋面和外墙表面，以系统性分析和评估它们对建筑能耗的影响。
对于屋顶和外墙面应该选择适宜的绿色植被进行模型分析，表4和表5分别列出了适用于屋顶和外墙面的各类绿色植被的性能参数。草皮作为低生长植被，能有效覆盖大面积的屋顶和墙面，提供良好的隔热和保温效果。灌木由于具有较强的根系和叶片密度，能有效减少夏季的热传导，同时在冬季保持足够的透气性。攀缘植物不仅可以美化建筑外墙，还能形成稳定的植被层，进一步降低墙面温度，减少空调负荷。蕨类植物以其卓越的适应性和水分保持能力，适合于屋面的湿润环境，为建筑提供额外的热绝缘和环境调节功能。对于外墙面来说，常春藤可以提供良好的遮阳效果，适合墙面绿化，节能效果显著。爬山虎同样具有很好的遮荫能力，适应性强，生长快速。绣球藤在夏季的蒸散作用更为明显，有助于降低建筑周围的热环境。
表 4 屋顶绿色植被的性能参数
表 5 外墙面绿色植被的性能参数
通过对以上不同类型绿色植被的应用及其效果的分析，将为网络安全学院2号教学楼提供有效的节能和环保方案，同时为类似建筑的绿色改造提供实践经验和科学依据。这些研究成果不仅有助于减少建筑的能源消耗，还能改善室内外的微气候条件，提升建筑整体环境质量和可持续性。
图3为建筑外墙面覆盖绿色植被对建筑运行能耗的影响。外墙覆盖不同类型的绿植对建筑能耗的影响显示出明显差异。爬山虎覆盖外墙时，建筑能耗降低了0.27%，常春藤覆盖外墙时，建筑能耗降低了0.31%，绣球藤覆盖外墙时，建筑能耗降低了0.28%。这些结果表明，不同绿植类型在提供生态服务的同时，对建筑能效的影响存在差异，选择适合特定环境条件和能效需求的绿植类型至关重要。
图 3 建筑外墙面覆盖绿色植被对建筑运行能耗的影响
绿色植被覆盖建筑围护结构对建筑能耗有显著影响，其影响效果依赖于所在气候区、季节条件和植被特性。对于全年常绿植物来说，在夜间，绿叶的温度通常低于室外空气温度，而在白天，其因吸收太阳辐射而升高，使得绿叶温度波动比外墙面的温度波动更显著。在相对炎热的气候区（如夏热冬冷地区和炎热地区），绿植遮阳和降温效果显著，可选高蒸腾率植被以强化降温效益。绿植覆盖在夏季通过遮阳和蒸腾作用有效降低围护结构温度，减少建筑冷负荷，可以实现显著节能；冬季则因气候温和，对供暖需求影响有限。
夏季的节能效果通常足以抵消冬季额外的能耗，采用可持续的绿色覆盖系统能够有效减少建筑的年度总能耗。然而，在相对寒冷的地区，冬季植被覆盖可能会因阻挡太阳辐射而增加建筑供暖需求，因此，建议选用落叶植物，确保冬季阳光充分进入。综合来看，通过针对气候特性优化植被类型和布局，绿色覆盖可以在多种气候中实现建筑全年节能效果最大化。
3.2建筑屋顶覆盖绿色植被对建筑运行能耗的影响
数据计算显示，外墙绿植对能耗的影响相对有限，但维护成本较高，性价比偏低，因而并非理想选择。此外，绿植可能带来蚊虫滋生、湿度过高、火灾风险以及维护养护负担，这进一步凸显了选择更适合本地气候的建筑节能方案的必要性。综合考虑，建议在夏热冬冷地区优先选择屋顶绿化或改善外墙隔热性等措施，以实现更高效的节能效果。
图4为建筑屋顶覆盖绿色植被对建筑运行能耗的影响。不同类型的绿植在屋顶覆盖中对建筑能耗的影响显示出显著差异。对于屋顶绿化，通常选择的是能够耐受干旱、强光和较大温差的植物，如草皮、灌木和攀缘植物，这些植物不仅具有较好的适应能力，还能有效降低建筑物的热量吸收，起到改善微气候、减少能耗的作用。当草皮覆盖时，建筑能耗显著降低了1.62%，表明草皮有效地减少了热量的损失。灌木和蕨类的覆盖分别使能耗降低了0.91%和1.21%，显示出它们在保温效果上的一定作用。
图 4 建筑屋顶覆盖绿色植被对建筑运行能耗的影响
此外，攀缘植物的覆盖效果更为显著，使能耗降低了1.76%。表面屋顶绿植通过降低直接日照和吸收调节水分，有效降低了室内温度波动，从而减少了空调系统的能耗。综上所述，选择适合环境条件和建筑需求的绿植类型进行屋顶覆盖，不仅能有效提升建筑的能效表现，还有利于提升建筑的生态可持续性和舒适性。
图5为屋顶草皮覆盖率对建筑能耗的影响。草皮在屋顶覆盖中对建筑能耗的影响显示出近乎相关的线性关系。建筑的节能率与草皮覆盖面积近似呈现线性递增的趋势，建筑能耗与草皮覆盖面积近似呈现线性递减的趋势。从不覆盖到全部覆盖草皮，建筑的能耗呈现逐渐减少的趋势，从40 238.99GJ降至39 588.22GJ，节能率达到了1.62%。进一步分析表明，草皮覆盖面积与节能效果呈现正相关的趋势：覆盖25%时，建筑能耗降低0.38%；覆盖50%时，降低0.91%；覆盖75%时，降低1.31%。这表明草皮覆盖在提升建筑能效方面具有显著效果，并且节能效果与覆盖面积呈现线性递增关系。
图 5 屋顶草皮覆盖率对建筑能耗的影响
建筑的节能率与屋顶植物覆盖面积呈线性递增的趋势，主要源于多个因素的共同作用。首先，随着屋顶植物覆盖面积的增加，植物能够有效遮挡太阳辐射，减少基质表面的热量吸收。此外，植物通过蒸腾作用带走热量，增强了蒸发冷却效果，这种效果随植物覆盖的扩大而更加显著。同时，植物层作为天然的隔热屏障，阻止了热量通过屋顶传导到建筑内部。不同植物类型对建筑节能效果的贡献各有差异，但总体上，覆盖面积越大，节能效果越显著。在夏热冬冷地区，植物的遮阳和蒸发冷却作用可以显著减少建筑的制冷需求。
综上所述，选择适量的草皮覆盖可以有效降低建筑的能耗，特别是在提供保温和调节室内温度方面具有显著作用。这种做法不仅有助于节约能源成本，还有利于提升建筑的生态友好性和居住舒适性。
4.结论
本研究详细阐述了国内外在立体绿化领域的研究现状及绿化碳汇减碳的机理，为未来建筑立体绿化的应用提供了理论指导与方向指引。同时，利用能耗模拟软件定量分析了立体绿化对夏热冬冷地区建筑能耗的影响。研究结果显示，在建筑外墙面覆盖绿色植被会导致建筑能耗略微降低，其中覆盖常春藤使建筑能耗降低最为显著，达到了0.31%。在建筑屋顶覆盖不同类型的绿色植物则会不同程度地降低建筑能耗，尤其是覆盖攀缘植物可使建筑能耗显著降低，达到了1.76%。此外，研究发现建筑的节能率与屋顶植物覆盖面积呈现近乎线性递增的趋势。
然而，在武汉等湿热地区，绿植可能增加降温负荷及湿度调节需求，反而提高空调能耗。因此，尽管绿色植被能提供显著的生态效益，但也可能增加建筑的维护费用，需在生态效益与能耗成本之间找到一个平衡点。建议优先选择适合本地环境条件的屋顶绿植，确保有效提升建筑的能效表现，同时增强建筑的生态可持续性和舒适性。
推介最新技术 引导产业发展
本文摘自《建设科技》2025年第19期。
