首页 > 分享 > 【研究综述】垂直绿化对城市微气候影响研究综述

【研究综述】垂直绿化对城市微气候影响研究综述

花匠小妙招
2024-09-16 09:31

摘要：垂直绿化集建筑、植物、材料为一体，是调节城市微气候环境和缓解热岛效应的重要途径。文中通过分析垂直绿化对城市微气候影响的研究文献，深入探索垂直绿化对微气候环境的4个影响机制，分析垂直绿化对周围微气候环境中温度、湿度、风速和城市热岛效应的影响，指出垂直绿化对城市微气候的调节作用受垂直绿化的类型、植物特性、生长基质和气候条件等多方面影响，并在此基础上总结垂直绿化未来研究前景和重点方向，为改善城市生态环境提供参考。

关键词：垂直绿化，微气候，热环境，热岛效应，降温增湿效应

作者：罗霜蔡晓毅郑晓娜王洪梅刘梦瑶潘澜

引文格式：罗霜,蔡晓毅,郑晓娜等.垂直绿化对城市微气候影响研究综述[J].世界林业研究,2023,36(02):45-50.

近年来，随着城市快速扩张，城市人口进一步聚集，城市气温显著上升，热岛效应明显。垂直绿化是一种将植物与建筑结合的新型绿色建筑技术，也是目前快速增加绿化面积和促进建筑节能的有效途径之一。与传统的地面绿化相比，垂直绿化能最大程度地利用城市空间，有效增加城市绿化覆盖率，因而在景观效益、经济效益和生态效益方面都发挥着显著的优越性，包括改善空气质量、缓解噪音污染、提高生物多样性以及提升城市美学效果等。此外，大量研究显示，垂直绿化的应用能改变城市街道热量的分布，减少进入室内的热传递，从而降低建筑能耗，提高室内外舒适性。目前垂直绿化对建筑能耗的影响研究已取得了丰富的成果，但是在垂直绿化对城市微气候的影响研究方面尚缺乏相应的系统性分析。本研究依据Web of science 核心合集（WOS）数据库和中国知网（CNKI）数据库，以垂直绿化为主题、微气候相关关键词检索2011—2022年的研究论文，综述垂直绿化对微气候影响的研究历程，进一步总结垂直绿化对城市微气候的影响机制，系统分析垂直绿化系统对城市微气候环境的影响及其关键因子，展望未来垂直绿化的研究前景和重点发展方向，以期为城市绿化建设提供理论参考和实施依据。

1 垂直绿化概述

垂直绿化是指利用植物材料对建筑围护结构进行装饰的绿化形式。广义的垂直绿化包括屋顶绿化、阳台绿化、墙面绿化等多种绿化类型，与立体绿化的概念有所交叉。狭义的垂直绿化更加侧重于竖向垂直方向的绿化。随着垂直绿化技术日益成熟，目前国内外普遍接受的定义是垂直绿化的狭义定义，也是本文讨论的主要对象。根据垂直绿化所处位置，可以分为室内垂直绿化和室外垂直绿化。根据结构施工特点，垂直绿化又可分为攀援式和植生墙2种类型。攀援式垂直绿化属于传统垂直绿化类型，包括直接式和间接式，应用范围最广；植生墙属于新型垂直绿化技术，包括模块式、铺贴式、板槽式和布袋式，在绿地资源严重紧缺的城市中应用前景巨大。

近10年来，随着城市化进程的加快，城市环境问题日渐显著，探明垂直绿化对室外微气候的影响对于城市环境的改善极为重要。垂直绿化作为一种新型的绿化方式，国内外学者普遍关注垂直绿化在建设绿色建筑、降低建筑能耗和提高城市生态环境方面的效果。通过对垂直绿化2011—2022年的文献进行纵向分析发现，垂直绿化对微气候影响研究的热点已经由早期对建筑环境的微观指标测定，如热传导、湿度和风速等指标，逐渐转向对更为宏观的城市热环境的研究。尽管垂直绿化的建筑节能效果仍是研究的主要对象之一，但是垂直绿化对街区尺度的热环境影响，以及更大尺度上对城市热岛效应的缓解效益研究日益受到重视。

2 垂直绿化对城市微气候的影响机制

2.1 植物蒸腾

植物蒸腾作用是垂直绿化调节周围环境温度的主要机制之一。垂直绿化冠层截留和吸收照射到表面的太阳辐射，植物打开气孔进行蒸腾作用并释放水蒸气，在这个过程中会吸收大量热量，从而降低周围环境的温度。有研究表明，垂直绿化能吸收一半以上的入射太阳辐射，而植物叶片中累积的能量约60%会通过蒸腾作用释放。当然，植物的蒸腾速率受到植物种类、叶面积指数、基质水分以及气象条件等多种因素的影响。在环境胁迫下，植物会关闭气孔阻止蒸腾，减小降温增湿效应，减弱光合作用，并进一步影响植物的生长。因此，在垂直绿化应用时，只有保证植物处于最佳环境条件，才能使垂直绿化具有较高的蒸腾速率，获得最佳的冷却效果。

2.2 水分蒸发

水分蒸发是指垂直绿化基质中的水分和植物在降水时截留的水分，以水蒸气的形式输送到空气中的过程。在水分蒸发过程中，每立方米水蒸发成水蒸气可以消耗680 kW·h的能量。因此，垂直绿化能通过基质水分的蒸发降低建筑立面温度以及周围环境的温度。基质水分的蒸发降温效果与垂直绿化的类型和基质材料相关，基质材料的储水量越大，基质水分的蒸发降温效果越好。另外，水分蒸发与植物的蒸腾速率密切相关，其物理过程存在规律性变化，两者合称为垂直绿化的蒸散作用。一般来说，垂直绿化的蒸散作用对墙体表面的降温小于遮阳作用，但其能在更大尺度上对降低环境温度发挥重要作用。

2.3 控风效应

垂直绿化的控风效应是指垂直绿化的植被层相当于带有孔隙的多孔材料，其表面摩擦较大，导致近植物表层形成空气滞留层，改变了建筑外表面附近风向并降低了风速，增加了建筑墙体的热阻，从而减少了建筑与周围环境的对流换热。一方面，建筑外表面附近风速的降低会阻碍城市街道热量的排出，导致空气温度的升高。另一方面，建筑围护结构辐射得热后表面温度升高会往外散热，对流换热的降低减少了受热建筑墙体外表面传递到城市街道的热量，在一定程度上降低了城市街道中心的空气温度。另外，垂直绿化控风效应的影响效果随着垂直绿化类型、植物叶片密度、植物排列方式、环境风向和风速等的不同而变化。

2.4 植被反射

垂直绿化的植被层能吸收、反射和透射照射到表面的太阳辐射。与建筑表面材料直接反射太阳辐射的过程不同，垂直绿化的植被层反射是一个复杂的过程。植被层的辐射反射率随太阳高度角的日变化呈现U型曲线规律，在晴天中午时，照射到植被层表面的太阳辐射，只有较少部分被反射，大部分太阳辐射滞留在冠层中，在叶片间多次反射，在这个过程中，植物吸收太阳辐射，显热通量降低，周围空气温度降低。一般来说，越干燥、越光滑、颜色越浅的建筑表面反照率越高，而高反照率的建筑表面会将更多的太阳辐射反射到天空和城市街谷，当附近有建筑存在时，建筑表面反射的太阳辐射会再次反射到周围建筑和地表面，使城市街道变得更热。因此，垂直绿化的植被反射机制是降低高密度街区周围环境温度的重要机制之一。

3 垂直绿化对城市微气候的调节作用

3.1 对空气温度的影响

在垂直绿化系统中植物的蒸腾和基质水分的蒸发都会消耗热量，将显热转化为潜热，降低周围植被冠层温度和周围环境空气温度。De Jesus等实验显示，在干燥炎热的夏天垂直绿化最高可降低空气温度2.5～2.9 ℃。垂直绿化对周围空气的降温效果与垂直绿化的距离密切相关。Wong等通过长期监测有垂直绿化和无绿化墙面不同距离处的空气温度并进行对比发现，在距离垂直绿化0.15 m处，周围空气温度的降低最高可达3.3 ℃，但在距垂直绿化0.6 m处的空气温度几乎不受影响。类似地，Daemei等研究发现，在水平距离垂直绿化0.5 m的范围内，垂直绿化能够形成局部小气候，并有效降低空气温度0.57～0.75 ℃。Peng等通过软件模拟研究发现，当整栋建筑应用大面积垂直绿化后，最远可降低到距墙4.5 m远处的空气温度；在竖直面上，高密度街区的垂直绿化对空气的降温最高能达到屋顶上方10～20 m的高度。因此，垂直绿化可显著降低周围环境的温度，且离垂直绿化越远，降温效果越差。

3.2 对相对湿度的影响

垂直绿化系统的植被层和基质层在蒸散过程中会释放水蒸气，增加空气的相对湿度。Galagoda等通过对比有垂直绿化和无绿化墙面前方0.1 m处的空气相对湿度发现，垂直绿化前的空气相对湿度平均高于无绿化墙面1.6%～1.8%。Susorova等实验结果显示，相比裸墙，攀援式垂直绿化改变了周围环境的相对湿度，4个方向的垂直绿化附近的相对湿度日平均增加了2%～4%，小时平均值最大增加为18%～22%。且垂直绿化的增湿效果，距离植被层越远效果越弱。Blanc通过对比垂直绿化不同距离处的相对湿度发现，在距离植物墙0.5 m处的空气湿度为90%，距离墙1 m处时衰减到60%～65%，距墙1.5 m处时变为与周围环境一样的空气湿度（59%）。因此，垂直绿化可以在建筑物周围形成一定范围的微气候环境，该微气候相比于外部环境（远离垂直绿化的区域）而言，有更低的温度和更高的湿度。

3.3 对风速的影响

由于垂直绿化的控风效应，垂直绿化能降低建筑墙体外表面的风速，增加建筑围护结构的热阻，缓解风对建筑立面的影响。Bakhshoodeh等研究发现，与无垂直绿化的墙面表面风速相比，具有茂密植被层的攀援式垂直绿化可降低风速50%以上。类似地，Perini等对比有垂直绿化和无绿化墙面不同距离的风速发现，与无绿化墙面0.1 m处的平均风速（0.65 m/s）相比，植生墙前面0.1 m处的风速下降了0.09 m/s，攀援式垂直绿化则下降了0.03 m/s。在影响区域上，对于攀援式和植生墙，在距离垂直绿化水平面上0.1 m处和垂直方向1.5 m处的风速最大，其他位置则随着此参照点距离的增加而减小。所以，垂直绿化植被层的存在降低了建筑外表面附近的风速。

3.4 对城市热岛效应的影响

城市热岛效应是指城市密集建筑区温度显著高于郊区和农村地区温度的现象。垂直绿化能有效增加城市绿化面积，降低室外环境温度；并在建筑外部形成隔热层，增强建筑墙体的保温效果。一方面，在夏季太阳辐射较高时，垂直绿化的应用能减少室外传递到墙体和室内的热流，降低空调的冷却负荷；另一方面，在寒冷季节，垂直绿化能通过植物和基质的保温隔热作用，防止风和能量从建筑内部向外部散失，降低建筑采暖空调能耗。研究表明，应用垂直绿化系统的城市街谷温度比没有应用垂直绿化的城市街道低0.83 ℃。在缓解热岛效应强度上，城市大规模应用垂直绿化技术可降低城市5%～8%的建筑冷却负荷，显著降低城市空气温度约0.7～0.9 ℃，降低近一半的热岛效应强度。另外，大量研究表明，垂直绿化的应用能够有效降低夏季建筑能耗9%～59%，有效降低空调排放至城市的热量。由此可知，垂直绿化可以在城市街谷中形成一个较小的低温区域，如果将其应用到城市尺度，不仅能有效缓解城市高温，并且可以降低空调能耗、直接减少建筑排热，有效缓解城市热岛效应。而城市热岛强度的降低又可以进一步减少空调能耗。

4 垂直绿化调节城市微气候的影响因子

4.1 垂直绿化的类型

传统的攀援式垂直绿化类型是由攀援植物直接和间接攀爬在建筑表面。新型的植生墙常配备支撑系统、载体系统和灌溉系统，为蕨类植物多年生花卉和小型灌木提供生长环境。2种垂直绿化类型因其安装系统、灌溉系统以及养护管理的不同，对垂直绿化调节城市微气候的作用产生了不同的影响。Ottelé等研究发现，由于植生墙具有更大的水分蒸发量，因而与攀援式垂直绿化相比，具有更大的冷却潜力。Perini等研究发现，与距离裸墙1～10 cm处相比，在空气温度上攀援式垂直绿化最高降低了2.7 ℃，植生墙最高降低5.0 ℃；在风速上攀援式垂直绿化下降了0.55 m/s，冠层内风速有接近零的趋势，植生墙则下降了0.46 m/s。这是由于传统的攀援式和新型的植生墙具有不同的植物材料、基质水分含量和材料属性等，所以会影响到建筑物内外的传热速率和建筑周边的微气候环境。

4.2 植物特性

不同的植物具有不同形态和生理植物形状，且植物的叶片大小、颜色、角度、蒸散量和辐射透射率、以及覆盖度和叶面积指数不同，从而导致对环境的冷却效果存在差异。Peng等研究结果表明，35%的植物覆盖度可降低日最高环境空气温度0.08～0.20 ℃，而65%的覆盖度可降低0.12～0.29 ℃。垂直绿化对周围空气的降温效果与植被覆盖度呈正比，而且叶面积指数越高，降温效果越明显。Lai通过对13种攀援植物降温效益研究发现，冠层覆盖度越高、厚度越大、叶面积指数越高的物种，其降温能力越强。然而，目前对于垂直绿化不同植物特性，如叶片大小、颜色和辐射透射率等参数，对垂直绿化的微气候效应的影响程度尚不明确，仍缺乏相关量化模型，未来尚有待进一步研究。

4.3 生长基质

垂直绿化的不同生长基质材料具有不同的吸水性和透气性。攀援式垂直绿化通常使用园艺土和泥炭土等基质；而植生墙由于其特殊的系统设计，其生长基质要求重量轻、保水性和保肥性好，因而常使用几种不同的材料按照一定的比例配置而成的混合基质，如椰壳、草炭土和蛭石混合等。基质含水量和基质层厚度的不同导致基质材料的热性能存在差异，并显著影响垂直绿化的蒸散量，从而影响对周围环境的微气候调节作用。植生墙的生长基质和植被层相当于建筑墙体的隔热保温层，能使晴天的空气温度降低，而雨天则有可能升温。此外，垂直绿化基质的材料性能和水分状况也会影响植物的生长，进而影响植物蒸腾作用和控风效应。

4.4 空间特性

建筑的朝向和城市几何形态也是影响垂直绿化调节微气候环境的重要因素。建筑的朝向主要通过影响垂直绿化接收到的太阳辐射量来影响垂直绿化的降温效果。根据Lee等在香港实验发现，东北向垂直绿化降低空气温度的能力比西北向垂直绿化低0.71 ℃。Shafiee等在伊朗实验发现，在炎热的夏季，由于朝西的垂直绿化接收的太阳辐射较多，植物的蒸汽压力差较大，蒸腾效应增强，对周围空气降温效果明显，显著高于朝东和朝北的垂直绿化。因此，在亚热带地区应用垂直绿化时，可以优先考虑建设在接受太阳辐射最多的朝西墙面。另外，街道高宽比是描述街道峡谷几何特征的重要指标。Alexandri等通过调查发现，城市街道的高宽比越大，垂直绿化对街道微气候的影响越小。

4.5 气候条件

垂直绿化对周围微气候的影响还取决于气候条件。不同的气候类型对植物生长发育的影响有显著差异，从而影响垂直绿化对周围微气候的调节作用。Pérez等根据柯本气候分类，对大量不同气候下垂直绿化的热环境研究发现，气候类型影响植物发育，且越炎热的气候带，垂直绿化的降温效果越好。另外，在季节和天气上，垂直绿化对周围空气的降温增湿能力在夏季显著高于秋季和冬季，在秋季垂直绿化对周围空气降温的最大值仅为夏季的一半，并且晴天显著高于阴天和雨天。这是由于夏季太阳辐射的强度高于秋季，晴天的太阳辐射明显多于阴天和雨天，而垂直绿化墙面接收到的太阳辐射越多，就越能消耗更多的热能从而实现更大的温度降幅。

5 研究展望

目前城市人居环境正朝着高密度、垂直化发展，垂直绿化对城市微气候的影响研究是绿色建筑、生态城市和风景园林等领域关注的重点。现今，国内外学者对垂直绿化的研究热点已从对建筑环境的改善转向更为宏观的街区尺度甚至城市尺度，关于垂直绿化对城市微气候影响的研究也取得了一定的进展。在未来关于垂直绿化的研究可以从以下几个方面进一步探索：

1）量化垂直绿化不同微气候影响机制对城市环境降温的作用。已有大量研究表明，垂直绿化能降低建筑表面温度和室内外空气温度。垂直绿化对周围环境的降温效果受多种机制共同影响，但是目前仅有少量文献量化了垂直绿化的遮阳作用、蒸散作用和保温隔热作用对建筑围护结构的降温效应[26]，因此未来需要深入量化垂直绿化的微气候影响机制对城市环境降温的作用，明确多种影响机制的动态变化。

2）研究不同垂直绿化配置在城市街区的应用潜力。垂直绿化具有巨大的发展潜力，但是研究垂直绿化如何有效提高城市内外环境的舒适性仍然是亟待发展的课题。所以未来需要进一步深化不同垂直绿化类型和气候类型对垂直绿化植被层生长影响的研究，量化不同朝向、绿化率和建筑高宽比的垂直绿化对城市微气候的影响，用于指导垂直绿化系统在城市规划设计上定量参数指标的设定。

3）开展对垂直绿化生态服务功能的长期评估。垂直绿化的建设成本较高，且已有的大量研究仅是短期测量垂直绿化对建筑环境和城市环境的热影响，尚缺乏对垂直绿化生态效益的长期评估。因此，降低垂直绿化的建造成本、延长使用周期，以及对垂直绿化的生态效益进行长期监测，是推广垂直绿化实现其生态价值的必要条件。

4）促进多学科合作，关注垂直绿化缓解使用者情绪的效果。垂直绿化作为一个多学科交叉的研究课题，在未来需要生态学家、植物学家、建筑设计师、园林设计师、城市规划师进行跨学科合作，以探究寻求更好地发挥其生态景观效益。此外，在建筑环境中，垂直绿化占地面积小，易于亲近，改善人体健康的潜力极大。探索垂直绿化对人体健康的改善作用，促进传统建筑向健康建筑变革，有待全社会共同关注和智慧贡献。

第一作者：罗霜，女，湖南娄底人，硕士研究生，现主要从事垂直绿化热环境影响的研究工作。E-mail: ls@stu.scau.edu.cn。

通信作者：潘澜，女，广西桂林人，博士，讲师，现主要从事立体绿化生态效益研究等研究工作。E-mail: panlan@scau.edu.cn。

来源：中国林业科学研究院林业科技信息研究所《世界林业研究》2023年第2期

林业知识服务专题　2023年第28期https://mp.weixin.qq.com/s/f5ylDhKcAMnO8gdIforJYw