種植屋面的能耗模擬分析
——以長沙某辦公建筑模型為例

魏格連，王志勇Wei Gelian,Wang Zhiyong

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南株洲 412007）

1 研究背景

近年來，建筑能耗的不斷增加，對現有的基礎設施、城市環境和能源安全造成了壓力[1-2]。為了緩解這一局面，各國政府開始大力發展綠色基礎節能設施，如種植屋面。與傳統屋頂相比，種植屋面具有緩解城市熱島效應、降低建筑能耗的作用，但它造價更高，且需要額外的維護（費用多少多取決于植被類型和灌溉需求）[3]。種植屋面通常由以下結構組成：植被層、基質層、濾布、排水層、阻根層、隔熱層[4-6]。大量研究表明，植物葉面積指數、基質層厚度和含濕量等參數決定了屋面的熱容以及向建筑物的熱傳導系數，與節能效果密切相關[7-8]。而這些參數很大程度上受當地氣候條件、建筑屋面保溫的影響[9-10]。因此，本文選取植物葉面積指數、基質層厚度、保溫層厚度這三個熱工參數，針對夏熱冬冷氣候下的某一辦公建筑，采用Energy Plus能耗模擬軟件建立簡化的種植屋面模型，探討種植屋面熱工參數對能耗的影響，尋求在該氣候下種植屋面熱工參數的優化配置方案。

2 方案設定

2.1 建筑模型

對某一棟單層辦公建筑建模，如圖1所示。建筑平面尺寸為8m×6m，樓層高度為3.8m，窗墻比為0.37，屋頂為平屋頂，建筑各圍護結構熱工性能系數見表1。

表1 圍護結構主要熱工性能參數

圖1 利用SketchUp建立的建筑模型

2.2 模擬方法

地點選取長沙市，地理數據（經度、緯度、時區、海拔）由Energy Plus自帶的數據庫提供，氣象數據使用由CSWD提供的典型氣象年逐時數據，各月份的干球溫度、太陽輻射、相對濕度如圖2所示。葉面積指數通常在0.5～5.0范圍內，本次模擬設置的葉面積指 數 為1.5、2.5、3.5；設 置 的 基 質 層 厚 度 為100mm、200mm、300mm；模擬選取擠塑聚苯板作為屋面保溫材料，厚度取0mm、10mm、20mm、30mm。

圖2 長沙的主要氣象參數

3 模擬結果

3.1 傳統屋面模擬結果

采用不同保溫材料的傳統屋面能耗模擬結果如表2所示。從表2可以看出，雖然長沙地區辦公建筑冬季供熱能耗小于夏季供冷能耗，但供熱能耗也不容忽視，約占全年能耗的33%。在基礎原始建筑增加10mm屋面保溫材料后，建筑的供冷、供熱能耗均降低，相比無保溫的傳統屋面能耗，供熱能耗從每年28.5kW·h/m2降低至16.64kW·h/m2，降幅為41.6%，供冷能耗從每年47.21kW·h/m2降低至38.1kW·h/m2，降幅為19.3%。但隨著保溫層厚度不斷增加，能耗降低速率逐漸變緩，這是因為原始建筑屋面保溫厚度增加，屋面的傳熱系數降低的幅度越來越小。

表2 不同保溫材料的傳統屋面能耗模擬結果

3.2 種植屋面最優配置

長沙某辦公建筑的種植屋面能耗模擬結果如表34所示。對比表2和表3可以得出，與傳統屋面相比，種植屋面的供熱能耗、供冷能耗、全年能耗三者都大幅度降低，增設種植屋面能夠減小建筑能耗，有利于節能。通過對種植屋面的能耗進行分析，可以得出夏熱冬冷氣候區供熱能耗最小的組合為：葉面積指數=1.5、基質層厚度=300mm、保溫層厚度=30mm，其供熱能耗為13.87（kW·h）/（m2·年），節能率為51.3%。種植屋面供冷能耗最小的組合為：葉面積指數=3.5、基質層厚度=100mm、保溫層厚度=30mm，其供冷能耗為35.91（kW·h）/（m2·年），節能率為23.9%。種植屋面全年能耗最小的組合為：葉面積指數=3.5、基質層厚度=300mm、保溫層厚度=30mm，全年能耗為49.92（kW·h）/（m2·年），節能率為34.0%。

表3 種植屋面能耗模擬結果

3.2.1 變葉面積指數能耗分析

圖3所示為長沙辦公建筑在基質層厚度為300mm、保溫層為30mm擠塑聚苯板時，葉面積指數的變化對能耗的影響規律。隨著葉面積指數的增加，供熱能耗不斷增加，在葉面積指數為3.5時，供熱能耗最大為13.96（kW·h）/（m2·年）。供冷能耗隨葉面積指數的增加而不斷減小，在葉面積指數=3.5時最小。全年能耗與葉面積指數大小呈正比例關系，當葉面積指數=3.5時，節能率為34%，節能率最高。

圖3 在基質層厚度=300mm、保溫層厚度=30mm條件下能耗與葉面積指數的關系

3.2.2 變基質層厚度能耗分析

圖4所示為長沙辦公建筑在葉面積指數=1.5和3.5、保溫層厚度=30mm條件下，基質層厚度與供熱能耗、供冷能耗之間的關系。在葉面積指數=1.5時，隨著基質層厚度的增加，夏熱冬冷氣候區的供熱能耗、供冷能耗、全年能耗都不斷減小，在基質層厚度=300mm時，三種能耗皆為最小值。在葉面積指數=2.5及3.5時，保溫層厚度超過10mm后，供冷能耗隨基質層厚度的增加先增大后減小，供熱能耗隨基質層厚度的增加而減小，總節能率隨著基質層厚度的增加不斷增大。這是因為相較于供冷能耗的增加幅度，供熱能耗的降低幅度更大。

圖4 在葉面積指數=2.5、3.5，保溫層厚度=30mm條件下能耗與基質層厚度的關系

3.2.3 保溫層厚度對種植屋面能耗的影響

圖5為種植屋面的供熱能耗、供冷能耗、節能率在在葉面積指數=3.5、基質層厚度=300mm條件下，隨保溫層厚度變化的情況。不難看出，增設保溫層可以提高種植屋面的熱性能，隨著保溫層厚度的不斷增加，供熱能耗和供冷能耗都不斷減小，并且節能率也在保溫層為30mm擠塑聚苯板時最大，此時節能率為34%。

圖5 在葉面積指數=3.5、基質層厚度=300mm條件下能耗與保溫層厚度的關系

4 結論

針對夏熱冬冷氣候區種植屋面的節能特性，利用Energy Plus軟件對長沙某建筑模型進行全年能耗模擬，研究植物葉面積指數、基質層厚度、建筑屋面保溫3個熱工參數對種植屋面能耗的影響，在所給定的取值范圍內，得出以下結論：

（1）在屋面中增加保溫材料后，供熱供冷能耗均降低，特別是當屋面增設10mm擠塑聚苯板時，能耗下降較為迅速，但隨著保溫層厚度增加至20～30mm時，能耗降低速率變緩。與保溫屋面相比，種植屋面的供熱能耗、供冷能耗更小；

（2）種植屋面的供熱能耗與植物的葉面積指數大小呈正比例關系，與基質層厚度和保溫層厚度呈反比例關系。種植屋面的供冷能耗與植物的葉面積指數大小、保溫層厚度呈反比例關系，與基質層厚度不呈比例；

（3）全年能耗隨葉面積指數、基質層厚度、保溫層厚度的增加不斷減小。所以，葉面積指數最大（3.5）、基質層最厚（300mm）、保溫層最厚（30mm）時，種植屋面配置最優，全年能耗最低為49.92（kW·h）/（m2·年），節能率最大為34.0%。