種植屋面在中國4種典型氣候區的能耗模擬研究

魏格連，王志勇，王玉蝶，宋子涵

(湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007)

近年來，我國由于城市化的快速發展，大量植物被混凝土建筑所覆蓋，加劇了城市熱島效應，導致暖通空調能耗大幅上升.為了改善城市周圍環境，減輕城市化的負面影響，研究者們提出了屋面綠化、冷屋面、蓄水屋面、綠化墻等對策.種植屋面又稱綠化屋面、生態屋面和屋頂花園，指在建筑的屋面上種植不同類型的植物[1].它的主要優點是抑制和延緩熱量進入室內，提供天然的遮陽以抵御陽光直射，降低屋頂內外表面溫度以及建筑室內的空氣溫度，從而達到減少空調能耗、改善室內熱舒適性、減輕城市熱島效應的目的.除此之外，種植屋面還有很多優勢，如保護屋面免受高溫影響和延長屋面耐久性[2]；滯留雨水、改變徑流峰值和凈化雨水中部分污染物[3]；減少棲息地喪失、增加城市植物和動物的多樣性[4]；提高城市美觀[5]等.

種植屋面一般由植物、土壤、過濾材料、排水材料、隔熱材料、阻根材料和防水膜組成[6].其中，土壤和屋面隔熱的變化，會改變屋面的熱阻，從而對種植屋面的熱工性能產生影響.He等[7]指出土壤厚度與供冷能耗之間存在復雜的線性關系.Vivian等[8]研究發現土壤較厚有利于植物蒸發，從而提高屋面熱性能.Jim 等[9]的研究表明種植屋面在晴天吸收太陽輻射并儲存到土壤中，夜間通過對流消散熱量，同時還指出薄的土壤層就足以防止熱量滲透到建筑中.無論哪種類型的屋頂，屋頂隔熱都很重要，都有助于減少建筑的供冷供熱能耗.若將常規商業絕緣材料加倍基本上可將能耗減半[10]，但Antonio 等[11]指出，過度熱絕緣會使種植屋面的冷卻節能性能惡化，造成資源浪費.

種植屋面的性能在很大程度上取決于氣候，太陽強輻射和高氣溫有助于維持較大的蒸發速率，從而增強種植屋面的降溫效果.He 等[12]就此提出了保溫系數(反映保溫效果)和綜合調溫系數(反映被動冷卻效果)，且保溫系數全年變化不大，而綜合調溫系數在不同季節變化較大.研究結果表明，太陽輻射越強、相對濕度越低，蒸散效應越強，綜合調溫系數越大.Peng 等[13]通過多元回歸分析發現，背景天氣參數(太陽輻射、環境溫度、相對濕度、風速和土壤水分)是影響種植屋面熱性能的季節變化性和晝夜性變化的主要因素，其中環境溫度和相對濕度是影響最大的2 個因素；太陽輻射對日間熱效應有顯著影響；風速則對夜間熱效應更為顯著.

種植屋面的隔熱和被動冷卻效果決定了種植屋面的整體熱工性能.本文以中國4 種不同氣候區(嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區)進行研究，采用EnergyPlus 模擬種植屋面全年能耗，探討屋面保溫構造和土壤厚度的變化對建筑能耗和種植屋面節能效益的影響規律.

1 研究方法

1.1 模擬軟件說明

EnergyPlus 模擬軟件自帶的種植屋面模型是由Sailor[14]開發的一維EcoRoof 模型.它遵循了Frankenstein 和Koenig 為美國陸軍工程兵團開發的“快速全季土壤強度”(FASST)模型中的能量平衡分析[15].

種植屋面的能量主要由植被層的對流顯熱、蒸發潛熱以及土壤層的對流顯熱、蒸發潛熱和熱傳導5 部分與入射的太陽輻射之間保持平衡[14].能量平衡過程見圖1[16].

圖1 種植屋面的能量平衡

土壤層的能量平衡主要受土壤熱性能、植被覆蓋率和土壤含水量的影響.它包括土壤吸收短波太陽輻射、土壤與天空之間的長波輻射交換、顯熱換熱、潛熱換熱和導熱.土壤層凈熱流密度公式見式(1)和式(2)，土壤層顯熱流密度公式見式(3)，土壤層潛熱流密度公式見式(4).

其中，Fg為土壤層凈熱流密度，W/m2；σf為植物的覆蓋度；Is↓為短波總輻射，W/m2；αg為土壤面短波的反射率；εg為土壤的發射率；Iir↓為傳入的長波總輻射；εf為樹冠發射率；σ 為斯蒂芬-波爾茲曼常數，取5.67×10-8W/(m2·g·K4)；Tg為土壤層表面溫度，K；Tf為葉面溫度，K；z為植被高度，m.

其中，Hg為土壤層顯熱流密度，W /m2；Cp,a為氣體定壓比熱；Chg為土壤層顯熱通量體積傳熱系數；Waf為冠層風速，m/s；Taf為冠層氣溫，K；ρag為土壤表面附近空氣密度，kg/m3.

其中，Lg為土壤層潛熱流密度，W /m2；Ce,g為土壤層潛熱通量的體積傳熱系數；lg為土壤層氣化潛熱，J/kg；qaf為冠層空氣混合比例；qg為土壤面混合比.

1.2 建筑模型

模型采用1 棟單層辦公建筑.其建筑圍護結構由外墻、平屋面、外窗和地面組成，平面尺寸為8 m×6 m，樓層高為2.7 m，窗墻比為0.37.模型見圖2.

圖2 長春不同屋面構造中安裝種植屋面的能耗模擬

圖2 建筑模型

傳統屋面構造有4 種方案，具體參數見表1.EnergyPlus中種植屋面模塊由16個參數定義，包括土壤厚度、植物高度、葉面積指數、葉片發射率、導熱率、土壤密度等.在《種植屋面工程技術規程》[17]中規定土壤厚度不宜小于100 mm，并考慮到屋面荷載，種植土壤厚度不宜過大，因此模擬選取的土壤厚度為100，150，200 和300 mm.其他種植屋面模塊參數見表2.

表1 4 種傳統屋面結構熱工性能參數

表2 種植屋面基本參數

1.3 氣象數據

選取長春、北京、長沙和廣州4 個城市分別作為嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區的典型代表城市[18]，并根據CSWD 提供的典型氣象年逐時數據用于全年能耗模擬.數據包括環境空氣溫度和濕度、大氣層外直射輻射、天空水平紅外輻射、太陽直射輻射、太陽散射輻射、風向和風速等參數.表3 為4 個城市的干球溫度、相對濕度和太陽輻射情況.

表3 4 個城市的主要氣象參數

1.4 室內計算參數及熱擾設定

在辦公時段(7:00～18:00)加熱和冷卻溫度設定為20 和26 ℃，非辦公時段為5 和37 ℃.照明功率密度9 W/m2，電器設備功率15 W/m2，人員密度0.1 人/m2，人均新風量30 m3/(h·人)，新風在辦公時段運行，其他時間關閉.照明開關時間、房間人員逐時在室率和電氣設備逐時使用率按GB 50189—2015[8]設定.

2 結果與討論

2.1 長春模擬結果

圖2 呈現了長春5 類種植屋面和4 類傳統屋面組合的建筑供冷供熱能耗.模擬得出，當土壤厚度=0.1 m，傳統屋面無保溫構造時，長春的供冷能耗最小，其值為20.48 kWh/(m2·a)，此時的節能率最大，為14.45%；當土壤厚度=0.3 m，且傳統屋面構造為方案4 時其供熱能耗最小，其值為109.07 kWh/(m2·a)；當土壤厚度=0.3 m，且傳統屋面無保溫構造時，其節能率最大為28.26%.由此可知，種植屋面對冬季供熱能耗的影響更為顯著，冬季種植屋面的節能率差不多是夏季的2 倍.

分析不同土壤厚度種植屋面的能耗模擬結果發現，當土壤厚度=0.1 m 時，供冷能耗降幅最大；當土壤厚度＞0.1 m 時，供冷能耗隨著土壤厚度的增加而增加.這是由于長春夏季天氣涼爽，最高月平均空氣溫度不超過23 ℃，而種植屋面土壤越厚其保溫能力越強，房間內的熱量不易散出.種植屋面的熱工性能分為保溫性能和被動冷卻性能2 部分.當土壤厚度＞0.1 m 時，種植屋面的保溫效果大于自身的被動冷卻效果，導致長春夏季的冷負荷不減反增.對于供熱能耗，其值隨著土壤厚度的增加而不斷減小.在保溫性能越好的傳統屋面上，種植屋面對冷熱負荷的影響越小，節能率越小.當傳統屋面構造為方案3，土壤厚度=0.3 m 時，供冷能耗為23.3 kWh/(m2·a)，節能率為-1.17%，大于無種植屋面的供冷能耗 23.03 kWh/(m2·a).

2.2 北京模擬結果

由圖3 可知，冷卻效果最佳的情況為土壤厚度=0.1 m 且傳統屋面無保溫構造，此時供冷能耗為37.68 kWh/(m2·a)，節能率為15.23%；保溫效果最佳的情況為土壤厚度=0.3 m，且傳統屋面構造為方案4 時，供熱能耗為41.65 kWh/(m2·a)；當土壤厚度=0.3 m，且傳統屋面無保溫構造時，節能率最大，其值為33.99%.

圖3 北京不同屋面構造中安裝種植屋面的能耗模擬

通過對比有無種植屋面的冷熱負荷圖形可知，使用種植屋面能夠減少房間內部的冷熱負荷.北京冷熱荷變化趨勢與長春一致，同樣是供冷能耗隨著土壤厚度的增加先減少后增加.這是由于土壤厚度＞0.1 m 后，夏季種植屋面在白天的隔熱冷卻效果，抵消不了它在晚上由于散熱不佳所造成的能耗上升.與長春相比，北京夏季天氣更加炎熱，種植屋面的隔熱冷卻效果有所加強.因此，不同土壤厚度的種植屋面節能率差別較小.北京冬季，土壤越厚，種植屋面的保溫性能越好，供熱能耗隨著土壤厚度的增加而不斷減小.

屋面保溫措施會抑制種植屋面對供冷能耗、供熱能耗的影響.隨著保溫材料厚度的不斷增加，不同土壤厚度的種植屋面其節能率均不斷減小，且節能率之間的差距也不斷縮小.在夏季，無論是保溫好或保溫差的建筑，種植屋面土壤厚度越小越有利于節能；在冬季，種植土壤越厚，則屋面保溫越好，供熱能耗越小.

2.3 長沙模擬結果

長沙種植屋面對建筑冷熱負荷的影響如圖4所示.由圖4 可知，當土壤厚度=0.1 m，傳統屋面構造為方案4 時，供冷能耗最小，其值為35.91 kWh/(m2·a)；當土壤厚度=0.15 m，且傳統屋面無保溫構造時，節能率最大，其值為21.8%；供熱能耗在土壤厚度=0.3 m，傳統屋面構造為方案4時最小，其值為13.95 kWh/(m2·a)；當土壤厚度=0.3 m，且傳統屋面無保溫構造時，節能率最大，其值為45.58%.

圖4 長沙不同屋面構造中安裝種植屋面的能耗模擬

在供冷季節，不同土壤厚度的種植屋面之間的供冷能耗差異很小.在方案1 的無保溫屋面構造中安裝種植屋面，室內冷負荷隨著種植土壤厚度的增加，先稍有下降隨后上升；在其他有保溫屋面構造的方案中安裝種植屋面，種植土壤厚度增加使冷負荷增加.在供暖季節，室內熱負荷隨著種植土壤厚度的增加而減小，節能率隨土壤厚度的增加而增加.由此可知，長沙種植屋面在冬季的節能率遠大于在夏季的節能率.這是因為屋面隔熱縮小了不同土壤厚度種植屋面的熱性能差異，當傳統屋面的保溫材料厚度超過10 mm 時，4 種土壤厚度的種植屋面在夏季的供冷能耗相差不大，其節能率曲線基本重合.在冬季，隨著傳統屋面的保溫材料增加，減少了長沙的供熱能耗，降低了種植屋面的節能率.

2.4 廣州模擬結果

圖5 廣州不同屋面構造中安裝種植屋面的能耗模擬

0.71 kWh/(m2·a).無論是夏季或冬季，在土壤厚度=0.3 m，傳統屋面無保溫構造時，種植屋面的節能率均為最大，分別為27.68%和64.22%.在長春、北京、長沙和廣州4 個城市中，廣州是唯一一個供冷能耗隨種植屋面土壤厚度增加而減小、夏季節能率隨土壤厚度增加而增加的城市.這是由于廣州夏季天氣炎熱，接受太陽輻射較多，種植屋面土壤越厚，越有利于隔絕室外熱流侵擾，種植屋面的被動冷卻效果大于其保溫效果，有效降低了室內冷負荷.另外，廣州地處熱帶，冬季氣候溫和，對供暖的需求不高，與供冷能耗相比可以忽略不計.對比方案1 中有無種植屋面的供熱能耗模擬結果，種植屋面使供熱能耗降低一半以上，且種植土壤越厚，供熱能耗越少.高隔熱可以減少冬季能源需求，但會在夏季產生過熱現象，降低室內的熱舒適性.

2.5 種植屋面全年累計負荷模擬結果分析

4 地全年能耗最小的情況均為土壤厚度=0.3 m，傳統屋面構造為方案4(30 mm 擠塑聚苯板)時.全年能耗長春為132.22 kWh/(m2·a)，北京為80.24 kWh/(m2·a)，長沙為49.91 kWh/(m2·a)，廣州為46.39 kWh/(m2·a)；節能率最大的情況均為土壤厚度=0.3 m，且傳統屋面無保溫構造時，節能率長春為25.41%，北京為25.47%，長沙為30.74%，廣州為28.86%.

圖6 所示為長春、北京、長沙和廣州4 地種植屋面節能率隨土壤厚度和屋面隔熱2 個參數變化的情況.由圖6 可知，土壤厚度的提高有利于種植屋面的節能效果，屋面隔熱卻會降低種植屋面的節能率.通過比較土壤厚度對種植屋面節能率的影響，4 個城市種植屋面的全年能耗節能率均隨土壤厚度的增大而減小，且在土壤厚度=0.3 m 時節能率最大，其中只有廣州節能率隨土壤厚度的增加變化趨勢不明顯.種植屋面的節能率在整體上從高到低依次表現為長沙＞廣州＞北京＞長春，只有在種植土壤厚度≤0.1 m 時，才會出現廣州種植屋面節能率＞長沙種植屋面節能率的情況，這說明種植屋面更適合以降溫為主的夏熱冬冷地區或夏熱冬暖地區，其節能效果更顯著.

圖6 4 地種植屋面節能率隨不同參數的變化

對比不同屋面構造中種植屋面節能率變化曲線可知，在方案1 傳統屋面無保溫構造中，種植屋面的節能率最大，且隨著傳統屋面保溫材料的增加，種植屋面對節能率的影響逐漸降低.這是由于保溫層的存在，提高了屋面的熱阻，縮小了種植屋面不同結構參數之間的熱性能差異，降低了種植土壤對建筑能耗的影響.因此，種植屋面在無保溫或保溫較差的建筑中能更好地發揮其節能優勢.

3 結論

1)證實了種植屋面在減少供冷能耗和供熱能耗方面的有效性.4 個地區的供熱能耗都與種植土壤厚度成反比例關系，即土壤越厚，4 個城市的供熱能耗越小.在長春和北京，土壤厚度=0.1 m 時的供冷能耗最小，土壤厚度＞0.1 m 之后，供冷能耗隨土壤厚度的增加而增加；在長沙，供冷能耗隨土壤厚度的增加先降低后增加；在4 個城市中，只有廣州的供冷能耗隨土壤厚度的增加而不斷減小.

2)在節能方面，4 個地區種植屋面在冬季的節能率都遠遠大于夏季的節能率.長沙種植屋面的全年節能效果最佳；其次為廣州；以冬季供暖需求為主的北京和長春，其種植屋面的節能率最差.由此可知，種植屋面在以降溫為主的夏熱冬冷地區或夏熱冬暖地區的節能優勢更加顯著.

3)在4 個氣候區中，在裸露屋面加厚10 mm擠塑聚苯板可以大大地改善屋面熱性能，降低建筑供熱供冷能耗，但進一步增加隔熱材料不會對供冷能耗產生顯著的影響.對于種植屋面，隔熱層會限制其熱性能，種植屋面在沒有隔熱的裸露屋頂中節能效果最佳.隨著隔熱材料的增加，種植屋面的節能效果不斷降低，且不同土壤厚度之間的熱性能差異不斷縮小.由此，建議在沒有隔熱或隔熱效果差的建筑中安裝種植屋面.

綜上，考慮到節約資源，粗放型種植屋面和適度隔熱屋面的組合是經濟、節能、高效的最佳組合方式.但由于種植屋面的熱性能還取決于其他許多變量，因此，在選定屋面構造方案時，需要進行深入分析并考慮到其他問題，如雨水管理、成本及舒適度的影響等.