魏格連，王志勇，王玉蝶，宋子涵

(湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

近年來，我國由于城市化的快速發(fā)展，大量植物被混凝土建筑所覆蓋，加劇了城市熱島效應(yīng)，導(dǎo)致暖通空調(diào)能耗大幅上升.為了改善城市周圍環(huán)境，減輕城市化的負(fù)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(duì)策.種植屋面又稱綠化屋面、生態(tài)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(yōu)點(diǎn)是抑制和延緩熱量進(jìn)入室內(nèi)，提供天然的遮陽以抵御陽光直射，降低屋頂內(nèi)外表面溫度以及建筑室內(nèi)的空氣溫度，從而達(dá)到減少空調(diào)能耗、改善室內(nèi)熱舒適性、減輕城市熱島效應(yīng)的目的.除此之外，種植屋面還有很多優(yōu)勢(shì)，如保護(hù)屋面免受高溫影響和延長(zhǎng)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(dòng)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(huì)改變屋面的熱阻，從而對(duì)種植屋面的熱工性能產(chǎn)生影響.He等[7]指出土壤厚度與供冷能耗之間存在復(fù)雜的線性關(guān)系.Vivian等[8]研究發(fā)現(xiàn)土壤較厚有利于植物蒸發(fā)，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(chǔ)存到土壤中，夜間通過對(duì)流消散熱量，同時(shí)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(guī)商業(yè)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(huì)使種植屋面的冷卻節(jié)能性能惡化，造成資源浪費(fèi).

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

種植屋面的隔熱和被動(dòng)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(qū)(嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū))進(jìn)行研究，采用EnergyPlus 模擬種植屋面全年能耗，探討屋面保溫構(gòu)造和土壤厚度的變化對(duì)建筑能耗和種植屋面節(jié)能效益的影響規(guī)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(fā)的一維EcoRoof 模型.它遵循了Frankenstein 和Koenig 為美國陸軍工程兵團(tuán)開發(fā)的“快速全季土壤強(qiáng)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(duì)流顯熱、蒸發(fā)潛熱以及土壤層的對(duì)流顯熱、蒸發(fā)潛熱和熱傳導(dǎo)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(zhǎng)波輻射交換、顯熱換熱、潛熱換熱和導(dǎo)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，F(xiàn)g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(fā)射率；Iir↓為傳入的長(zhǎng)波總輻射；εf為樹冠發(fā)射率；σ 為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，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(shù)；Waf為冠層風(fēng)速，m/s；Taf為冠層氣溫，K；ρa(bǔ)g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(shù)；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(hù)結(jié)構(gòu)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(zhǎng)春不同屋面構(gòu)造中安裝種植屋面的能耗模擬

圖2 建筑模型

傳統(tǒng)屋面構(gòu)造有4 種方案，具體參數(shù)見表1.EnergyPlus中種植屋面模塊由16個(gè)參數(shù)定義，包括土壤厚度、植物高度、葉面積指數(shù)、葉片發(fā)射率、導(dǎo)熱率、土壤密度等.在《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》[17]中規(guī)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(shù)見表2.

表1 4 種傳統(tǒng)屋面結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)

表2 種植屋面基本參數(shù)

1.3 氣象數(shù)據(jù)

選取長(zhǎng)春、北京、長(zhǎng)沙和廣州4 個(gè)城市分別作為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的典型代表城市[18]，并根據(jù)CSWD 提供的典型氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)用于全年能耗模擬.數(shù)據(jù)包括環(huán)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(fēng)向和風(fēng)速等參數(shù).表3 為4 個(gè)城市的干球溫度、相對(duì)濕度和太陽輻射情況.

表3 4 個(gè)城市的主要?dú)庀髤?shù)

1.4 室內(nèi)計(jì)算參數(shù)及熱擾設(shè)定

在辦公時(shí)段(7:00～18:00)加熱和冷卻溫度設(shè)定為20 和26 ℃，非辦公時(shí)段為5 和37 ℃.照明功率密度9 W/m2，電器設(shè)備功率15 W/m2，人員密度0.1 人/m2，人均新風(fēng)量30 m3/(h·人)，新風(fēng)在辦公時(shí)段運(yùn)行，其他時(shí)間關(guān)閉.照明開關(guān)時(shí)間、房間人員逐時(shí)在室率和電氣設(shè)備逐時(shí)使用率按GB 50189—2015[8]設(shè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 長(zhǎng)春模擬結(jié)果

圖2 呈現(xiàn)了長(zhǎng)春5 類種植屋面和4 類傳統(tǒng)屋面組合的建筑供冷供熱能耗.模擬得出，當(dāng)土壤厚度=0.1 m，傳統(tǒng)屋面無保溫構(gòu)造時(shí)，長(zhǎng)春的供冷能耗最小，其值為20.48 kWh/(m2·a)，此時(shí)的節(jié)能率最大，為14.45%；當(dāng)土壤厚度=0.3 m，且傳統(tǒng)屋面構(gòu)造為方案4 時(shí)其供熱能耗最小，其值為109.07 kWh/(m2·a)；當(dāng)土壤厚度=0.3 m，且傳統(tǒng)屋面無保溫構(gòu)造時(shí)，其節(jié)能率最大為28.26%.由此可知，種植屋面對(duì)冬季供熱能耗的影響更為顯著，冬季種植屋面的節(jié)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤厚度=0.1 m 時(shí)，供冷能耗降幅最大；當(dāng)土壤厚度＞0.1 m 時(shí)，供冷能耗隨著土壤厚度的增加而增加.這是由于長(zhǎng)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(qiáng)，房間內(nèi)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(dòng)冷卻性能2 部分.當(dāng)土壤厚度＞0.1 m 時(shí)，種植屋面的保溫效果大于自身的被動(dòng)冷卻效果，導(dǎo)致長(zhǎng)春夏季的冷負(fù)荷不減反增.對(duì)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(tǒng)屋面上，種植屋面對(duì)冷熱負(fù)荷的影響越小，節(jié)能率越小.當(dāng)傳統(tǒng)屋面構(gòu)造為方案3，土壤厚度=0.3 m 時(shí)，供冷能耗為23.3 kWh/(m2·a)，節(jié)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(jié)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(tǒng)屋面無保溫構(gòu)造，此時(shí)供冷能耗為37.68 kWh/(m2·a)，節(jié)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(tǒng)屋面構(gòu)造為方案4 時(shí)，供熱能耗為41.65 kWh/(m2·a)；當(dāng)土壤厚度=0.3 m，且傳統(tǒng)屋面無保溫構(gòu)造時(shí)，節(jié)能率最大，其值為33.99%.

圖3 北京不同屋面構(gòu)造中安裝種植屋面的能耗模擬

通過對(duì)比有無種植屋面的冷熱負(fù)荷圖形可知，使用種植屋面能夠減少房間內(nèi)部的冷熱負(fù)荷.北京冷熱荷變化趨勢(shì)與長(zhǎng)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(zhǎng)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(qiáng).因此，不同土壤厚度的種植屋面節(jié)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(huì)抑制種植屋面對(duì)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(jié)能率均不斷減小，且節(jié)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(jié)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(zhǎng)沙模擬結(jié)果

長(zhǎng)沙種植屋面對(duì)建筑冷熱負(fù)荷的影響如圖4所示.由圖4 可知，當(dāng)土壤厚度=0.1 m，傳統(tǒng)屋面構(gòu)造為方案4 時(shí)，供冷能耗最小，其值為35.91 kWh/(m2·a)；當(dāng)土壤厚度=0.15 m，且傳統(tǒng)屋面無保溫構(gòu)造時(shí)，節(jié)能率最大，其值為21.8%；供熱能耗在土壤厚度=0.3 m，傳統(tǒng)屋面構(gòu)造為方案4時(shí)最小，其值為13.95 kWh/(m2·a)；當(dāng)土壤厚度=0.3 m，且傳統(tǒng)屋面無保溫構(gòu)造時(shí)，節(jié)能率最大，其值為45.58%.

圖4 長(zhǎng)沙不同屋面構(gòu)造中安裝種植屋面的能耗模擬

在供冷季節(jié)，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(gòu)造中安裝種植屋面，室內(nèi)冷負(fù)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(gòu)造的方案中安裝種植屋面，種植土壤厚度增加使冷負(fù)荷增加.在供暖季節(jié)，室內(nèi)熱負(fù)荷隨著種植土壤厚度的增加而減小，節(jié)能率隨土壤厚度的增加而增加.由此可知，長(zhǎng)沙種植屋面在冬季的節(jié)能率遠(yuǎn)大于在夏季的節(jié)能率.這是因?yàn)槲菝娓魺峥s小了不同土壤厚度種植屋面的熱性能差異，當(dāng)傳統(tǒng)屋面的保溫材料厚度超過10 mm 時(shí)，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(jié)能率曲線基本重合.在冬季，隨著傳統(tǒng)屋面的保溫材料增加，減少了長(zhǎng)沙的供熱能耗，降低了種植屋面的節(jié)能率.

2.4 廣州模擬結(jié)果

圖5 廣州不同屋面構(gòu)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(tǒng)屋面無保溫構(gòu)造時(shí)，種植屋面的節(jié)能率均為最大，分別為27.68%和64.22%.在長(zhǎng)春、北京、長(zhǎng)沙和廣州4 個(gè)城市中，廣州是唯一一個(gè)供冷能耗隨種植屋面土壤厚度增加而減小、夏季節(jié)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?jǐn)_，種植屋面的被動(dòng)冷卻效果大于其保溫效果，有效降低了室內(nèi)冷負(fù)荷.另外，廣州地處熱帶，冬季氣候溫和，對(duì)供暖的需求不高，與供冷能耗相比可以忽略不計(jì).對(duì)比方案1 中有無種植屋面的供熱能耗模擬結(jié)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(huì)在夏季產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，降低室內(nèi)的熱舒適性.

2.5 種植屋面全年累計(jì)負(fù)荷模擬結(jié)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(tǒng)屋面構(gòu)造為方案4(30 mm 擠塑聚苯板)時(shí).全年能耗長(zhǎng)春為132.22 kWh/(m2·a)，北京為80.24 kWh/(m2·a)，長(zhǎng)沙為49.91 kWh/(m2·a)，廣州為46.39 kWh/(m2·a)；節(jié)能率最大的情況均為土壤厚度=0.3 m，且傳統(tǒng)屋面無保溫構(gòu)造時(shí)，節(jié)能率長(zhǎng)春為25.41%，北京為25.47%，長(zhǎng)沙為30.74%，廣州為28.86%.

圖6 所示為長(zhǎng)春、北京、長(zhǎng)沙和廣州4 地種植屋面節(jié)能率隨土壤厚度和屋面隔熱2 個(gè)參數(shù)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(jié)能效果，屋面隔熱卻會(huì)降低種植屋面的節(jié)能率.通過比較土壤厚度對(duì)種植屋面節(jié)能率的影響，4 個(gè)城市種植屋面的全年能耗節(jié)能率均隨土壤厚度的增大而減小，且在土壤厚度=0.3 m 時(shí)節(jié)能率最大，其中只有廣州節(jié)能率隨土壤厚度的增加變化趨勢(shì)不明顯.種植屋面的節(jié)能率在整體上從高到低依次表現(xiàn)為長(zhǎng)沙＞廣州＞北京＞長(zhǎng)春，只有在種植土壤厚度≤0.1 m 時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)廣州種植屋面節(jié)能率＞長(zhǎng)沙種植屋面節(jié)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(qū)或夏熱冬暖地區(qū)，其節(jié)能效果更顯著.

圖6 4 地種植屋面節(jié)能率隨不同參數(shù)的變化

對(duì)比不同屋面構(gòu)造中種植屋面節(jié)能率變化曲線可知，在方案1 傳統(tǒng)屋面無保溫構(gòu)造中，種植屋面的節(jié)能率最大，且隨著傳統(tǒng)屋面保溫材料的增加，種植屋面對(duì)節(jié)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(jié)構(gòu)參數(shù)之間的熱性能差異，降低了種植土壤對(duì)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(fā)揮其節(jié)能優(yōu)勢(shì).

3 結(jié)論

1)證實(shí)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(gè)地區(qū)的供熱能耗都與種植土壤厚度成反比例關(guān)系，即土壤越厚，4 個(gè)城市的供熱能耗越小.在長(zhǎng)春和北京，土壤厚度=0.1 m 時(shí)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(zhǎng)沙，供冷能耗隨土壤厚度的增加先降低后增加；在4 個(gè)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(jié)能方面，4 個(gè)地區(qū)種植屋面在冬季的節(jié)能率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季的節(jié)能率.長(zhǎng)沙種植屋面的全年節(jié)能效果最佳；其次為廣州；以冬季供暖需求為主的北京和長(zhǎng)春，其種植屋面的節(jié)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(qū)或夏熱冬暖地區(qū)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)更加顯著.

3)在4 個(gè)氣候區(qū)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(jìn)一步增加隔熱材料不會(huì)對(duì)供冷能耗產(chǎn)生顯著的影響.對(duì)于種植屋面，隔熱層會(huì)限制其熱性能，種植屋面在沒有隔熱的裸露屋頂中節(jié)能效果最佳.隨著隔熱材料的增加，種植屋面的節(jié)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(jié)約資源，粗放型種植屋面和適度隔熱屋面的組合是經(jīng)濟(jì)、節(jié)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(gòu)造方案時(shí)，需要進(jìn)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.