屋頂綠化對(duì)西安市商業(yè)建筑能耗的影響研究

張梓鈺 閆增峰 張君杰 倪平安

摘要：近年來(lái)，全球氣候變暖問題日益嚴(yán)峻，我國(guó)新建大型商業(yè)建筑等能耗普遍偏高，其中運(yùn)行階段是建筑全壽命周期的重點(diǎn)，有很大的降耗潛力。屋頂綠化作為被動(dòng)式技術(shù)手段，既可以降低建筑運(yùn)行階段能耗，又可以美化和改善環(huán)境，進(jìn)而成為建筑設(shè)計(jì)的積極因素，但目前對(duì)商業(yè)建筑屋頂綠化的研究較少。因此，文章利用能耗模擬軟件DesignBuilder模擬分析了西安市商業(yè)建筑屋頂綠化及其關(guān)鍵參數(shù)（土壤基質(zhì)厚度D和葉面積指數(shù)LAI）對(duì)建筑總能耗、供冷能耗、供暖能耗等方面的影響。結(jié)果表明，西安市商業(yè)建筑總能耗和土壤基質(zhì)厚度呈負(fù)相關(guān)，在研究區(qū)間范圍內(nèi)，建筑總能耗隨著土壤基質(zhì)厚度的增加呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，這是因?yàn)橥寥阑|(zhì)對(duì)建筑夏季和冬季的作用效果不同，故體現(xiàn)在總能耗上呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)。建筑總能耗和葉面積指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，由研究結(jié)果可知，葉面積指數(shù)主要影響夏季供冷作用，與其成反比，對(duì)冬季供暖幾乎沒有影響。文章所提出的屋頂綠化類型最大降低制冷和供暖能耗分別為157.0 MWh和92.0 MWh，分別節(jié)能1.97%和21.17%。當(dāng)D=0.1 m、LAI=5時(shí)，綠化屋頂總能耗值最小，比無(wú)屋頂綠化降低了188.7 MWh，節(jié)能率為0.71%。文章分析在西安市商業(yè)建筑上采用屋頂綠化的節(jié)能效果和影響因素，同時(shí)為西安市公共建筑節(jié)能降耗和屋頂綠化設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：屋頂綠化；西安；商業(yè)建筑；建筑節(jié)能；能耗模擬

中圖分類號(hào)：TU111.195；TU247 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）17-000-04

0 引言

近年來(lái)，新建的大量商業(yè)綜合體、商業(yè)辦公樓等導(dǎo)致公共建筑能耗總量大幅增長(zhǎng)，2020年全國(guó)公共建筑總能耗占建筑總能耗的33%［1］，運(yùn)行階段能源消耗是影響建筑節(jié)能降耗和環(huán)境污染的重要因素。屋頂綠化即綠化建筑屋頂表面，其中葉面積指數(shù)［2］（LAI）和土壤基質(zhì)厚度［3］（D）是屋頂綠化的關(guān)鍵參數(shù)，屋頂綠化關(guān)鍵參數(shù)變化對(duì)建筑具體節(jié)能效果會(huì)產(chǎn)生不同影響。屋頂綠化不僅可以降低建筑能耗，還能提高綠地率、美化周邊環(huán)境，同時(shí)植物自身光合作用具有一定的生態(tài)效益，逐漸受到越來(lái)越多的關(guān)注。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)建筑屋頂綠化已開展多項(xiàng)研究，主要聚焦建筑室內(nèi)溫度、能耗等方面。例如，吉姆、阿亞塔、李以通等［4-8］研究發(fā)現(xiàn)，有屋頂綠化的建筑，其建筑室內(nèi)外表面溫度較室外空氣溫度明顯降低。某兩層超市建筑［9］使用綠化屋頂后總能耗節(jié)省了15.1%。曾超等［10］125-128模擬了在四種氣候區(qū)下屋頂綠化對(duì)辦公建筑年節(jié)能率的影響，結(jié)果顯示，與各個(gè)氣候區(qū)的參照建筑相比，使用屋頂綠化后該辦公建筑全年采暖和空調(diào)總能耗可以降低4.01%～11%。部分學(xué)者還研究了屋頂綠化關(guān)鍵參數(shù)對(duì)建筑節(jié)能降耗的作用。例如，范樂等［11］的研究結(jié)果表明，單體建筑節(jié)能降耗的效果與屋頂綠化中植物的葉面積指數(shù)、覆土厚度和植物高度等參數(shù)相關(guān)。任婧等［12］通過(guò)EnergyPlus軟件模擬的方法分析了屋頂綠化關(guān)鍵參數(shù)對(duì)3個(gè)氣候區(qū)代表城市建筑能耗的影響，結(jié)果表明不同氣候區(qū)采用屋頂綠化對(duì)建筑節(jié)能的影響各異，所有結(jié)果中建筑屋頂綠化在土壤厚度為0.2 m、植被高度為0.1 m、葉面積指數(shù)為5時(shí)為最優(yōu)參數(shù)配置。何楊等［13］的研究表明土壤厚度對(duì)建筑屋頂房間熱環(huán)境的作用在夏季為正相關(guān)，在冬季為非單調(diào)趨勢(shì)，但其沒有界定具體的建筑類型，因此具體建筑類型中的效果不夠明確。曾超等［10］126主要研究辦公建筑，從研究結(jié)果可以看出，隨著葉面積指數(shù)增大，建筑屋頂?shù)孛嬲陉幊潭仍礁撸参锶~片的氣孔阻力越小，此時(shí)葉層潛熱量傳遞越顯著。周立文等［14］利用兩層小型建筑研究屋頂綠化，結(jié)果表明，植物葉面積指數(shù)越高，屋頂綠化對(duì)其建筑周圍室外空氣溫度的降溫效果越好。

綜上所述，不同建筑屋頂綠化關(guān)鍵參數(shù)下得到的建筑能耗影響和規(guī)律差異明顯，同時(shí)目前對(duì)大型商業(yè)建筑屋頂綠化效果研究較少。我國(guó)公共建筑能耗普遍較高，西安商業(yè)建筑中采用屋頂綠化的現(xiàn)狀對(duì)整個(gè)城市環(huán)境的發(fā)展促進(jìn)尚有不足［15-17］。因此，本文使用定量的方法來(lái)研究屋頂綠化及其關(guān)鍵參數(shù)（葉面積指數(shù)和土壤厚度）對(duì)大型商業(yè)建筑的節(jié)能效果影響和規(guī)律，以評(píng)估屋頂綠化在西安商業(yè)建筑中的節(jié)能潛力，為改善公共建筑能源消耗和發(fā)展屋頂綠化提供建議與依據(jù)。

1 研究方法

屋頂綠化具體效果受室外氣象、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造等參數(shù)共同影響，其影響過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，因此，使用軟件進(jìn)行模擬時(shí)要求軟件內(nèi)部有合理的建筑結(jié)合屋頂綠化模型。2008年，塞勒［18］1469-1472基于FASST模型與能量平衡對(duì)屋頂綠化中的土壤基質(zhì)層和植被層兩層構(gòu)造建立了耦合數(shù)學(xué)模型，并首次將其應(yīng)用到EnergyPlus軟件中，最后通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了其結(jié)果準(zhǔn)確性。DesignBuilder是第一個(gè)以EnergyPlus建筑能耗動(dòng)態(tài)模擬引擎為核心開發(fā)的綜合用戶圖形界面模擬軟件［19］，能逐時(shí)模擬建筑全年能耗、建筑冷熱負(fù)荷。DesignBuilder相較于EnergyPlus，融合了后者的所有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)解決了其用戶界面不夠友好的問題。國(guó)內(nèi)外眾多研究都驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，例如，馬哈茂德［20］等人將肯尼亞達(dá)赫蘭建筑的3個(gè)月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與DesignBuilder模擬能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證明其預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。因此，本文采用DesignBuilder建筑能耗模擬軟件對(duì)西安典型商業(yè)建筑能耗進(jìn)行模擬，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析［21］。

2 研究案例

2.1 室外氣象參數(shù)

太陽(yáng)輻射、室外空氣溫度等氣候因素在能量平衡模型中起著至關(guān)重要的作用。西安屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，冷暖干濕，四季分明，位于關(guān)中平原一帶，東經(jīng)107°40′～109°49′，北緯33°42′～34°45′，太陽(yáng)能資源豐富［22］，根據(jù)EnergyPlus官網(wǎng)中的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，西安年平均溫度為14.1℃，夏季最高日均溫度為31.7℃，冬季最低日均溫度為-3.5℃，年均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為110.8 kWh/m2。

2.2 模型建立

選取西安某典型商業(yè)建筑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和測(cè)繪，該建筑為2008年建造，框架結(jié)構(gòu)、東西向，建筑長(zhǎng)226 m、寬106 m，地上4層，地下2層，建筑總面積為130 000 m2。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)該建筑模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，建立模型如圖1所示（東立面中的塔樓不在本研究范圍內(nèi)）。該建筑夏季制冷和冬季采暖使用同一系統(tǒng)，商場(chǎng)的營(yíng)業(yè)時(shí)間為10：00—22：00，同時(shí)使用此時(shí)間作為該商場(chǎng)建筑的空調(diào)運(yùn)行時(shí)間，其余參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［23-24］設(shè)置。

根據(jù)綠化依附的建（構(gòu)）筑物類型、立體綠化建設(shè)場(chǎng)地條件和功能需求，屋頂綠化可分為花園式、組合式和簡(jiǎn)單式［25］等不同類型。西安商業(yè)建筑屋頂綠化主要為花園式屋頂綠化，即根據(jù)建（構(gòu)）筑屋面荷載、場(chǎng)地空間特點(diǎn)、場(chǎng)地生境條件及生境類型等，種植小喬木、灌木、攀緣植物和地被植物等，并設(shè)置園路鋪裝、園林小品及相關(guān)設(shè)施的屋頂綠化類型，可供人們游覽、休憩、活動(dòng)。

屋頂綠化構(gòu)造層由裸屋頂基本構(gòu)造與綠化層構(gòu)成。綠化層包括土壤基質(zhì)和植被層。其中，植物類型從草本到喬木一般有0.1米到幾米高不等，根據(jù)以往研究［18］1473，設(shè)置植物高度為0.7 m，土壤熱導(dǎo)率［26］參數(shù)為0.45 W/m·K保持不變；對(duì)土壤基質(zhì)厚度D（0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m）和葉面積指數(shù)LAI（0.1、1、3、5）不同參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，創(chuàng)建了屋頂綠化方案矩陣，對(duì)該建筑進(jìn)行了20次模擬。

3 結(jié)果分析

3.1 屋頂綠化關(guān)鍵參數(shù)對(duì)建筑總能耗的影響

圖2是不同土壤基質(zhì)厚度（D）和葉面積指數(shù)（LAI）條件下西安商業(yè)建筑屋頂綠化減少總能耗的情況。由圖2可知，能耗最小值出現(xiàn)在D=0.1 m，LAI=5時(shí)，與裸屋頂相比，減少了188.7 MWh，節(jié)能率為0.71%；頂層房間節(jié)能率為3.12%?？紤]到部分商業(yè)建筑建設(shè)時(shí)間較早，可能存在未設(shè)保溫層的情況，因此本文模擬了未設(shè)置建筑保溫層時(shí)采用屋頂綠化的情況，與裸屋頂相比，降低了595 MWh，節(jié)能率為2.17%。商業(yè)建筑本身運(yùn)行階段能耗很高，屋頂綠化作為一種被動(dòng)式技術(shù)，能夠節(jié)能0.71%～2.17%，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，本文在節(jié)能率的基礎(chǔ)上給出了相對(duì)的節(jié)能量，從而評(píng)價(jià)屋頂綠化的節(jié)能效果。

當(dāng)LAI＜1時(shí)，建筑總能耗減少量和土壤基質(zhì)厚度呈正相關(guān)，說(shuō)明此時(shí)土壤厚度越大，越能有效降低建筑能耗；當(dāng)1＜LAI＜5時(shí)，隨著土壤基質(zhì)厚度的增加，建筑能耗減少量呈先降低再升高的波動(dòng)趨勢(shì)。當(dāng)土壤基質(zhì)厚度一定時(shí)，屋頂綠化對(duì)建筑總能耗減少量與葉面積指數(shù)呈正相關(guān)，在D=0.1m時(shí)，葉面積作用最顯著，此時(shí)增加葉面積指數(shù)能起到最好的降低建筑能耗的效果。

3.2 屋頂綠化關(guān)鍵參數(shù)對(duì)建筑制冷能耗的影響

圖3為不同土壤基質(zhì)厚度（D）和葉面積指數(shù)（LAI）條件下西安商業(yè)建筑屋頂綠化減少制冷能耗的情況。由圖3可知，能耗最小值出現(xiàn)在D=0.1m，LAI=5時(shí)，與裸屋頂相比，降低了157.0 MWh，節(jié)能率為1.95%；頂層房間節(jié)能率為9.35%。屋頂未設(shè)置保溫層時(shí)減少了387.5 MWh，節(jié)能率為4.64%。

當(dāng)葉面積指數(shù)一定時(shí)，制冷能耗減少量和土壤基質(zhì)厚度呈負(fù)相關(guān)，增加土壤基質(zhì)厚度等效于增加了土壤的蓄熱作用，不利于建筑散熱，因此不利于降低建筑制冷能耗。當(dāng)土壤基質(zhì)厚度一定時(shí)，制冷能耗減少量和葉面積指數(shù)呈正相關(guān)，在D＜0.2 m時(shí)，葉面積指數(shù)對(duì)建筑制冷能耗降低的作用最顯著。這是因?yàn)槿~面積指數(shù)的增加，提升了植物覆蓋率，減少了傳入土壤基質(zhì)層的太陽(yáng)輻射熱量，從而降低了建筑室內(nèi)的供冷能耗。但當(dāng)土壤基質(zhì)厚度越大，增加葉面積指數(shù)對(duì)建筑能耗減少效果幾乎沒有影響。

3.3 屋頂綠化關(guān)鍵參數(shù)對(duì)建筑供暖能耗的影響

圖4是不同土壤基質(zhì)厚度（D）和葉面積指數(shù)（LAI）條件下西安商業(yè)建筑屋頂綠化減少供暖能耗的情況。如圖4所示，能耗最小值出現(xiàn)在D=0.5 m，LAI=0.1的條件下，與裸屋頂相比，減少了92 MWh，節(jié)能率為21.17%；頂層房間節(jié)能率為73.88%。屋頂未設(shè)置保溫層時(shí)減少了454.7 MWh，節(jié)能率為53.33%。當(dāng)葉面積指數(shù)一定時(shí)，供暖能耗減少量和土壤基質(zhì)厚度呈正相關(guān)，說(shuō)明土壤厚度越大，越能有效降低建筑供暖能耗；當(dāng)土壤基質(zhì)厚度一定時(shí)，供暖能耗減少量幾乎沒有變化，說(shuō)明增加葉面積指數(shù)對(duì)建筑供暖能耗幾乎沒有影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)DesignBuilder軟件對(duì)采用不同參數(shù)屋頂綠化的西安某商業(yè)建筑能耗進(jìn)行了模擬，屋頂植被布局為全覆蓋，在所選定的土壤基質(zhì)厚度（D）和葉面積指數(shù)（LAI）這兩個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)取值范圍內(nèi)，可以得出以下結(jié)論。

第一，屋頂綠化中土壤基質(zhì)厚度與西安大型商業(yè)建筑制冷能耗、供暖能耗和總能耗的關(guān)系：制冷能耗與土壤基質(zhì)厚度成正比，供暖能耗與土壤基質(zhì)厚度呈負(fù)相關(guān)，即西安商業(yè)建筑制冷能耗隨著土壤基質(zhì)厚度的增加而增加，供暖能耗趨勢(shì)相反。當(dāng)LAI＜1時(shí)，建筑總能耗與土壤基質(zhì)厚度呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)1＜LAI＜5時(shí)，建筑總能耗隨著土壤基質(zhì)厚度的增加而呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著土壤基質(zhì)厚度的增加，土壤的蓄熱作用不利于夏季的建筑散熱，制冷能耗呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而冬季室內(nèi)熱損失越小，保溫效果越好，供暖能耗隨之降低，因此總能耗是由兩者綜合決定的。

第二，屋頂綠化中葉面積指數(shù)與西安大型商業(yè)建筑制冷能耗、供暖能耗和總能耗的關(guān)系：制冷能耗與葉面積指數(shù)成反比，在相同的土壤基質(zhì)厚度下改變?nèi)~面積指數(shù)對(duì)供暖能耗幾乎沒有影響；建筑總能耗與葉面積指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，葉面積指數(shù)越大，建筑總能耗越小。這是因?yàn)槿~面積指數(shù)的增加影響了屋頂?shù)恼陉幟娣e、植物氣孔阻力等，進(jìn)而減少傳入室內(nèi)的熱流，提高建筑夏季的隔熱性能。

第三，由于太陽(yáng)輻射被葉片反射、吸收和土壤的蓄熱作用，因此減少了傳遞到房間的熱量，起到節(jié)能減碳的作用。采用屋頂綠化的商業(yè)建筑全年總能耗指標(biāo)最低在D=0.1 m，LAI=5時(shí)，較裸屋頂降低188.7 MWh，節(jié)能率為0.71%，屋頂節(jié)能率為3.12%；較無(wú)保溫建筑減少599.6 MWh，節(jié)能2.17%。制冷能耗指標(biāo)最低在D=0.1 m，LAI=5時(shí)，較裸屋頂降低156.9 MWh，節(jié)能率為1.95%，屋頂節(jié)能率為9.35%；較無(wú)保溫建筑減少387.6 MWh，節(jié)能4.64%。供暖能耗指標(biāo)最低在D=0.5 m，LAI=0.1時(shí)，較裸屋頂降低92 MWh，節(jié)能率為21.17%，屋頂節(jié)能率為73.88%；較無(wú)保溫建筑減少454.8 MWh，節(jié)能53.33%。

屋頂綠化中土壤的蓄熱作用，可以對(duì)建筑起到保溫作用。西安冬季大部分時(shí)間室外溫度都低于室內(nèi)溫度，采用屋頂綠化可以使已有保溫層的建筑冬季保溫效果更好，并產(chǎn)生節(jié)能效果，為西安建筑保溫與節(jié)能提供一個(gè)新的思路。

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［26］ 白雷.種植屋面的熱工性能評(píng)價(jià)指標(biāo)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2016.

作者簡(jiǎn)介：張梓鈺（1998—），女，四川南充人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：建筑節(jié)能與碳排放。

閆增峰（1969—），男，陜西耀州人，博士，教授，研究方

向：建筑節(jié)能、綠色建筑、遺址保護(hù)環(huán)境技術(shù)。

張君杰（1991—），男，安徽宣城人，博士在讀，研究方

向：建筑碳排放、遺址保護(hù)環(huán)境技術(shù)。

倪平安（1994—），男，四川德陽(yáng)人，博士在讀，研究方

向：建筑節(jié)能、遺址保護(hù)環(huán)境技術(shù)。