段忠誠(chéng) 曹杰 卜璇璇 朱冬冬 Duan Zhongcheng Cao Jie Bu Xuanxuan Zhu Dongdong

1 研究背景

中國(guó)建筑能耗占總能耗的45.5%[1]，但利用率卻不高，加之城市用地緊張，沒(méi)有足夠的土地種植綠植和裝飾環(huán)境。在這種背景下,既可增加綠化面積又可減少建筑能耗的綠化屋頂開(kāi)始被研究。綠化屋頂通常包括植被層、生長(zhǎng)介質(zhì)、排水墊、防水膜、隔熱層和屋頂結(jié)構(gòu)層。目前，中國(guó)的綠化屋頂多應(yīng)用在公共建筑[2?3]，且集中在重慶、廣州等南方地區(qū)[4?7]。

綠化屋頂能產(chǎn)生許多效益，研究表明植物可以吸收太陽(yáng)輻射，使進(jìn)入室內(nèi)的熱量減少60%[8]。此外，由于綠化屋頂優(yōu)良的保溫和保水能力，減少了屋頂系統(tǒng)的溫度波動(dòng)和雨水徑流[9?11]。Cascone等人的研究顯示，每平方米綠化屋頂一年可以吸收1.35kg二氧化碳和0.03kg二氧化氮[12]。趙定國(guó)等人的研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)屋頂相比，綠化屋頂夏季的內(nèi)表面溫度可以降低10%，并且減少18%的建筑能耗[13]。此外，綠化屋頂?shù)目照{(diào)功率比非綠化屋頂降低15.2%，其能效效益在類似的研究中也得到了證明[14?18]。

綠化屋頂?shù)哪芎闹饕ㄟ^(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和模擬軟件（如Energy Plus）來(lái)評(píng)估。在對(duì)植物葉片面積的研究中發(fā)現(xiàn)，冷卻效果隨著葉片面積（LAI）的增加而增加[19?20]。在植物密度方面，相比于傳統(tǒng)屋頂能源消耗,密集型綠化屋頂能耗降幅高達(dá)45%～60%[21]。此外，土壤電導(dǎo)率也是一個(gè)影響建筑節(jié)能的主要參數(shù)[22]，土壤厚度的增加可以有效減少建筑能耗[23]，Kexin Zhang 等人[24?25]的研究發(fā)現(xiàn)，土壤厚度為200mm時(shí)，全年可節(jié)能30.2%～56.4%。并且建筑所在的氣候區(qū)域?qū)δ芎挠绊懞艽骩26?27]。所以，植物、基質(zhì)、結(jié)構(gòu)和氣候應(yīng)該綜合考慮。

本研究選取不同評(píng)價(jià)指標(biāo)（空調(diào)能耗和節(jié)能率）對(duì)不同參數(shù)（土壤厚度、葉面積指數(shù)、土壤導(dǎo)熱率以及隔熱層厚度）進(jìn)行綜合研究，并對(duì)樣本樓進(jìn)行模塊化綠化屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，夏季徐州地區(qū)綠化屋頂房間能耗較低，且綜合優(yōu)化后的綠色屋頂節(jié)能效果更加顯著。

2 研究方法

（1）實(shí)地測(cè)量

徐州屬于溫帶季風(fēng)氣候,年平均最高溫度約為33.1℃，年平均最低溫度約為-3.2℃，日照率為53%～58%，年平均降水量為810～940mm。本次實(shí)測(cè)場(chǎng)地為徐州市鼓樓區(qū)下淀路170號(hào)物資市場(chǎng)2號(hào)樓，高度23.95m，測(cè)試房間內(nèi)裝有空調(diào)。房間長(zhǎng)6.7m、寬4.8m，為平屋頂，被測(cè)試房間間隔其他房間，減少建筑之間的傳熱影響。綠化屋頂構(gòu)造如圖1所示。

測(cè)量日期為2020.8.10 8.16，時(shí)間為8:00?17:00，10 14日是工作時(shí)間（空調(diào)開(kāi)啟），15 16日是休息時(shí)間（非空調(diào)工況），測(cè)試期間均為晴天。布點(diǎn)位置如圖2所示，主要性能參數(shù)如表1所示。

（2）模擬

選取EnergyPlus進(jìn)行模擬，具有效率高、可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。模型構(gòu)造做法和傳熱系數(shù)如表2所示，綠化屋頂基本熱工參數(shù)如表3所示。本次模擬從2020.6.1 8.31（周末除外），空調(diào)溫度設(shè)置為26℃，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于Energy Plus官網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)除模擬因素變化外，其余參數(shù)均為默認(rèn)值。

3 結(jié)果和分析

（1）實(shí)測(cè)結(jié)果和分析

實(shí)測(cè)期間兩個(gè)房間的室溫變化趨勢(shì)相似?？照{(diào)工況下，綠化屋頂日平均溫度降低0.4℃；非空調(diào)工況下，綠化屋頂日平均溫度降低2.5℃，同一時(shí)間段內(nèi)最大降溫可達(dá)3.2℃。

屋頂外表面溫度如圖3所示?？照{(diào)工況下，裸屋頂外表面的溫度于13:30?14:30達(dá)到最大值，而綠化屋頂在14:30?15:30達(dá)到最大值，可見(jiàn)裸屋頂?shù)臒嶙栊∮诰G化屋頂。綠化屋頂比裸屋頂外表面溫度最大值和日均值的平均值分別降低11.9℃和3.5℃。此外，綠化屋頂整體溫度波動(dòng)小，避免了屋面因溫度劇烈波動(dòng)而損壞，延長(zhǎng)了建筑的使用年限。非空調(diào)工況下情況與上述現(xiàn)象類似。

表1 測(cè)試儀器主要性能參數(shù)

表2 構(gòu)造做法和傳熱系數(shù)

表3 綠化屋頂熱工參數(shù)表

屋頂內(nèi)表面溫度如圖4所示。在空調(diào)工況下，由于裸屋頂熱阻小，所以其內(nèi)表面溫度比綠化屋頂提前到達(dá)最大值。綠化屋頂比裸屋頂內(nèi)表面溫度最大值和日均值的平均值分別降低1.6℃和3.2℃。非空調(diào)工況下情況與上述現(xiàn)象類似。

綠化屋頂土壤表面溫度如圖5所示。白天，土壤下表面溫度低于上表面溫度?？照{(diào)工況下，土壤下表面溫度最大值為45℃，比土壤上表面低6.7℃，降溫率為17.5%。

空調(diào)冷負(fù)荷如圖6所示。通過(guò)將兩個(gè)房間的單位建筑面積空調(diào)冷負(fù)荷取平均值，求得空調(diào)節(jié)能率。裸屋頂房間日均單位建筑面積空調(diào)冷負(fù)荷為1.26kW·h/m2，綠化屋頂房間為1.05kW·h/m2，相應(yīng)的節(jié)能率高達(dá)16.7%。

（2）土壤厚度模擬結(jié)果和討論

據(jù)表4可知，土壤厚度越小，單位建筑面積空調(diào)冷負(fù)荷越高。當(dāng)土壤厚度低于0.3m時(shí)，空調(diào)冷負(fù)荷隨著土壤厚度的增加下降明顯。當(dāng)土壤厚度超過(guò)0.3m后，雖然負(fù)荷仍在下降但幅度減緩，且荷載過(guò)大會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害，所以土壤厚度為0.3m時(shí)最適合。

（3）土壤導(dǎo)熱率模擬結(jié)果分析

據(jù)表5可知，土壤導(dǎo)熱率越高,單位建筑面積空調(diào)冷負(fù)荷和能耗越高。因此，土壤導(dǎo)熱率為0.2W/（m·K）的輕質(zhì)土壤最適合徐州這類寒冷地區(qū)。

（4）葉面積指數(shù)模擬結(jié)果分析

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，葉面積越大，空調(diào)冷負(fù)荷越小。由表6可知，以葉面積指數(shù)為1的冷負(fù)荷為基準(zhǔn)，2～5對(duì)應(yīng)的節(jié)能率依次增加。隨著葉面積指數(shù)增大，其對(duì)太陽(yáng)輻射遮擋越明顯，建筑吸熱越小，因此冷負(fù)荷得到降低。在實(shí)際中，葉面積指數(shù)為5的植物不多且在超過(guò)3后空調(diào)冷負(fù)荷下降幅度明顯減緩。本研究針對(duì)徐州這類寒冷地區(qū)，所以選擇葉面積為3且耐寒的植物，如佛甲草、地毯草等。

（5）隔熱層厚度模擬結(jié)果分析

從圖8和表7可以看出，以隔熱層厚度為0m時(shí)的冷負(fù)荷為基礎(chǔ)，0.01～0.2m的隔熱層厚度對(duì)應(yīng)的節(jié)能率為-2.0%、-4.2%、-9.1%、-10.8%和-13.0%?？梢园l(fā)現(xiàn)，隔熱層厚度超過(guò)0.05m后負(fù)荷增長(zhǎng)幅度明顯，所以隔熱層厚度不宜超過(guò)0.05m。

4 設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

（1）綠化屋頂設(shè)計(jì)實(shí)踐

傳統(tǒng)綠化屋頂布置不靈活、施工難度大，一旦損壞難以修補(bǔ)。模塊化種植屋面是一種以種植托盤(pán)為核心，集蓄水層、排水層、隔離層、生長(zhǎng)層和種植層為一體的綠化屋頂，有效地解決了傳統(tǒng)綠化屋面的劣勢(shì)，具有成本低、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，更利于綠化屋頂?shù)耐茝V。因此本設(shè)計(jì)采用模塊化種植綠化屋頂。

1 進(jìn)行行測(cè)試的種植屋面構(gòu)造

2 物資市場(chǎng) 2 號(hào)樓測(cè)點(diǎn)布置

3 屋頂外表面溫度變化趨勢(shì)

4 屋頂內(nèi)表面溫度變化趨勢(shì)

設(shè)計(jì)將土壤厚度設(shè)為0.3m，導(dǎo)熱率設(shè)為0.2W/（m·K），植被選用佛甲草，葉面積指數(shù)3。圖9～11分別是綠化屋頂?shù)木植科矫?、種植剖面、模塊構(gòu)造以及模塊的連接方式。因?yàn)閲姽嗫梢杂行Э刂茋姙⒚娣e，不易引起管道堵塞且節(jié)約人工成本，所以本設(shè)計(jì)采用噴灌的方式。圖 12是屋頂平面灌溉管道布置圖。

（2）綠化屋頂成本分析

實(shí)測(cè)物資市場(chǎng)屋頂?shù)拿娣e為1 460m2，設(shè)計(jì)成本主要來(lái)自于：土壤基質(zhì)、模塊化容器、噴灌系統(tǒng)、佛甲草以及人工。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)咨詢和實(shí)地考察可知，帶土壤的佛甲草托盤(pán)苗約為80元/塊，模塊化綠化屋頂容器的單價(jià)在22～40元，常規(guī)噴灌系統(tǒng)的價(jià)格在3.4～4.6元/m2，徐州地區(qū)工人成本為250～300元/天。本次改造的總成本預(yù)計(jì)為297 981元，單價(jià)為 204 元/m2，符合李念秋、廖禮平等人的研究[28]。

（3）綠化屋頂能耗驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，我們?cè)赟ketchUP中對(duì)物資市場(chǎng)進(jìn)行改造模擬并進(jìn)行節(jié)能計(jì)算，然后將模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其可靠性。

圖13展示了空調(diào)冷負(fù)荷的模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果，表8列舉了冷負(fù)荷的主要參數(shù)。裸屋頂、原本綠化屋頂和改造后的綠化屋頂，其日均單位建筑面積空調(diào)冷負(fù)荷分別為1.26kW·h/m2、1.05kW·h/m2、0.92kW·h/m2，后兩者的節(jié)能率分別是16.7%和27.0%，改造后的綠化屋頂比原本綠化屋頂節(jié)能12.4%。

5 土壤表面溫度變化

6 空調(diào)冷負(fù)荷

7 葉面積指數(shù)（LAI）對(duì)冷負(fù)荷影響模擬

8 隔熱層厚度對(duì)冷負(fù)荷影響模擬

表4 總空調(diào)冷負(fù)荷隨土壤厚度變化參數(shù)

表5 總空調(diào)冷負(fù)荷隨土壤導(dǎo)熱率變化參數(shù)

表6 總空調(diào)冷負(fù)荷隨葉面積指數(shù)變化參數(shù)

表7 總空調(diào)冷負(fù)荷隨隔熱層厚度變化參數(shù)

表8 空調(diào)冷負(fù)荷參數(shù)對(duì)比

9 局部平面

10 種植剖面

11 綠化屋頂模塊構(gòu)造

5 結(jié)論

本文實(shí)地測(cè)量了徐州地區(qū)辦公建筑的綠化屋頂，并進(jìn)行了改造和模擬驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

（1）實(shí)測(cè)：在空調(diào)工況下，綠化屋頂房間比裸屋頂房間的室內(nèi)溫度、內(nèi)外表面溫度都有不同程度的降低。綠化屋頂?shù)臒崃饕灿酗@著降低，降低率為42.7%；綠化屋頂土壤下表面溫度比上表面低6.7℃，降溫率為17.5%。綠化屋頂房間日均單位建筑面積空調(diào)冷負(fù)荷為1.05kW·h/m2，節(jié)能率達(dá)16.7%。

（2）模擬：徐州地區(qū)綠化屋頂?shù)耐寥篮穸热?.3m最為適合，可以選用土壤導(dǎo)熱率為0.2W/（m·K）的輕質(zhì)土壤；選取葉面積指數(shù)為3且耐寒的植物較為合適，如佛甲草、地毯草、紅葉石楠等植物；隔熱層厚度不宜超過(guò)0.05m。

（3）設(shè)計(jì)和成本分析：以物資市場(chǎng)2號(hào)樓為例，改造后綠化屋頂?shù)某杀緸?04元/m2，節(jié)能率是27.0%，比原本綠化屋頂?shù)墓?jié)能率提高了12.4%。

（4）展望：本研究只考慮了夏季，后續(xù)可對(duì)不同季節(jié)進(jìn)行研究，使數(shù)據(jù)更加全面，并且可以增加雨水收集等相關(guān)內(nèi)容。

12 屋頂平面噴灌管道布置

13 單位建筑面積空調(diào)冷負(fù)荷

圖片來(lái)源

1?13 作者自繪

表格來(lái)源

1?8 作者自繪