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(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)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(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施、城市環(huán)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(fā)展綠色基礎(chǔ)節(jié)能設(shè)施，如種植屋面。與傳統(tǒng)屋頂相比，種植屋面具有緩解城市熱島效應(yīng)、降低建筑能耗的作用，但它造價更高，且需要額外的維護(hù)（費(fèi)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(jié)構(gòu)組成：植被層、基質(zhì)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(shù)、基質(zhì)層厚度和含濕量等參數(shù)決定了屋面的熱容以及向建筑物的熱傳導(dǎo)系數(shù)，與節(jié)能效果密切相關(guān)[7-8]。而這些參數(shù)很大程度上受當(dāng)?shù)貧夂驐l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(shù)、基質(zhì)層厚度、保溫層厚度這三個熱工參數(shù)，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(shù)對能耗的影響，尋求在該氣候下種植屋面熱工參數(shù)的優(yōu)化配置方案。

2 方案設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能系數(shù)見表1。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要熱工性能參數(shù)

圖1 利用SketchUp建立的建筑模型

2.2 模擬方法

地點(diǎn)選取長沙市，地理數(shù)據(jù)（經(jīng)度、緯度、時區(qū)、海拔）由Energy Plus自帶的數(shù)據(jù)庫提供，氣象數(shù)據(jù)使用由CSWD提供的典型氣象年逐時數(shù)據(jù)，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(shù)通常在0.5～5.0范圍內(nèi)，本次模擬設(shè)置的葉面積指 數(shù) 為1.5、2.5、3.5；設(shè) 置 的 基 質(zhì) 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?dú)庀髤?shù)

3 模擬結(jié)果

3.1 傳統(tǒng)屋面模擬結(jié)果

采用不同保溫材料的傳統(tǒng)屋面能耗模擬結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，雖然長沙地區(qū)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(chǔ)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(tǒng)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?yàn)樵冀ㄖ菝姹睾穸仍黾?，屋面的傳熱系?shù)降低的幅度越來越小。

表2 不同保溫材料的傳統(tǒng)屋面能耗模擬結(jié)果

3.2 種植屋面最優(yōu)配置

長沙某辦公建筑的種植屋面能耗模擬結(jié)果如表34所示。對比表2和表3可以得出，與傳統(tǒng)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(shè)種植屋面能夠減小建筑能耗，有利于節(jié)能。通過對種植屋面的能耗進(jìn)行分析，可以得出夏熱冬冷氣候區(qū)供熱能耗最小的組合為：葉面積指數(shù)=1.5、基質(zhì)層厚度=300mm、保溫層厚度=30mm，其供熱能耗為13.87（kW·h）/（m2·年），節(jié)能率為51.3%。種植屋面供冷能耗最小的組合為：葉面積指數(shù)=3.5、基質(zhì)層厚度=100mm、保溫層厚度=30mm，其供冷能耗為35.91（kW·h）/（m2·年），節(jié)能率為23.9%。種植屋面全年能耗最小的組合為：葉面積指數(shù)=3.5、基質(zhì)層厚度=300mm、保溫層厚度=30mm，全年能耗為49.92（kW·h）/（m2·年），節(jié)能率為34.0%。

表3 種植屋面能耗模擬結(jié)果

3.2.1 變?nèi)~面積指數(shù)能耗分析

圖3所示為長沙辦公建筑在基質(zhì)層厚度為300mm、保溫層為30mm擠塑聚苯板時，葉面積指數(shù)的變化對能耗的影響規(guī)律。隨著葉面積指數(shù)的增加，供熱能耗不斷增加，在葉面積指數(shù)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(shù)的增加而不斷減小，在葉面積指數(shù)=3.5時最小。全年能耗與葉面積指數(shù)大小呈正比例關(guān)系，當(dāng)葉面積指數(shù)=3.5時，節(jié)能率為34%，節(jié)能率最高。

圖3 在基質(zhì)層厚度=300mm、保溫層厚度=30mm條件下能耗與葉面積指數(shù)的關(guān)系

3.2.2 變基質(zhì)層厚度能耗分析

圖4所示為長沙辦公建筑在葉面積指數(shù)=1.5和3.5、保溫層厚度=30mm條件下，基質(zhì)層厚度與供熱能耗、供冷能耗之間的關(guān)系。在葉面積指數(shù)=1.5時，隨著基質(zhì)層厚度的增加，夏熱冬冷氣候區(qū)的供熱能耗、供冷能耗、全年能耗都不斷減小，在基質(zhì)層厚度=300mm時，三種能耗皆為最小值。在葉面積指數(shù)=2.5及3.5時，保溫層厚度超過10mm后，供冷能耗隨基質(zhì)層厚度的增加先增大后減小，供熱能耗隨基質(zhì)層厚度的增加而減小，總節(jié)能率隨著基質(zhì)層厚度的增加不斷增大。這是因?yàn)橄噍^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(shù)=2.5、3.5，保溫層厚度=30mm條件下能耗與基質(zhì)層厚度的關(guān)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(jié)能率在在葉面積指數(shù)=3.5、基質(zhì)層厚度=300mm條件下，隨保溫層厚度變化的情況。不難看出，增設(shè)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(jié)能率也在保溫層為30mm擠塑聚苯板時最大，此時節(jié)能率為34%。

圖5 在葉面積指數(shù)=3.5、基質(zhì)層厚度=300mm條件下能耗與保溫層厚度的關(guān)系

4 結(jié)論

針對夏熱冬冷氣候區(qū)種植屋面的節(jié)能特性，利用Energy Plus軟件對長沙某建筑模型進(jìn)行全年能耗模擬，研究植物葉面積指數(shù)、基質(zhì)層厚度、建筑屋面保溫3個熱工參數(shù)對種植屋面能耗的影響，在所給定的取值范圍內(nèi)，得出以下結(jié)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(dāng)屋面增設(shè)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(shù)大小呈正比例關(guān)系，與基質(zhì)層厚度和保溫層厚度呈反比例關(guān)系。種植屋面的供冷能耗與植物的葉面積指數(shù)大小、保溫層厚度呈反比例關(guān)系，與基質(zhì)層厚度不呈比例；

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