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    屋頂綠化對(duì)西安市商業(yè)建筑能耗的影響研究

    2023-08-25 09:05:23張梓鈺閆增峰張君杰倪平安
    藝術(shù)科技 2023年17期
    關(guān)鍵詞:屋頂綠化商業(yè)建筑建筑節(jié)能

    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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    [22] 我國(guó)太陽(yáng)能資源是如何分布的?[DB/OL].國(guó)家能源局,http://www.nea.gov.cn/2014-08/03/c_133617073.htm,2022-12-01.

    [23] GB 50189-2005公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005:5-7.

    [24] GB 50016-2015建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2014:57-61.

    [25] DBJ 61/T 177-2020城鎮(zhèn)立體綠化技術(shù)規(guī)程[S].西安:陜西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳,2020:27-29.

    [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)。

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