宁波市住房和城乡建设培训中心垂直绿化示范项目热性能分析

陈 洪 ,姚 健,李志磊,胡莹坚

(1.宁波华聪建筑节能科技有限公司,浙江 宁波 315040；2.宁波大学,浙江 宁波 315211)

建筑立体绿化是城市绿化的重要形式之一,立体绿化不仅能丰富城区园林绿化的空间结构层次,起到打造城市立体景观艺术的效果,而且对改善城市生态环境,减少热岛效应,吸尘并减少噪音和有害气体均有作用[1]。该项目采用实测研究、对比分析、能耗模拟等方法,对培训中心垂直绿化示范项目进行了热性能分析。

1 项目概况

宁波市住房和城乡建设培训中心(以下简称“培训中心”)是集办公与住宿于一体的综合性大楼,于1992年建成投入使用；主楼5层,两侧翼楼4层,用地面积为1 631.20 m2,总建筑面积为3 251.25 m2。培训中心的立体绿化工程,主要包括外墙立体绿化改造(图1)及屋顶绿化改造；工程于2017年实施完成,实际投入运行近3年。

图1 外墙垂直绿化改造后实景图

2 热效果(室内外温度)测试

2.1 测点选取

为了更好地评估立体绿化(墙面及屋顶绿化)对室内外温度环境的影响,特选取了5个测点对温度进行连续监测分析，见表1。

表1 温度检测部位汇总

2.2 测试结果分析

从表2的检测报告和监测数据来看,上述测试日期都属于太阳辐射较强的时间段,水平面太阳辐射强度最高时达到了1 000 W/m2以上,表明测试条件很好地选取了宁波的典型夏季。从绿化改造效果的对比来看,有屋顶绿化和墙面绿化的部位,夏季隔热效果明显优于非绿化部位,其中5层屋顶板底部的平均降温0.5 ℃,4层部分为0.1℃。而垂直绿化部位的效果更明显,西向绿化部位外窗内表面比未绿化部位平均降温1.1℃,而南向则平均降温1.5℃。见图2、图3。

表2 屋面辐照检查汇总

图2 夏季4层南向玻璃温度对比

图3 夏季4层西向玻璃温度对比

而从最大降温方面来看,西向绿化部位外窗内表面比未绿化部位最高降温12℃,其次是南向玻璃部位,最高降温6.5℃,而其他部位在1℃左右。因此,绿化不仅降低建筑围护结构内表面温度[2],而且对内表面的最高温度降低也具有显著的作用[3]。

不过从测试结果来看,绿化对冬季室内温度略有不利影响,特采取绿化的部位内表面平均温度都低于未绿化部位,这可能是由于绿化遮挡了太阳辐射,使得冬天建筑得热有所降低。但两者温差不是很大,平均只有0.2℃左右,因此,综合夏季和冬季的两者效果,立体绿化对节能和改善室内热舒适的效果是明显的。

3 实际能耗数据监测分析

为了综合评估改造前后建筑的能源消耗(主要指电力消耗),对改造前后的建筑能耗监测情况进行了分析,相关数据均来源于培训中心能耗监测平台的数据记录。

3.1 夏季

根据图4和图5的能耗对比,改造前后逐日能耗有高有低,为确定是否由于随机因素等引起结果差异,特采取统计学检验的方法,对改造后能耗是否降低进行检验,采用两独立样本t检验方法[4]。t检验统计量计算公式为：

图4 培训中心绿化改造前后7月份能耗对比

图5 培训中心绿化改造前后8月份能耗对比

n1和n2为两样本容量。

检验的零假设为两个样本均值相同。

检验结果7月份t统计量为3.826 1>2(0.05显著性水平的临界值),且P检验值为0.000 312 79<0.05；8月份t统计量为2.196 3>2,且P检验值为0.031 9<0.05。因此,拒绝原假设,可以确定改造后的夏季能耗确实小于改造前。

3.2 冬季

根据图6和图7的能耗对比,改造前后冬季逐日能耗有高有低,为确定是否由于随机因素等引起结果差异,采取和夏季一样的t检验法,检验结果12月份t统计量为2.636 5>2(0.05显著性水平的临界值),且P检验值为0.010 6<0.05；1月份t统计量为3.382 8>2,且P检验值为0.001 3<0.05。因此,上面的检验结果表明拒绝原假设,认为改造前后冬季能耗有显著差别,改造后采暖能耗有降低。

图6 培训中心绿化改造前后12月份能耗对比

图7 培训中心绿化改造前后1月份能耗对比

4 培训中心能耗模拟分析

为和能耗监测数据进行对比,进一步追溯实际工程中如何准确评估立体绿化对能源消耗的影响,本项目对培训中心采取屋顶绿化和墙面绿化的节能效果进行了模拟研究。采用Design Builder软件进行模拟分析[5],模型见图8,相关热工参数设置参考项目节能计算书。

图8 培训中心能耗分析模型

能耗计算结果见表3。原设计空调(制冷与制热)耗电量为174 003.42+83 514.79=257 518.21 kW·h,增加立体绿化后,制冷与制热的耗电量为158 647.37+81 970.05=240 617.42 kWh。因此,增加立体绿化后,节省能耗(257 518.21-240 617.42)/257 518.21×100%=6.56%。这与前面能耗监测得到的数据略有偏差(能耗监测的节能量比能耗计算的节能效果好),这是由于实际能耗使用受到天气及各人空调的使用习惯等的影响。因此,从能耗模拟和能耗监测的结果可以看出,屋顶绿化的节能效果是比较显著的,不仅可以降低空调能耗，而且还可以降低采暖能耗。

表3 设计建筑与参照建筑能耗对比

5 屋顶绿化等效热阻分析

5.1 屋顶绿化等效热阻计算方法

本研究采用了美国劳伦斯伯克利实验室最新的建筑能耗模拟软件Energyplus进行分析,该软件包含了屋顶绿化的分析功能。但墙体绿化模块暂时还未开发,因此本研究只分析屋顶绿化的影响[6]。Energyplus中的屋顶绿化模块见图9。

图9 Energyplus中屋顶绿化传热模型

其能量平衡方程[7]如下：

其中σf根据叶面积指数LAI(叶片总面积/植被的占地面积)确定：

σf=0.9-0.7exp-0.75LAI

其他参数如F是指植物层的净流量等,这里不一一介绍。

由于屋顶绿化构造方式根据植物种类及覆土厚度不同,故有多种不同组合方式,其中植物种类对植物当量叶面积指数LAI(叶片总面积/植被的占地面积)影响较大,对隔热效果影响显著。因此,研究时考虑上述两种参数的不同组合。

5.2 不同绿化的等效热阻计算结果

对不同LAI(叶片总面积/植被的占地面积)和覆土层厚度d组合下的情况进行分析,可以得到目前各种绿化配置下的等效热阻,见图10。

图10 不同LAI(叶片总面积/植被的占地面积)和d(覆土层厚度)组合下的屋顶绿化等效热阻

根据计算得到的等效热阻,可以看出对于常见的地被植物, 如佛甲草(LAI(叶片总面积/植被的占地面积)=2.7),覆土层为0.1时,等效热阻大约为0.75 m2K/W;而当覆土层为0.2时,等效热阻大约为0.45 m2K/W。

6 结 语

随着城市化进程的不断加快,立体绿化已经是现代城市绿化发展的必然趋势。本研究从多个维度,对培训中心垂直绿化示范项目进行了热性能分析,重点完善了如下内容：

1)对立体绿化改造后的建筑热性能进行实测,并结合实际能耗监测数据,对立体绿化改造前后的热性能进行对比分析。

2)采用国际上通用的Design Builder软件中的屋顶绿化模型,对改造前后的能耗进行模拟分析,并与1)的结论进行对比分析。

3)结合相关研究成果[1-7],对屋顶绿化折合等效热阻数值进行回归分析,为后期广大工程技术人员进行节能分析提供技术参考。