种植屋面的能耗模拟分析——以长沙某办公建筑模型为例

魏格连，王志勇Wei Gelian,Wang Zhiyong

（湖南工业大学 土木工程学院，湖南株洲 412007）

1 研究背景

近年来，建筑能耗的不断增加，对现有的基础设施、城市环境和能源安全造成了压力[1-2]。为了缓解这一局面，各国政府开始大力发展绿色基础节能设施，如种植屋面。与传统屋顶相比，种植屋面具有缓解城市热岛效应、降低建筑能耗的作用，但它造价更高，且需要额外的维护（费用多少多取决于植被类型和灌溉需求）[3]。种植屋面通常由以下结构组成：植被层、基质层、滤布、排水层、阻根层、隔热层[4-6]。大量研究表明，植物叶面积指数、基质层厚度和含湿量等参数决定了屋面的热容以及向建筑物的热传导系数，与节能效果密切相关[7-8]。而这些参数很大程度上受当地气候条件、建筑屋面保温的影响[9-10]。因此，本文选取植物叶面积指数、基质层厚度、保温层厚度这三个热工参数，针对夏热冬冷气候下的某一办公建筑，采用Energy Plus能耗模拟软件建立简化的种植屋面模型，探讨种植屋面热工参数对能耗的影响，寻求在该气候下种植屋面热工参数的优化配置方案。

2 方案设定

2.1 建筑模型

对某一栋单层办公建筑建模，如图1所示。建筑平面尺寸为8m×6m，楼层高度为3.8m，窗墙比为0.37，屋顶为平屋顶，建筑各围护结构热工性能系数见表1。

表1 围护结构主要热工性能参数

图1 利用SketchUp建立的建筑模型

2.2 模拟方法

地点选取长沙市，地理数据（经度、纬度、时区、海拔）由Energy Plus自带的数据库提供，气象数据使用由CSWD提供的典型气象年逐时数据，各月份的干球温度、太阳辐射、相对湿度如图2所示。叶面积指数通常在0.5～5.0范围内，本次模拟设置的叶面积指 数 为1.5、2.5、3.5；设 置 的 基 质 层 厚 度 为100mm、200mm、300mm；模拟选取挤塑聚苯板作为屋面保温材料，厚度取0mm、10mm、20mm、30mm。

图2 长沙的主要气象参数

3 模拟结果

3.1 传统屋面模拟结果

采用不同保温材料的传统屋面能耗模拟结果如表2所示。从表2可以看出，虽然长沙地区办公建筑冬季供热能耗小于夏季供冷能耗，但供热能耗也不容忽视，约占全年能耗的33%。在基础原始建筑增加10mm屋面保温材料后，建筑的供冷、供热能耗均降低，相比无保温的传统屋面能耗，供热能耗从每年28.5kW·h/m2降低至16.64kW·h/m2，降幅为41.6%，供冷能耗从每年47.21kW·h/m2降低至38.1kW·h/m2，降幅为19.3%。但随着保温层厚度不断增加，能耗降低速率逐渐变缓，这是因为原始建筑屋面保温厚度增加，屋面的传热系数降低的幅度越来越小。

表2 不同保温材料的传统屋面能耗模拟结果

3.2 种植屋面最优配置

长沙某办公建筑的种植屋面能耗模拟结果如表34所示。对比表2和表3可以得出，与传统屋面相比，种植屋面的供热能耗、供冷能耗、全年能耗三者都大幅度降低，增设种植屋面能够减小建筑能耗，有利于节能。通过对种植屋面的能耗进行分析，可以得出夏热冬冷气候区供热能耗最小的组合为：叶面积指数=1.5、基质层厚度=300mm、保温层厚度=30mm，其供热能耗为13.87（kW·h）/（m2·年），节能率为51.3%。种植屋面供冷能耗最小的组合为：叶面积指数=3.5、基质层厚度=100mm、保温层厚度=30mm，其供冷能耗为35.91（kW·h）/（m2·年），节能率为23.9%。种植屋面全年能耗最小的组合为：叶面积指数=3.5、基质层厚度=300mm、保温层厚度=30mm，全年能耗为49.92（kW·h）/（m2·年），节能率为34.0%。

表3 种植屋面能耗模拟结果

3.2.1 变叶面积指数能耗分析

图3所示为长沙办公建筑在基质层厚度为300mm、保温层为30mm挤塑聚苯板时，叶面积指数的变化对能耗的影响规律。随着叶面积指数的增加，供热能耗不断增加，在叶面积指数为3.5时，供热能耗最大为13.96（kW·h）/（m2·年）。供冷能耗随叶面积指数的增加而不断减小，在叶面积指数=3.5时最小。全年能耗与叶面积指数大小呈正比例关系，当叶面积指数=3.5时，节能率为34%，节能率最高。

图3 在基质层厚度=300mm、保温层厚度=30mm条件下能耗与叶面积指数的关系

3.2.2 变基质层厚度能耗分析

图4所示为长沙办公建筑在叶面积指数=1.5和3.5、保温层厚度=30mm条件下，基质层厚度与供热能耗、供冷能耗之间的关系。在叶面积指数=1.5时，随着基质层厚度的增加，夏热冬冷气候区的供热能耗、供冷能耗、全年能耗都不断减小，在基质层厚度=300mm时，三种能耗皆为最小值。在叶面积指数=2.5及3.5时，保温层厚度超过10mm后，供冷能耗随基质层厚度的增加先增大后减小，供热能耗随基质层厚度的增加而减小，总节能率随着基质层厚度的增加不断增大。这是因为相较于供冷能耗的增加幅度，供热能耗的降低幅度更大。

图4 在叶面积指数=2.5、3.5，保温层厚度=30mm条件下能耗与基质层厚度的关系

3.2.3 保温层厚度对种植屋面能耗的影响

图5为种植屋面的供热能耗、供冷能耗、节能率在在叶面积指数=3.5、基质层厚度=300mm条件下，随保温层厚度变化的情况。不难看出，增设保温层可以提高种植屋面的热性能，随着保温层厚度的不断增加，供热能耗和供冷能耗都不断减小，并且节能率也在保温层为30mm挤塑聚苯板时最大，此时节能率为34%。

图5 在叶面积指数=3.5、基质层厚度=300mm条件下能耗与保温层厚度的关系

4 结论

针对夏热冬冷气候区种植屋面的节能特性，利用Energy Plus软件对长沙某建筑模型进行全年能耗模拟，研究植物叶面积指数、基质层厚度、建筑屋面保温3个热工参数对种植屋面能耗的影响，在所给定的取值范围内，得出以下结论：

（1）在屋面中增加保温材料后，供热供冷能耗均降低，特别是当屋面增设10mm挤塑聚苯板时，能耗下降较为迅速，但随着保温层厚度增加至20～30mm时，能耗降低速率变缓。与保温屋面相比，种植屋面的供热能耗、供冷能耗更小；

（2）种植屋面的供热能耗与植物的叶面积指数大小呈正比例关系，与基质层厚度和保温层厚度呈反比例关系。种植屋面的供冷能耗与植物的叶面积指数大小、保温层厚度呈反比例关系，与基质层厚度不呈比例；

（3）全年能耗随叶面积指数、基质层厚度、保温层厚度的增加不断减小。所以，叶面积指数最大（3.5）、基质层最厚（300mm）、保温层最厚（30mm）时，种植屋面配置最优，全年能耗最低为49.92（kW·h）/（m2·年），节能率最大为34.0%。