徐州地区办公建筑绿化屋顶设计研究＊

2022-03-02 07:33:32段忠诚曹杰卜璇璇朱冬冬DuanZhongchengCaoJieBuXuanxuanZhuDongdong

建筑技艺 2022年12期

段忠诚曹杰卜璇璇朱冬冬 Duan Zhongcheng Cao Jie Bu Xuanxuan Zhu Dongdong

1 研究背景

中国建筑能耗占总能耗的45.5%[1]，但利用率却不高，加之城市用地紧张，没有足够的土地种植绿植和装饰环境。在这种背景下,既可增加绿化面积又可减少建筑能耗的绿化屋顶开始被研究。绿化屋顶通常包括植被层、生长介质、排水垫、防水膜、隔热层和屋顶结构层。目前，中国的绿化屋顶多应用在公共建筑[2−3]，且集中在重庆、广州等南方地区[4−7]。

绿化屋顶能产生许多效益，研究表明植物可以吸收太阳辐射，使进入室内的热量减少60%[8]。此外，由于绿化屋顶优良的保温和保水能力，减少了屋顶系统的温度波动和雨水径流[9−11]。Cascone等人的研究显示，每平方米绿化屋顶一年可以吸收1.35kg二氧化碳和0.03kg二氧化氮[12]。赵定国等人的研究发现，与传统屋顶相比，绿化屋顶夏季的内表面温度可以降低10%，并且减少18%的建筑能耗[13]。此外，绿化屋顶的空调功率比非绿化屋顶降低15.2%，其能效效益在类似的研究中也得到了证明[14−18]。

绿化屋顶的能耗主要通过现场测量和模拟软件（如Energy Plus）来评估。在对植物叶片面积的研究中发现，冷却效果随着叶片面积（LAI）的增加而增加[19−20]。在植物密度方面，相比于传统屋顶能源消耗,密集型绿化屋顶能耗降幅高达45%～60%[21]。此外，土壤电导率也是一个影响建筑节能的主要参数[22]，土壤厚度的增加可以有效减少建筑能耗[23]，Kexin Zhang 等人[24−25]的研究发现，土壤厚度为200mm时，全年可节能30.2%～56.4%。并且建筑所在的气候区域对能耗影响很大[26−27]。所以，植物、基质、结构和气候应该综合考虑。

本研究选取不同评价指标（空调能耗和节能率）对不同参数（土壤厚度、叶面积指数、土壤导热率以及隔热层厚度）进行综合研究，并对样本楼进行模块化绿化屋顶的设计验证。实验表明，夏季徐州地区绿化屋顶房间能耗较低，且综合优化后的绿色屋顶节能效果更加显著。

2 研究方法

（1）实地测量

徐州属于温带季风气候,年平均最高温度约为33.1℃，年平均最低温度约为-3.2℃，日照率为53%～58%，年平均降水量为810～940mm。本次实测场地为徐州市鼓楼区下淀路170号物资市场2号楼，高度23.95m，测试房间内装有空调。房间长6.7m、宽4.8m，为平屋顶，被测试房间间隔其他房间，减少建筑之间的传热影响。绿化屋顶构造如图1所示。

测量日期为2020.8.10 8.16，时间为8:00−17:00，10 14日是工作时间（空调开启），15 16日是休息时间（非空调工况），测试期间均为晴天。布点位置如图2所示，主要性能参数如表1所示。

（2）模拟

选取EnergyPlus进行模拟，具有效率高、可操作性强的特点。模型构造做法和传热系数如表2所示，绿化屋顶基本热工参数如表3所示。本次模拟从2020.6.1 8.31（周末除外），空调温度设置为26℃，气象数据来源于Energy Plus官网。实验除模拟因素变化外，其余参数均为默认值。

3 结果和分析

（1）实测结果和分析

实测期间两个房间的室温变化趋势相似。空调工况下，绿化屋顶日平均温度降低0.4℃；非空调工况下，绿化屋顶日平均温度降低2.5℃，同一时间段内最大降温可达3.2℃。

屋顶外表面温度如图3所示。空调工况下，裸屋顶外表面的温度于13:30−14:30达到最大值，而绿化屋顶在14:30−15:30达到最大值，可见裸屋顶的热阻小于绿化屋顶。绿化屋顶比裸屋顶外表面温度最大值和日均值的平均值分别降低11.9℃和3.5℃。此外，绿化屋顶整体温度波动小，避免了屋面因温度剧烈波动而损坏，延长了建筑的使用年限。非空调工况下情况与上述现象类似。

表1 测试仪器主要性能参数

表2 构造做法和传热系数

表3 绿化屋顶热工参数表

屋顶内表面温度如图4所示。在空调工况下，由于裸屋顶热阻小，所以其内表面温度比绿化屋顶提前到达最大值。绿化屋顶比裸屋顶内表面温度最大值和日均值的平均值分别降低1.6℃和3.2℃。非空调工况下情况与上述现象类似。

绿化屋顶土壤表面温度如图5所示。白天，土壤下表面温度低于上表面温度。空调工况下，土壤下表面温度最大值为45℃，比土壤上表面低6.7℃，降温率为17.5%。

空调冷负荷如图6所示。通过将两个房间的单位建筑面积空调冷负荷取平均值，求得空调节能率。裸屋顶房间日均单位建筑面积空调冷负荷为1.26kW·h/m2，绿化屋顶房间为1.05kW·h/m2，相应的节能率高达16.7%。

（2）土壤厚度模拟结果和讨论

据表4可知，土壤厚度越小，单位建筑面积空调冷负荷越高。当土壤厚度低于0.3m时，空调冷负荷随着土壤厚度的增加下降明显。当土壤厚度超过0.3m后，虽然负荷仍在下降但幅度减缓，且荷载过大会对建筑结构产生损害，所以土壤厚度为0.3m时最适合。

（3）土壤导热率模拟结果分析

据表5可知，土壤导热率越高,单位建筑面积空调冷负荷和能耗越高。因此，土壤导热率为0.2W/（m·K）的轻质土壤最适合徐州这类寒冷地区。

（4）叶面积指数模拟结果分析

从图7可以发现，叶面积越大，空调冷负荷越小。由表6可知，以叶面积指数为1的冷负荷为基准，2～5对应的节能率依次增加。随着叶面积指数增大，其对太阳辐射遮挡越明显，建筑吸热越小，因此冷负荷得到降低。在实际中，叶面积指数为5的植物不多且在超过3后空调冷负荷下降幅度明显减缓。本研究针对徐州这类寒冷地区，所以选择叶面积为3且耐寒的植物，如佛甲草、地毯草等。

（5）隔热层厚度模拟结果分析

从图8和表7可以看出，以隔热层厚度为0m时的冷负荷为基础，0.01～0.2m的隔热层厚度对应的节能率为-2.0%、-4.2%、-9.1%、-10.8%和-13.0%。可以发现，隔热层厚度超过0.05m后负荷增长幅度明显，所以隔热层厚度不宜超过0.05m。

4 设计与验证

（1）绿化屋顶设计实践

传统绿化屋顶布置不灵活、施工难度大，一旦损坏难以修补。模块化种植屋面是一种以种植托盘为核心，集蓄水层、排水层、隔离层、生长层和种植层为一体的绿化屋顶，有效地解决了传统绿化屋面的劣势，具有成本低、便于维护等优点，更利于绿化屋顶的推广。因此本设计采用模块化种植绿化屋顶。

1 进行行测试的种植屋面构造

2 物资市场 2 号楼测点布置

3 屋顶外表面温度变化趋势

4 屋顶内表面温度变化趋势

设计将土壤厚度设为0.3m，导热率设为0.2W/（m·K），植被选用佛甲草，叶面积指数3。图9～11分别是绿化屋顶的局部平面、种植剖面、模块构造以及模块的连接方式。因为喷灌可以有效控制喷洒面积，不易引起管道堵塞且节约人工成本，所以本设计采用喷灌的方式。图 12是屋顶平面灌溉管道布置图。

（2）绿化屋顶成本分析

实测物资市场屋顶的面积为1 460m2，设计成本主要来自于：土壤基质、模块化容器、喷灌系统、佛甲草以及人工。根据网络咨询和实地考察可知，带土壤的佛甲草托盘苗约为80元/块，模块化绿化屋顶容器的单价在22～40元，常规喷灌系统的价格在3.4～4.6元/m2，徐州地区工人成本为250～300元/天。本次改造的总成本预计为297 981元，单价为 204 元/m2，符合李念秋、廖礼平等人的研究[28]。

（3）绿化屋顶能耗验证

根据上述设计，我们在SketchUP中对物资市场进行改造模拟并进行节能计算，然后将模拟和实测结果进行对比，验证其可靠性。

图13展示了空调冷负荷的模拟和实测结果，表8列举了冷负荷的主要参数。裸屋顶、原本绿化屋顶和改造后的绿化屋顶，其日均单位建筑面积空调冷负荷分别为1.26kW·h/m2、1.05kW·h/m2、0.92kW·h/m2，后两者的节能率分别是16.7%和27.0%，改造后的绿化屋顶比原本绿化屋顶节能12.4%。