屋顶绿化对西安市商业建筑能耗的影响研究

张梓钰 闫增峰 张君杰 倪平安

摘要：近年来，全球气候变暖问题日益严峻，我国新建大型商业建筑等能耗普遍偏高，其中运行阶段是建筑全寿命周期的重点，有很大的降耗潜力。屋顶绿化作为被动式技术手段，既可以降低建筑运行阶段能耗，又可以美化和改善环境，进而成为建筑设计的积极因素，但目前对商业建筑屋顶绿化的研究较少。因此，文章利用能耗模拟软件DesignBuilder模拟分析了西安市商业建筑屋顶绿化及其关键参数（土壤基质厚度D和叶面积指数LAI）对建筑总能耗、供冷能耗、供暖能耗等方面的影响。结果表明，西安市商业建筑总能耗和土壤基质厚度呈负相关，在研究区间范围内，建筑总能耗随着土壤基质厚度的增加呈现波动趋势，这是因为土壤基质对建筑夏季和冬季的作用效果不同，故体现在总能耗上呈现波动趋势。建筑总能耗和叶面积指数呈负相关，由研究结果可知，叶面积指数主要影响夏季供冷作用，与其成反比，对冬季供暖几乎没有影响。文章所提出的屋顶绿化类型最大降低制冷和供暖能耗分别为157.0 MWh和92.0 MWh，分别节能1.97%和21.17%。当D=0.1 m、LAI=5时，绿化屋顶总能耗值最小，比无屋顶绿化降低了188.7 MWh，节能率为0.71%。文章分析在西安市商业建筑上采用屋顶绿化的节能效果和影响因素，同时为西安市公共建筑节能降耗和屋顶绿化设计提供一定的理论依据。

关键词：屋顶绿化；西安；商业建筑；建筑节能；能耗模拟

中图分类号：TU111.195；TU247 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）17-000-04

0 引言

近年来，新建的大量商业综合体、商业办公楼等导致公共建筑能耗总量大幅增长，2020年全国公共建筑总能耗占建筑总能耗的33%［1］，运行阶段能源消耗是影响建筑节能降耗和环境污染的重要因素。屋顶绿化即绿化建筑屋顶表面，其中叶面积指数［2］（LAI）和土壤基质厚度［3］（D）是屋顶绿化的关键参数，屋顶绿化关键参数变化对建筑具体节能效果会产生不同影响。屋顶绿化不仅可以降低建筑能耗，还能提高绿地率、美化周边环境，同时植物自身光合作用具有一定的生态效益，逐渐受到越来越多的关注。

目前，国内外针对建筑屋顶绿化已开展多项研究，主要聚焦建筑室内温度、能耗等方面。例如，吉姆、阿亚塔、李以通等［4-8］研究发现，有屋顶绿化的建筑，其建筑室内外表面温度较室外空气温度明显降低。某两层超市建筑［9］使用绿化屋顶后总能耗节省了15.1%。曾超等［10］125-128模拟了在四种气候区下屋顶绿化对办公建筑年节能率的影响，结果显示，与各个气候区的参照建筑相比，使用屋顶绿化后该办公建筑全年采暖和空调总能耗可以降低4.01%～11%。部分学者还研究了屋顶绿化关键参数对建筑节能降耗的作用。例如，范乐等［11］的研究结果表明，单体建筑节能降耗的效果与屋顶绿化中植物的叶面积指数、覆土厚度和植物高度等参数相关。任婧等［12］通过EnergyPlus软件模拟的方法分析了屋顶绿化关键参数对3个气候区代表城市建筑能耗的影响，结果表明不同气候区采用屋顶绿化对建筑节能的影响各异，所有结果中建筑屋顶绿化在土壤厚度为0.2 m、植被高度为0.1 m、叶面积指数为5时为最优参数配置。何杨等［13］的研究表明土壤厚度对建筑屋顶房间热环境的作用在夏季为正相关，在冬季为非单调趋势，但其没有界定具体的建筑类型，因此具体建筑类型中的效果不够明确。曾超等［10］126主要研究办公建筑，从研究结果可以看出，随着叶面积指数增大，建筑屋顶地面遮阴程度越高，植物叶片的气孔阻力越小，此时叶层潜热量传递越显著。周立文等［14］利用两层小型建筑研究屋顶绿化，结果表明，植物叶面积指数越高，屋顶绿化对其建筑周围室外空气温度的降温效果越好。

综上所述，不同建筑屋顶绿化关键参数下得到的建筑能耗影响和规律差异明显，同时目前对大型商业建筑屋顶绿化效果研究较少。我国公共建筑能耗普遍较高，西安商业建筑中采用屋顶绿化的现状对整个城市环境的发展促进尚有不足［15-17］。因此，本文使用定量的方法来研究屋顶绿化及其关键参数（叶面积指数和土壤厚度）对大型商业建筑的节能效果影响和规律，以评估屋顶绿化在西安商业建筑中的节能潜力，为改善公共建筑能源消耗和发展屋顶绿化提供建议与依据。

1 研究方法

屋顶绿化具体效果受室外气象、建筑围护结构的构造等参数共同影响，其影响过程相对复杂，因此，使用软件进行模拟时要求软件内部有合理的建筑结合屋顶绿化模型。2008年，塞勒［18］1469-1472基于FASST模型与能量平衡对屋顶绿化中的土壤基质层和植被层两层构造建立了耦合数学模型，并首次将其应用到EnergyPlus软件中，最后通过实测验证了其结果准确性。DesignBuilder是第一个以EnergyPlus建筑能耗动态模拟引擎为核心开发的综合用户图形界面模拟软件［19］，能逐时模拟建筑全年能耗、建筑冷热负荷。DesignBuilder相较于EnergyPlus，融合了后者的所有优势，同时解决了其用户界面不够友好的问题。国内外众多研究都验证了其准确性，例如，马哈茂德［20］等人将肯尼亚达赫兰建筑的3个月实测数据与DesignBuilder模拟能耗数据进行对比，证明其预测的准确性。因此，本文采用DesignBuilder建筑能耗模拟软件对西安典型商业建筑能耗进行模拟，并对其结果进行分析［21］。

2 研究案例

2.1 室外气象参数

太阳辐射、室外空气温度等气候因素在能量平衡模型中起着至关重要的作用。西安属于暖温带半湿润大陆性季风气候，冷暖干湿，四季分明，位于关中平原一带，东经107°40′～109°49′，北纬33°42′～34°45′，太阳能资源丰富［22］，根据EnergyPlus官网中的气象数据库，西安年平均温度为14.1℃，夏季最高日均温度为31.7℃，冬季最低日均温度为-3.5℃，年均太陽辐射强度为110.8 kWh/m2。

2.2 模型建立

选取西安某典型商业建筑进行现场调研和测绘，该建筑为2008年建造，框架结构、东西向，建筑长226 m、宽106 m，地上4层，地下2层，建筑总面积为130 000 m2。根据实际情况对该建筑模型进行一定的简化，建立模型如图1所示（东立面中的塔楼不在本研究范围内）。该建筑夏季制冷和冬季采暖使用同一系统，商场的营业时间为10：00—22：00，同时使用此时间作为该商场建筑的空调运行时间，其余参数根据文献及相关标准［23-24］设置。

根据绿化依附的建（构）筑物类型、立体绿化建设场地条件和功能需求，屋顶绿化可分为花园式、组合式和简单式［25］等不同类型。西安商业建筑屋顶绿化主要为花园式屋顶绿化，即根据建（构）筑屋面荷载、场地空间特点、场地生境条件及生境类型等，种植小乔木、灌木、攀缘植物和地被植物等，并设置园路铺装、园林小品及相关设施的屋顶绿化类型，可供人们游览、休憩、活动。

屋顶绿化构造层由裸屋顶基本构造与绿化层构成。绿化层包括土壤基质和植被层。其中，植物类型从草本到乔木一般有0.1米到几米高不等，根据以往研究［18］1473，设置植物高度为0.7 m，土壤热导率［26］参数为0.45 W/m·K保持不变；对土壤基质厚度D（0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m）和叶面积指数LAI（0.1、1、3、5）不同参数进行设置，创建了屋顶绿化方案矩阵，对该建筑进行了20次模拟。

3 结果分析

3.1 屋顶绿化关键参数对建筑总能耗的影响

图2是不同土壤基质厚度（D）和叶面积指数（LAI）条件下西安商业建筑屋顶绿化减少总能耗的情况。由图2可知，能耗最小值出现在D=0.1 m，LAI=5时，与裸屋顶相比，减少了188.7 MWh，节能率为0.71%；顶层房间节能率为3.12%。考虑到部分商业建筑建设时间较早，可能存在未设保温层的情况，因此本文模拟了未设置建筑保温层时采用屋顶绿化的情况，与裸屋顶相比，降低了595 MWh，节能率为2.17%。商业建筑本身运行阶段能耗很高，屋顶绿化作为一种被动式技术，能够节能0.71%～2.17%，具有很强的现实意义。同时，本文在节能率的基础上给出了相对的节能量，从而评价屋顶绿化的节能效果。

当LAI＜1时，建筑总能耗减少量和土壤基质厚度呈正相关，说明此时土壤厚度越大，越能有效降低建筑能耗；当1＜LAI＜5时，随着土壤基质厚度的增加，建筑能耗减少量呈先降低再升高的波动趋势。当土壤基质厚度一定时，屋顶绿化对建筑总能耗减少量与叶面积指数呈正相关，在D=0.1m时，叶面积作用最显著，此时增加叶面积指数能起到最好的降低建筑能耗的效果。

3.2 屋顶绿化关键参数对建筑制冷能耗的影响

图3为不同土壤基质厚度（D）和叶面积指数（LAI）条件下西安商业建筑屋顶绿化减少制冷能耗的情况。由图3可知，能耗最小值出现在D=0.1m，LAI=5时，与裸屋顶相比，降低了157.0 MWh，节能率为1.95%；顶层房间节能率为9.35%。屋顶未设置保温层时减少了387.5 MWh，节能率为4.64%。

当叶面积指数一定时，制冷能耗减少量和土壤基质厚度呈负相关，增加土壤基质厚度等效于增加了土壤的蓄热作用，不利于建筑散热，因此不利于降低建筑制冷能耗。当土壤基质厚度一定时，制冷能耗减少量和叶面积指数呈正相关，在D＜0.2 m时，叶面积指数对建筑制冷能耗降低的作用最显著。这是因为叶面积指数的增加，提升了植物覆盖率，减少了传入土壤基质层的太阳辐射热量，从而降低了建筑室内的供冷能耗。但当土壤基质厚度越大，增加叶面积指数对建筑能耗减少效果几乎没有影响。

3.3 屋顶绿化关键参数对建筑供暖能耗的影响

图4是不同土壤基质厚度（D）和叶面积指数（LAI）条件下西安商业建筑屋顶绿化减少供暖能耗的情况。如图4所示，能耗最小值出现在D=0.5 m，LAI=0.1的条件下，与裸屋顶相比，减少了92 MWh，节能率为21.17%；顶层房间节能率为73.88%。屋顶未设置保温层时减少了454.7 MWh，节能率为53.33%。当叶面积指数一定时，供暖能耗减少量和土壤基质厚度呈正相关，说明土壤厚度越大，越能有效降低建筑供暖能耗；当土壤基质厚度一定时，供暖能耗减少量几乎没有变化，说明增加叶面积指数对建筑供暖能耗几乎没有影响。

4 结语

本文通过DesignBuilder软件对采用不同参数屋顶绿化的西安某商业建筑能耗进行了模拟，屋顶植被布局为全覆盖，在所选定的土壤基质厚度（D）和叶面积指数（LAI）这两个关键性参数取值范围内，可以得出以下结论。

第一，屋顶绿化中土壤基质厚度与西安大型商业建筑制冷能耗、供暖能耗和总能耗的关系：制冷能耗与土壤基质厚度成正比，供暖能耗与土壤基质厚度呈负相关，即西安商业建筑制冷能耗随着土壤基质厚度的增加而增加，供暖能耗趋势相反。当LAI＜1时，建筑总能耗与土壤基质厚度呈负相关；当1＜LAI＜5时，建筑总能耗随着土壤基质厚度的增加而呈现波动趋势。这是因为随着土壤基质厚度的增加，土壤的蓄热作用不利于夏季的建筑散熱，制冷能耗呈现上升趋势，而冬季室内热损失越小，保温效果越好，供暖能耗随之降低，因此总能耗是由两者综合决定的。

第二，屋顶绿化中叶面积指数与西安大型商业建筑制冷能耗、供暖能耗和总能耗的关系：制冷能耗与叶面积指数成反比，在相同的土壤基质厚度下改变叶面积指数对供暖能耗几乎没有影响；建筑总能耗与叶面积指数呈负相关，叶面积指数越大，建筑总能耗越小。这是因为叶面积指数的增加影响了屋顶的遮阴面积、植物气孔阻力等，进而减少传入室内的热流，提高建筑夏季的隔热性能。

第三，由于太阳辐射被叶片反射、吸收和土壤的蓄热作用，因此减少了传递到房间的热量，起到节能减碳的作用。采用屋顶绿化的商业建筑全年总能耗指标最低在D=0.1 m，LAI=5时，较裸屋顶降低188.7 MWh，节能率为0.71%，屋顶节能率为3.12%；较无保温建筑减少599.6 MWh，节能2.17%。制冷能耗指标最低在D=0.1 m，LAI=5时，较裸屋顶降低156.9 MWh，节能率为1.95%，屋顶节能率为9.35%；较无保温建筑减少387.6 MWh，节能4.64%。供暖能耗指标最低在D=0.5 m，LAI=0.1时，较裸屋顶降低92 MWh，节能率为21.17%，屋顶节能率为73.88%；较无保温建筑减少454.8 MWh，节能53.33%。

屋顶绿化中土壤的蓄热作用，可以对建筑起到保温作用。西安冬季大部分时间室外温度都低于室内温度，采用屋顶绿化可以使已有保温层的建筑冬季保温效果更好，并产生节能效果，为西安建筑保温与节能提供一个新的思路。

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作者简介：张梓钰（1998—），女，四川南充人，硕士在读，系本文通讯作者，研究方向：建筑节能与碳排放。

闫增峰（1969—），男，陕西耀州人，博士，教授，研究方

向：建筑节能、绿色建筑、遗址保护环境技术。

张君杰（1991—），男，安徽宣城人，博士在读，研究方

向：建筑碳排放、遗址保护环境技术。

倪平安（1994—），男，四川德阳人，博士在读，研究方

向：建筑节能、遗址保护环境技术。