寧波市住房和城鄉建設培訓中心垂直綠化示范項目熱性能分析

陳 洪 ,姚 健,李志磊,胡瑩堅

(1.寧波華聰建筑節能科技有限公司,浙江 寧波 315040；2.寧波大學,浙江 寧波 315211)

建筑立體綠化是城市綠化的重要形式之一,立體綠化不僅能豐富城區園林綠化的空間結構層次,起到打造城市立體景觀藝術的效果,而且對改善城市生態環境,減少熱島效應,吸塵并減少噪音和有害氣體均有作用[1]。該項目采用實測研究、對比分析、能耗模擬等方法,對培訓中心垂直綠化示范項目進行了熱性能分析。

1 項目概況

寧波市住房和城鄉建設培訓中心(以下簡稱“培訓中心”)是集辦公與住宿于一體的綜合性大樓,于1992年建成投入使用；主樓5層,兩側翼樓4層,用地面積為1 631.20 m2,總建筑面積為3 251.25 m2。培訓中心的立體綠化工程,主要包括外墻立體綠化改造(圖1)及屋頂綠化改造；工程于2017年實施完成,實際投入運行近3年。

圖1 外墻垂直綠化改造后實景圖

2 熱效果(室內外溫度)測試

2.1 測點選取

為了更好地評估立體綠化(墻面及屋頂綠化)對室內外溫度環境的影響,特選取了5個測點對溫度進行連續監測分析，見表1。

表1 溫度檢測部位匯總

2.2 測試結果分析

從表2的檢測報告和監測數據來看,上述測試日期都屬于太陽輻射較強的時間段,水平面太陽輻射強度最高時達到了1 000 W/m2以上,表明測試條件很好地選取了寧波的典型夏季。從綠化改造效果的對比來看,有屋頂綠化和墻面綠化的部位,夏季隔熱效果明顯優于非綠化部位,其中5層屋頂板底部的平均降溫0.5 ℃,4層部分為0.1℃。而垂直綠化部位的效果更明顯,西向綠化部位外窗內表面比未綠化部位平均降溫1.1℃,而南向則平均降溫1.5℃。見圖2、圖3。

表2 屋面輻照檢查匯總

圖2 夏季4層南向玻璃溫度對比

圖3 夏季4層西向玻璃溫度對比

而從最大降溫方面來看,西向綠化部位外窗內表面比未綠化部位最高降溫12℃,其次是南向玻璃部位,最高降溫6.5℃,而其他部位在1℃左右。因此,綠化不僅降低建筑圍護結構內表面溫度[2],而且對內表面的最高溫度降低也具有顯著的作用[3]。

不過從測試結果來看,綠化對冬季室內溫度略有不利影響,特采取綠化的部位內表面平均溫度都低于未綠化部位,這可能是由于綠化遮擋了太陽輻射,使得冬天建筑得熱有所降低。但兩者溫差不是很大,平均只有0.2℃左右,因此,綜合夏季和冬季的兩者效果,立體綠化對節能和改善室內熱舒適的效果是明顯的。

3 實際能耗數據監測分析

為了綜合評估改造前后建筑的能源消耗(主要指電力消耗),對改造前后的建筑能耗監測情況進行了分析,相關數據均來源于培訓中心能耗監測平臺的數據記錄。

3.1 夏季

根據圖4和圖5的能耗對比,改造前后逐日能耗有高有低,為確定是否由于隨機因素等引起結果差異,特采取統計學檢驗的方法,對改造后能耗是否降低進行檢驗,采用兩獨立樣本t檢驗方法[4]。t檢驗統計量計算公式為：

圖4 培訓中心綠化改造前后7月份能耗對比

圖5 培訓中心綠化改造前后8月份能耗對比

n1和n2為兩樣本容量。

檢驗的零假設為兩個樣本均值相同。

檢驗結果7月份t統計量為3.826 1>2(0.05顯著性水平的臨界值),且P檢驗值為0.000 312 79<0.05；8月份t統計量為2.196 3>2,且P檢驗值為0.031 9<0.05。因此,拒絕原假設,可以確定改造后的夏季能耗確實小于改造前。

3.2 冬季

根據圖6和圖7的能耗對比,改造前后冬季逐日能耗有高有低,為確定是否由于隨機因素等引起結果差異,采取和夏季一樣的t檢驗法,檢驗結果12月份t統計量為2.636 5>2(0.05顯著性水平的臨界值),且P檢驗值為0.010 6<0.05；1月份t統計量為3.382 8>2,且P檢驗值為0.001 3<0.05。因此,上面的檢驗結果表明拒絕原假設,認為改造前后冬季能耗有顯著差別,改造后采暖能耗有降低。

圖6 培訓中心綠化改造前后12月份能耗對比

圖7 培訓中心綠化改造前后1月份能耗對比

4 培訓中心能耗模擬分析

為和能耗監測數據進行對比,進一步追溯實際工程中如何準確評估立體綠化對能源消耗的影響,本項目對培訓中心采取屋頂綠化和墻面綠化的節能效果進行了模擬研究。采用Design Builder軟件進行模擬分析[5],模型見圖8,相關熱工參數設置參考項目節能計算書。

圖8 培訓中心能耗分析模型

能耗計算結果見表3。原設計空調(制冷與制熱)耗電量為174 003.42+83 514.79=257 518.21 kW·h,增加立體綠化后,制冷與制熱的耗電量為158 647.37+81 970.05=240 617.42 kWh。因此,增加立體綠化后,節省能耗(257 518.21-240 617.42)/257 518.21×100%=6.56%。這與前面能耗監測得到的數據略有偏差(能耗監測的節能量比能耗計算的節能效果好),這是由于實際能耗使用受到天氣及各人空調的使用習慣等的影響。因此,從能耗模擬和能耗監測的結果可以看出,屋頂綠化的節能效果是比較顯著的,不僅可以降低空調能耗，而且還可以降低采暖能耗。

表3 設計建筑與參照建筑能耗對比

5 屋頂綠化等效熱阻分析

5.1 屋頂綠化等效熱阻計算方法

本研究采用了美國勞倫斯伯克利實驗室最新的建筑能耗模擬軟件Energyplus進行分析,該軟件包含了屋頂綠化的分析功能。但墻體綠化模塊暫時還未開發,因此本研究只分析屋頂綠化的影響[6]。Energyplus中的屋頂綠化模塊見圖9。

圖9 Energyplus中屋頂綠化傳熱模型

其能量平衡方程[7]如下：

其中σf根據葉面積指數LAI(葉片總面積/植被的占地面積)確定：

σf=0.9-0.7exp-0.75LAI

其他參數如F是指植物層的凈流量等,這里不一一介紹。

由于屋頂綠化構造方式根據植物種類及覆土厚度不同,故有多種不同組合方式,其中植物種類對植物當量葉面積指數LAI(葉片總面積/植被的占地面積)影響較大,對隔熱效果影響顯著。因此,研究時考慮上述兩種參數的不同組合。

5.2 不同綠化的等效熱阻計算結果

對不同LAI(葉片總面積/植被的占地面積)和覆土層厚度d組合下的情況進行分析,可以得到目前各種綠化配置下的等效熱阻,見圖10。

圖10 不同LAI(葉片總面積/植被的占地面積)和d(覆土層厚度)組合下的屋頂綠化等效熱阻

根據計算得到的等效熱阻,可以看出對于常見的地被植物, 如佛甲草(LAI(葉片總面積/植被的占地面積)=2.7),覆土層為0.1時,等效熱阻大約為0.75 m2K/W;而當覆土層為0.2時,等效熱阻大約為0.45 m2K/W。

6 結 語

隨著城市化進程的不斷加快,立體綠化已經是現代城市綠化發展的必然趨勢。本研究從多個維度,對培訓中心垂直綠化示范項目進行了熱性能分析,重點完善了如下內容：

1)對立體綠化改造后的建筑熱性能進行實測,并結合實際能耗監測數據,對立體綠化改造前后的熱性能進行對比分析。

2)采用國際上通用的Design Builder軟件中的屋頂綠化模型,對改造前后的能耗進行模擬分析,并與1)的結論進行對比分析。

3)結合相關研究成果[1-7],對屋頂綠化折合等效熱阻數值進行回歸分析,為后期廣大工程技術人員進行節能分析提供技術參考。