屋頂綠化對西安市商業建筑能耗的影響研究

張梓鈺 閆增峰 張君杰 倪平安

摘要：近年來，全球氣候變暖問題日益嚴峻，我國新建大型商業建筑等能耗普遍偏高，其中運行階段是建筑全壽命周期的重點，有很大的降耗潛力。屋頂綠化作為被動式技術手段，既可以降低建筑運行階段能耗，又可以美化和改善環境，進而成為建筑設計的積極因素，但目前對商業建筑屋頂綠化的研究較少。因此，文章利用能耗模擬軟件DesignBuilder模擬分析了西安市商業建筑屋頂綠化及其關鍵參數（土壤基質厚度D和葉面積指數LAI）對建筑總能耗、供冷能耗、供暖能耗等方面的影響。結果表明，西安市商業建筑總能耗和土壤基質厚度呈負相關，在研究區間范圍內，建筑總能耗隨著土壤基質厚度的增加呈現波動趨勢，這是因為土壤基質對建筑夏季和冬季的作用效果不同，故體現在總能耗上呈現波動趨勢。建筑總能耗和葉面積指數呈負相關，由研究結果可知，葉面積指數主要影響夏季供冷作用，與其成反比，對冬季供暖幾乎沒有影響。文章所提出的屋頂綠化類型最大降低制冷和供暖能耗分別為157.0 MWh和92.0 MWh，分別節能1.97%和21.17%。當D=0.1 m、LAI=5時，綠化屋頂總能耗值最小，比無屋頂綠化降低了188.7 MWh，節能率為0.71%。文章分析在西安市商業建筑上采用屋頂綠化的節能效果和影響因素，同時為西安市公共建筑節能降耗和屋頂綠化設計提供一定的理論依據。

關鍵詞：屋頂綠化；西安；商業建筑；建筑節能；能耗模擬

中圖分類號：TU111.195；TU247 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）17-000-04

0 引言

近年來，新建的大量商業綜合體、商業辦公樓等導致公共建筑能耗總量大幅增長，2020年全國公共建筑總能耗占建筑總能耗的33%［1］，運行階段能源消耗是影響建筑節能降耗和環境污染的重要因素。屋頂綠化即綠化建筑屋頂表面，其中葉面積指數［2］（LAI）和土壤基質厚度［3］（D）是屋頂綠化的關鍵參數，屋頂綠化關鍵參數變化對建筑具體節能效果會產生不同影響。屋頂綠化不僅可以降低建筑能耗，還能提高綠地率、美化周邊環境，同時植物自身光合作用具有一定的生態效益，逐漸受到越來越多的關注。

目前，國內外針對建筑屋頂綠化已開展多項研究，主要聚焦建筑室內溫度、能耗等方面。例如，吉姆、阿亞塔、李以通等［4-8］研究發現，有屋頂綠化的建筑，其建筑室內外表面溫度較室外空氣溫度明顯降低。某兩層超市建筑［9］使用綠化屋頂后總能耗節省了15.1%。曾超等［10］125-128模擬了在四種氣候區下屋頂綠化對辦公建筑年節能率的影響，結果顯示，與各個氣候區的參照建筑相比，使用屋頂綠化后該辦公建筑全年采暖和空調總能耗可以降低4.01%～11%。部分學者還研究了屋頂綠化關鍵參數對建筑節能降耗的作用。例如，范樂等［11］的研究結果表明，單體建筑節能降耗的效果與屋頂綠化中植物的葉面積指數、覆土厚度和植物高度等參數相關。任婧等［12］通過EnergyPlus軟件模擬的方法分析了屋頂綠化關鍵參數對3個氣候區代表城市建筑能耗的影響，結果表明不同氣候區采用屋頂綠化對建筑節能的影響各異，所有結果中建筑屋頂綠化在土壤厚度為0.2 m、植被高度為0.1 m、葉面積指數為5時為最優參數配置。何楊等［13］的研究表明土壤厚度對建筑屋頂房間熱環境的作用在夏季為正相關，在冬季為非單調趨勢，但其沒有界定具體的建筑類型，因此具體建筑類型中的效果不夠明確。曾超等［10］126主要研究辦公建筑，從研究結果可以看出，隨著葉面積指數增大，建筑屋頂地面遮陰程度越高，植物葉片的氣孔阻力越小，此時葉層潛熱量傳遞越顯著。周立文等［14］利用兩層小型建筑研究屋頂綠化，結果表明，植物葉面積指數越高，屋頂綠化對其建筑周圍室外空氣溫度的降溫效果越好。

綜上所述，不同建筑屋頂綠化關鍵參數下得到的建筑能耗影響和規律差異明顯，同時目前對大型商業建筑屋頂綠化效果研究較少。我國公共建筑能耗普遍較高，西安商業建筑中采用屋頂綠化的現狀對整個城市環境的發展促進尚有不足［15-17］。因此，本文使用定量的方法來研究屋頂綠化及其關鍵參數（葉面積指數和土壤厚度）對大型商業建筑的節能效果影響和規律，以評估屋頂綠化在西安商業建筑中的節能潛力，為改善公共建筑能源消耗和發展屋頂綠化提供建議與依據。

1 研究方法

屋頂綠化具體效果受室外氣象、建筑圍護結構的構造等參數共同影響，其影響過程相對復雜，因此，使用軟件進行模擬時要求軟件內部有合理的建筑結合屋頂綠化模型。2008年，塞勒［18］1469-1472基于FASST模型與能量平衡對屋頂綠化中的土壤基質層和植被層兩層構造建立了耦合數學模型，并首次將其應用到EnergyPlus軟件中，最后通過實測驗證了其結果準確性。DesignBuilder是第一個以EnergyPlus建筑能耗動態模擬引擎為核心開發的綜合用戶圖形界面模擬軟件［19］，能逐時模擬建筑全年能耗、建筑冷熱負荷。DesignBuilder相較于EnergyPlus，融合了后者的所有優勢，同時解決了其用戶界面不夠友好的問題。國內外眾多研究都驗證了其準確性，例如，馬哈茂德［20］等人將肯尼亞達赫蘭建筑的3個月實測數據與DesignBuilder模擬能耗數據進行對比，證明其預測的準確性。因此，本文采用DesignBuilder建筑能耗模擬軟件對西安典型商業建筑能耗進行模擬，并對其結果進行分析［21］。

2 研究案例

2.1 室外氣象參數

太陽輻射、室外空氣溫度等氣候因素在能量平衡模型中起著至關重要的作用。西安屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冷暖干濕，四季分明，位于關中平原一帶，東經107°40′～109°49′，北緯33°42′～34°45′，太陽能資源豐富［22］，根據EnergyPlus官網中的氣象數據庫，西安年平均溫度為14.1℃，夏季最高日均溫度為31.7℃，冬季最低日均溫度為-3.5℃，年均太陽輻射強度為110.8 kWh/m2。

2.2 模型建立

選取西安某典型商業建筑進行現場調研和測繪，該建筑為2008年建造，框架結構、東西向，建筑長226 m、寬106 m，地上4層，地下2層，建筑總面積為130 000 m2。根據實際情況對該建筑模型進行一定的簡化，建立模型如圖1所示（東立面中的塔樓不在本研究范圍內）。該建筑夏季制冷和冬季采暖使用同一系統，商場的營業時間為10：00—22：00，同時使用此時間作為該商場建筑的空調運行時間，其余參數根據文獻及相關標準［23-24］設置。

根據綠化依附的建（構）筑物類型、立體綠化建設場地條件和功能需求，屋頂綠化可分為花園式、組合式和簡單式［25］等不同類型。西安商業建筑屋頂綠化主要為花園式屋頂綠化，即根據建（構）筑屋面荷載、場地空間特點、場地生境條件及生境類型等，種植小喬木、灌木、攀緣植物和地被植物等，并設置園路鋪裝、園林小品及相關設施的屋頂綠化類型，可供人們游覽、休憩、活動。

屋頂綠化構造層由裸屋頂基本構造與綠化層構成。綠化層包括土壤基質和植被層。其中，植物類型從草本到喬木一般有0.1米到幾米高不等，根據以往研究［18］1473，設置植物高度為0.7 m，土壤熱導率［26］參數為0.45 W/m·K保持不變；對土壤基質厚度D（0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m）和葉面積指數LAI（0.1、1、3、5）不同參數進行設置，創建了屋頂綠化方案矩陣，對該建筑進行了20次模擬。

3 結果分析

3.1 屋頂綠化關鍵參數對建筑總能耗的影響

圖2是不同土壤基質厚度（D）和葉面積指數（LAI）條件下西安商業建筑屋頂綠化減少總能耗的情況。由圖2可知，能耗最小值出現在D=0.1 m，LAI=5時，與裸屋頂相比，減少了188.7 MWh，節能率為0.71%；頂層房間節能率為3.12%。考慮到部分商業建筑建設時間較早，可能存在未設保溫層的情況，因此本文模擬了未設置建筑保溫層時采用屋頂綠化的情況，與裸屋頂相比，降低了595 MWh，節能率為2.17%。商業建筑本身運行階段能耗很高，屋頂綠化作為一種被動式技術，能夠節能0.71%～2.17%，具有很強的現實意義。同時，本文在節能率的基礎上給出了相對的節能量，從而評價屋頂綠化的節能效果。

當LAI＜1時，建筑總能耗減少量和土壤基質厚度呈正相關，說明此時土壤厚度越大，越能有效降低建筑能耗；當1＜LAI＜5時，隨著土壤基質厚度的增加，建筑能耗減少量呈先降低再升高的波動趨勢。當土壤基質厚度一定時，屋頂綠化對建筑總能耗減少量與葉面積指數呈正相關，在D=0.1m時，葉面積作用最顯著，此時增加葉面積指數能起到最好的降低建筑能耗的效果。

3.2 屋頂綠化關鍵參數對建筑制冷能耗的影響

圖3為不同土壤基質厚度（D）和葉面積指數（LAI）條件下西安商業建筑屋頂綠化減少制冷能耗的情況。由圖3可知，能耗最小值出現在D=0.1m，LAI=5時，與裸屋頂相比，降低了157.0 MWh，節能率為1.95%；頂層房間節能率為9.35%。屋頂未設置保溫層時減少了387.5 MWh，節能率為4.64%。

當葉面積指數一定時，制冷能耗減少量和土壤基質厚度呈負相關，增加土壤基質厚度等效于增加了土壤的蓄熱作用，不利于建筑散熱，因此不利于降低建筑制冷能耗。當土壤基質厚度一定時，制冷能耗減少量和葉面積指數呈正相關，在D＜0.2 m時，葉面積指數對建筑制冷能耗降低的作用最顯著。這是因為葉面積指數的增加，提升了植物覆蓋率，減少了傳入土壤基質層的太陽輻射熱量，從而降低了建筑室內的供冷能耗。但當土壤基質厚度越大，增加葉面積指數對建筑能耗減少效果幾乎沒有影響。

3.3 屋頂綠化關鍵參數對建筑供暖能耗的影響

圖4是不同土壤基質厚度（D）和葉面積指數（LAI）條件下西安商業建筑屋頂綠化減少供暖能耗的情況。如圖4所示，能耗最小值出現在D=0.5 m，LAI=0.1的條件下，與裸屋頂相比，減少了92 MWh，節能率為21.17%；頂層房間節能率為73.88%。屋頂未設置保溫層時減少了454.7 MWh，節能率為53.33%。當葉面積指數一定時，供暖能耗減少量和土壤基質厚度呈正相關，說明土壤厚度越大，越能有效降低建筑供暖能耗；當土壤基質厚度一定時，供暖能耗減少量幾乎沒有變化，說明增加葉面積指數對建筑供暖能耗幾乎沒有影響。

4 結語

本文通過DesignBuilder軟件對采用不同參數屋頂綠化的西安某商業建筑能耗進行了模擬，屋頂植被布局為全覆蓋，在所選定的土壤基質厚度（D）和葉面積指數（LAI）這兩個關鍵性參數取值范圍內，可以得出以下結論。

第一，屋頂綠化中土壤基質厚度與西安大型商業建筑制冷能耗、供暖能耗和總能耗的關系：制冷能耗與土壤基質厚度成正比，供暖能耗與土壤基質厚度呈負相關，即西安商業建筑制冷能耗隨著土壤基質厚度的增加而增加，供暖能耗趨勢相反。當LAI＜1時，建筑總能耗與土壤基質厚度呈負相關；當1＜LAI＜5時，建筑總能耗隨著土壤基質厚度的增加而呈現波動趨勢。這是因為隨著土壤基質厚度的增加，土壤的蓄熱作用不利于夏季的建筑散熱，制冷能耗呈現上升趨勢，而冬季室內熱損失越小，保溫效果越好，供暖能耗隨之降低，因此總能耗是由兩者綜合決定的。

第二，屋頂綠化中葉面積指數與西安大型商業建筑制冷能耗、供暖能耗和總能耗的關系：制冷能耗與葉面積指數成反比，在相同的土壤基質厚度下改變葉面積指數對供暖能耗幾乎沒有影響；建筑總能耗與葉面積指數呈負相關，葉面積指數越大，建筑總能耗越小。這是因為葉面積指數的增加影響了屋頂的遮陰面積、植物氣孔阻力等，進而減少傳入室內的熱流，提高建筑夏季的隔熱性能。

第三，由于太陽輻射被葉片反射、吸收和土壤的蓄熱作用，因此減少了傳遞到房間的熱量，起到節能減碳的作用。采用屋頂綠化的商業建筑全年總能耗指標最低在D=0.1 m，LAI=5時，較裸屋頂降低188.7 MWh，節能率為0.71%，屋頂節能率為3.12%；較無保溫建筑減少599.6 MWh，節能2.17%。制冷能耗指標最低在D=0.1 m，LAI=5時，較裸屋頂降低156.9 MWh，節能率為1.95%，屋頂節能率為9.35%；較無保溫建筑減少387.6 MWh，節能4.64%。供暖能耗指標最低在D=0.5 m，LAI=0.1時，較裸屋頂降低92 MWh，節能率為21.17%，屋頂節能率為73.88%；較無保溫建筑減少454.8 MWh，節能53.33%。

屋頂綠化中土壤的蓄熱作用，可以對建筑起到保溫作用。西安冬季大部分時間室外溫度都低于室內溫度，采用屋頂綠化可以使已有保溫層的建筑冬季保溫效果更好，并產生節能效果，為西安建筑保溫與節能提供一個新的思路。

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作者簡介：張梓鈺（1998—），女，四川南充人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：建筑節能與碳排放。

閆增峰（1969—），男，陜西耀州人，博士，教授，研究方

向：建筑節能、綠色建筑、遺址保護環境技術。

張君杰（1991—），男，安徽宣城人，博士在讀，研究方

向：建筑碳排放、遺址保護環境技術。

倪平安（1994—），男，四川德陽人，博士在讀，研究方

向：建筑節能、遺址保護環境技術。