陳 洪 ,姚 健,李志磊,胡瑩堅(jiān)

(1.寧波華聰建筑節(jié)能科技有限公司,浙江 寧波 315040；2.寧波大學(xué),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(qū)園林綠化的空間結(jié)構(gòu)層次,起到打造城市立體景觀(guān)藝術(shù)的效果,而且對(duì)改善城市生態(tài)環(huán)境,減少熱島效應(yīng),吸塵并減少噪音和有害氣體均有作用[1]。該項(xiàng)目采用實(shí)測(cè)研究、對(duì)比分析、能耗模擬等方法,對(duì)培訓(xùn)中心垂直綠化示范項(xiàng)目進(jìn)行了熱性能分析。

1 項(xiàng)目概況

寧波市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)培訓(xùn)中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“培訓(xùn)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(cè)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(xùn)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(shí)施完成,實(shí)際投入運(yùn)行近3年。

圖1 外墻垂直綠化改造后實(shí)景圖

2 熱效果(室內(nèi)外溫度)測(cè)試

2.1 測(cè)點(diǎn)選取

為了更好地評(píng)估立體綠化(墻面及屋頂綠化)對(duì)室內(nèi)外溫度環(huán)境的影響,特選取了5個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)分析，見(jiàn)表1。

表1 溫度檢測(cè)部位匯總

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

從表2的檢測(cè)報(bào)告和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看,上述測(cè)試日期都屬于太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的時(shí)間段,水平面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最高時(shí)達(dá)到了1 000 W/m2以上,表明測(cè)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(duì)比來(lái)看,有屋頂綠化和墻面綠化的部位,夏季隔熱效果明顯優(yōu)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(nèi)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(jiàn)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(duì)比

圖3 夏季4層西向玻璃溫度對(duì)比

而從最大降溫方面來(lái)看,西向綠化部位外窗內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度[2],而且對(duì)內(nèi)表面的最高溫度降低也具有顯著的作用[3]。

不過(guò)從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,綠化對(duì)冬季室內(nèi)溫度略有不利影響,特采取綠化的部位內(nèi)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(yáng)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(duì)節(jié)能和改善室內(nèi)熱舒適的效果是明顯的。

3 實(shí)際能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析

為了綜合評(píng)估改造前后建筑的能源消耗(主要指電力消耗),對(duì)改造前后的建筑能耗監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行了分析,相關(guān)數(shù)據(jù)均來(lái)源于培訓(xùn)中心能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)記錄。

3.1 夏季

根據(jù)圖4和圖5的能耗對(duì)比,改造前后逐日能耗有高有低,為確定是否由于隨機(jī)因素等引起結(jié)果差異,特采取統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)的方法,對(duì)改造后能耗是否降低進(jìn)行檢驗(yàn),采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)方法[4]。t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式為：

圖4 培訓(xùn)中心綠化改造前后7月份能耗對(duì)比

圖5 培訓(xùn)中心綠化改造前后8月份能耗對(duì)比

n1和n2為兩樣本容量。

檢驗(yàn)的零假設(shè)為兩個(gè)樣本均值相同。

檢驗(yàn)結(jié)果7月份t統(tǒng)計(jì)量為3.826 1>2(0.05顯著性水平的臨界值),且P檢驗(yàn)值為0.000 312 79<0.05；8月份t統(tǒng)計(jì)量為2.196 3>2,且P檢驗(yàn)值為0.031 9<0.05。因此,拒絕原假設(shè),可以確定改造后的夏季能耗確實(shí)小于改造前。

3.2 冬季

根據(jù)圖6和圖7的能耗對(duì)比,改造前后冬季逐日能耗有高有低,為確定是否由于隨機(jī)因素等引起結(jié)果差異,采取和夏季一樣的t檢驗(yàn)法,檢驗(yàn)結(jié)果12月份t統(tǒng)計(jì)量為2.636 5>2(0.05顯著性水平的臨界值),且P檢驗(yàn)值為0.010 6<0.05；1月份t統(tǒng)計(jì)量為3.382 8>2,且P檢驗(yàn)值為0.001 3<0.05。因此,上面的檢驗(yàn)結(jié)果表明拒絕原假設(shè),認(rèn)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(xùn)中心綠化改造前后12月份能耗對(duì)比

圖7 培訓(xùn)中心綠化改造前后1月份能耗對(duì)比

4 培訓(xùn)中心能耗模擬分析

為和能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)一步追溯實(shí)際工程中如何準(zhǔn)確評(píng)估立體綠化對(duì)能源消耗的影響,本項(xiàng)目對(duì)培訓(xùn)中心采取屋頂綠化和墻面綠化的節(jié)能效果進(jìn)行了模擬研究。采用Design Builder軟件進(jìn)行模擬分析[5],模型見(jiàn)圖8,相關(guān)熱工參數(shù)設(shè)置參考項(xiàng)目節(jié)能計(jì)算書(shū)。

圖8 培訓(xùn)中心能耗分析模型

能耗計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。原設(shè)計(jì)空調(diào)(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(jié)省能耗(257 518.21-240 617.42)/257 518.21×100%=6.56%。這與前面能耗監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)略有偏差(能耗監(jiān)測(cè)的節(jié)能量比能耗計(jì)算的節(jié)能效果好),這是由于實(shí)際能耗使用受到天氣及各人空調(diào)的使用習(xí)慣等的影響。因此,從能耗模擬和能耗監(jiān)測(cè)的結(jié)果可以看出,屋頂綠化的節(jié)能效果是比較顯著的,不僅可以降低空調(diào)能耗，而且還可以降低采暖能耗。

表3 設(shè)計(jì)建筑與參照建筑能耗對(duì)比

5 屋頂綠化等效熱阻分析

5.1 屋頂綠化等效熱阻計(jì)算方法

本研究采用了美國(guó)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室最新的建筑能耗模擬軟件Energyplus進(jìn)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(shí)還未開(kāi)發(fā),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(jiàn)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(jù)葉面積指數(shù)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(shù)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(gòu)造方式根據(jù)植物種類(lèi)及覆土厚度不同,故有多種不同組合方式,其中植物種類(lèi)對(duì)植物當(dāng)量葉面積指數(shù)LAI(葉片總面積/植被的占地面積)影響較大,對(duì)隔熱效果影響顯著。因此,研究時(shí)考慮上述兩種參數(shù)的不同組合。

5.2 不同綠化的等效熱阻計(jì)算結(jié)果

對(duì)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(jìn)行分析,可以得到目前各種綠化配置下的等效熱阻,見(jiàn)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(jù)計(jì)算得到的等效熱阻,可以看出對(duì)于常見(jiàn)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(shí),等效熱阻大約為0.75 m2K/W;而當(dāng)覆土層為0.2時(shí),等效熱阻大約為0.45 m2K/W。

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快,立體綠化已經(jīng)是現(xiàn)代城市綠化發(fā)展的必然趨勢(shì)。本研究從多個(gè)維度,對(duì)培訓(xùn)中心垂直綠化示范項(xiàng)目進(jìn)行了熱性能分析,重點(diǎn)完善了如下內(nèi)容：

1)對(duì)立體綠化改造后的建筑熱性能進(jìn)行實(shí)測(cè),并結(jié)合實(shí)際能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)立體綠化改造前后的熱性能進(jìn)行對(duì)比分析。

2)采用國(guó)際上通用的Design Builder軟件中的屋頂綠化模型,對(duì)改造前后的能耗進(jìn)行模擬分析,并與1)的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比分析。

3)結(jié)合相關(guān)研究成果[1-7],對(duì)屋頂綠化折合等效熱阻數(shù)值進(jìn)行回歸分析,為后期廣大工程技術(shù)人員進(jìn)行節(jié)能分析提供技術(shù)參考。