摘 要

摘　要：通過(guò)對(duì)種植屋面能耗產(chǎn)生影響的土壤厚度、植物高度和葉面積指數(shù)(LAI)三因素三水平正交試驗(yàn)研究，分析影響種植屋面能耗的因素的主次順序，判斷因素的顯著性，為重慶辦公建筑

摘　要：通過(guò)對(duì)種植屋面能耗產(chǎn)生影響的土壤厚度、植物高度和葉面積指數(shù)(LAI)三因素三水平正交試驗(yàn)研究，分析影響種植屋面能耗的因素的主次順序，判斷因素的顯著性，為重慶辦公建筑種植屋面參數(shù)的選取提供參考。影響全年能耗的因素中土壤厚度、植物高度和LAI的影響為高度顯著，土壤厚度×LAI、植物高度×LAI的影響為顯著。重慶辦公建筑粗放式種植屋面在土壤厚度為0.3m、植物高度為0.3m、LAI為5時(shí)，全年能耗最小，為59.57kW·h／(m²·a)。

關(guān)鍵詞：種植屋面； 正交試驗(yàn)； 能耗模擬； 土壤厚度； 植物高度； 葉面積指數(shù)

Study on Orthogonal Experiment of Planted Roof

Abstract：Factors affecting energy consumption of planted roof include soil thickness，plant height and leaf area index(LAI)．Through the study on orthogonal experiment of three factors and three levels．The primary and secondary order of the factors affecting energy consumption of planted roof is analyzed，and the significance of the factors is assessed to provide the referenee for selection of planted roof parameters on office buildings in Chongqing City．In these factors affecting the annual energy consumption，the influences of soil thickness，plant height and LAI are highly significant，and the influences of soil thickness ×LAI and plant height×LAI are significant．The annual minimum energy consumption of extensive planted roof on office buildings in Chongqing City is 59.57kW·h／(m²·a)when the soil thickness is 0.3m，the plant height is 0.3m，and the LAI is 5．

Keywords：planted roof；orthogonal expertment；energy consumption simulation；soil thickness；plant height；leaf area index

 

1　概述

種植屋面具有改善室內(nèi)熱濕環(huán)境、降低建筑能耗、延長(zhǎng)屋面使用壽命、改善城市微氣候、緩解熱島效應(yīng)和城市排水壓力等作用^[1-6]。重慶地區(qū)在迅速崛起，種植屋面是一種不占用地面的綠化形式，能很好地解決城市中大量基礎(chǔ)建設(shè)與綠化用地的矛盾，種植屋面的推廣應(yīng)用有利于把重慶打造成一座綠色節(jié)能城市。種植屋面的基本構(gòu)造從上至下一般為：植被層、種植土、過(guò)濾層、排(蓄)水層、耐根穿刺防水層、普通防水層、找坡層(找平層)、保溫(隔熱)層、結(jié)構(gòu)層^[7]。土壤的選擇、蓄排水技術(shù)、屋面材料以及屋面植被的選擇都關(guān)系著種植屋面的好壞。國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用以小灌木和地被植物為主、覆土薄、荷載輕、養(yǎng)護(hù)少、造價(jià)低的粗放式種植屋面。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在種植屋面的研究方面取得了豐碩的成果。Sailor^[8]、白雪蓮^[9]等建立了種植屋面能量平衡模型，明確了種植屋面的隔熱機(jī)理。Wong^[10]、唐鳴放^[11]等通過(guò)實(shí)測(cè)研究了種植屋面的當(dāng)量熱阻，評(píng)估了種植屋面的熱工性能。

屋面的生態(tài)環(huán)境與地面明顯不同，受屋面自然條件的限制，太陽(yáng)輻射、溫度、濕度、風(fēng)力等隨著層高的增加而呈現(xiàn)不同的變化，因此屋面的參數(shù)優(yōu)化選取至關(guān)重要。種植屋面通過(guò)遮陽(yáng)作用、熱阻、蒸騰蒸發(fā)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。葉面積指數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)LAI，是指單位土地面積上植物葉片總面積與土地面積之比，是一個(gè)無(wú)因次量)和植物高度影響植物的遮陽(yáng)作用，屋面構(gòu)造和土壤參數(shù)影響種植屋面的熱阻，土壤含水率和植物種類(lèi)及特征影響蒸騰蒸發(fā)作用。

針對(duì)近年來(lái)重慶地區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷的氣候特點(diǎn)，從種植屋面節(jié)能效果最大化的角度，對(duì)影響種植屋面能耗的土壤厚度、植物高度和LAI進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)研究，分析影響種植屋面能耗因素的主次順序，并判斷因素的顯著性，為重慶辦公建筑粗放式種植屋面參數(shù)的選取提供參考。

2　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1　設(shè)定三因素、三水平

試驗(yàn)?zāi)康氖谴_定重慶辦公建筑種植屋面參數(shù)的選取，以降低辦公建筑全年能耗，且全年能耗越小越好。影響全年能耗指標(biāo)的因素雖然很多，但對(duì)于已選定的試驗(yàn)地區(qū)和建筑類(lèi)型來(lái)說(shuō)，氣候條件、建筑使用時(shí)間是一定的。因?yàn)橥寥篮穸取⒅参锔叨群?span lang="EN-US">LAI通過(guò)影響屋面的熱阻、遮陽(yáng)作用和蒸騰蒸發(fā)速率來(lái)影響建筑的能耗，所以本試驗(yàn)設(shè)定土壤厚度、植物高度和LAl為三個(gè)考慮因素，并分別記為A、B、C。JGJ l55—2007《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定種植土壤厚度最少為100mm，小灌木種植土壤厚度為300～400mm，地被植物種植土壤厚度為l00～200mm^[7]。因此，設(shè)定土壤厚度(A)的三水平為0.1m、0.2m和0.3m。本試驗(yàn)選取的植物為草坪地被植物，設(shè)定植物高度(B)的三水平為0.1m、0.2m和0.3m。在一定取值范圍內(nèi)，LAI越大，植物截獲的太陽(yáng)能就越多，夏季遮陽(yáng)效果越好，冬季則為不利因素。LAI取值過(guò)大時(shí)，植物本身會(huì)產(chǎn)生相互遮陰，對(duì)植物蒸騰作用產(chǎn)生負(fù)面影響。試驗(yàn)選取的LAI(C)的三水平為1、3、5。

2.2　正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是利用正交表，科學(xué)合理地安排試驗(yàn)，設(shè)定因素和水平，以部分試驗(yàn)代替全面試驗(yàn)，減輕了工作量，方便快捷地找出對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有顯著影響的主要因素，進(jìn)而確定最佳因素、水平組合，使得試驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到最佳^[12]。

除了因素孤立地影響試驗(yàn)結(jié)果外，還存在因素間不同水平聯(lián)合對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。為考察土壤厚度、植物高度和LAI這三個(gè)主要因素及各主要因素間的交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著程度，本正交試驗(yàn)選用L27(3¹³)表，其表頭設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，L27(3¹³)中的27指試驗(yàn)次數(shù)為27次，3代表每個(gè)因素的水平個(gè)數(shù)為3，13代表可安排的因素為13個(gè)。表1中，(A×B)代表A與B兩因素的交互作用，(A×B)1、(A×B)2作為其交互作用的兩個(gè)因素，用于判斷A與B的不同水平組合時(shí)產(chǎn)生的交互作用大小，(A×C)、(B×C)意義與(A×B)相同；空列用于判斷試驗(yàn)的誤差。

 

3　種植屋面正交試驗(yàn)全年能耗模擬

3.1　EnergyPlus介紹

EnergyPlus是在美國(guó)能源部的支持下，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、伊利斯諾大學(xué)、美國(guó)軍隊(duì)建筑工程實(shí)驗(yàn)室、俄克拉何馬州立大學(xué)等共同開(kāi)發(fā)的一款全新的能耗分析軟件。它集成了建筑能耗分析軟件DOE-2和BLAST的優(yōu)點(diǎn)，具有變時(shí)間步長(zhǎng)、同步解決內(nèi)部和外部的熱平衡和負(fù)荷、可計(jì)算通過(guò)建筑構(gòu)件的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)、集成熱舒適模型和先進(jìn)的采光功能等創(chuàng)新性特點(diǎn)。

EnergyPlus集成并改進(jìn)了Sailor D J所建立的種植屋面能量平衡模型，把種植屋面的土壤層和植物層與建筑模型整合到一起，進(jìn)行能量平衡計(jì)算。種植屋面的太陽(yáng)輻射能量平衡，包括以顯熱(對(duì)流)、潛熱(蒸騰作用)、長(zhǎng)波熱輻射和導(dǎo)熱進(jìn)出土壤層和植物層的熱通量。

3.2　建筑的基本參數(shù)

正交試驗(yàn)?zāi)M的對(duì)象為重慶地區(qū)一棟單層辦公建筑，建筑長(zhǎng)×寬×高為15.0m×6.9m×3.5m。該建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)滿(mǎn)足GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》^[13]所規(guī)定的夏熱冬冷地區(qū)熱工性能參數(shù)的限值，熱工性能參數(shù)見(jiàn)表2。屋面基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為剛性防水屋面，種植屋面土壤層及植物層的基本參數(shù)見(jiàn)表3。

 

 

3.3　全年能耗模擬方法

采用EnergyPlus(V7.2.0.006)對(duì)重慶辦公建筑進(jìn)行全年能耗模擬^[14]。通過(guò)模擬正交試驗(yàn)不同因素、水平組合下的建筑能耗，尋求重慶辦公建筑種植屋面關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化配置。

模擬中，設(shè)定空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間為工作日7：00—18：00。種植屋面澆灌速率為0.02m／周，澆灌時(shí)間為夏季工作日每天8：00—18：00，冬季不澆灌。模擬步長(zhǎng)越長(zhǎng)，模擬結(jié)果越穩(wěn)定，因此設(shè)定步長(zhǎng)為60次／h。氣象參數(shù)選取重慶典型氣象年參數(shù)。模擬中設(shè)定重慶地區(qū)辦公建筑夏季空調(diào)室內(nèi)計(jì)算溫度為26℃，冬季空調(diào)室內(nèi)計(jì)算溫度為18℃。

4　結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)的指標(biāo)有供冷能耗、供熱能耗和全年能耗，其中全年能耗為供冷能耗和供熱能耗之和。正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果見(jiàn)表4。

 

 

極差法可以簡(jiǎn)單、快捷地確定各因素對(duì)指標(biāo)影響的主次順序，方差分析法利用F檢驗(yàn)可以考察正交試驗(yàn)因素對(duì)指標(biāo)的影響是否顯著。因此，本文結(jié)合極差法和方差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到種植屋面能耗影響因素的主次順序，并差別各個(gè)因素的顯著性，通過(guò)直觀(guān)分析綜合比較，確定最優(yōu)試驗(yàn)方案。

4.1　因素的極差分析

極差分析結(jié)果見(jiàn)表5。表5中的Q1、Q2、Q3分別為表4中水平1、水平2、水平3對(duì)應(yīng)的能耗指標(biāo)平均值。極差是指一個(gè)因素的幾個(gè)水平對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的最大值與最小值之差，用R表示。極差R反映了因素對(duì)能耗指標(biāo)影響作用的大小，極差大的因素意味著其不同水平對(duì)能耗指標(biāo)造成的影響大，一般為主要因素；極差小的因素意味著其不同水平對(duì)能耗指標(biāo)造成的影響小，一般為次要因素。

 

①供冷能耗分析

由表5可知，土壤厚度的供冷能耗極差為1.585kW·h／(m²·a)，因此土壤厚度對(duì)供冷能耗的影響最大。植物高度的供冷能耗極差為0.796kW·h／(m²·a)，對(duì)供冷能耗的影響較大。植物高度×LAI交互作用、土壤厚度×植物高度交互作用、LAI、土壤厚度×LAI交互作用對(duì)供冷能耗影響較小。確定影響供冷能耗的因素主次順序?yàn)?span lang="EN-US">A>B>B×C>A×B>C>A×C。從3個(gè)因素供冷能耗的Q1、Q2、Q3可以看出，供冷能耗隨著土壤厚度增大而增大，隨著植物高度和LAI的增大而減小。

②供熱能耗分析

由表5可知，土壤厚度的供熱能耗極差為2.287kW·h／(m²·a)，即土壤厚度對(duì)供熱能耗的影響最大。植物高度的供熱能耗極差為0.054kW·h／(m²·a)，LAI的供熱能耗極差為0.040kW·h／(m²·a)，即植物高度和LAI對(duì)供熱能耗的影響相對(duì)土壤厚度來(lái)說(shuō)較小。土壤厚度×植物高度交互作用、植物高度×LAI交互作用、土壤厚度×LAI交互作用的供熱能耗極差均很小，說(shuō)明對(duì)供熱能耗的影響很小，可以忽略不計(jì)。影響供熱能耗的因素主次順序?yàn)?span lang="EN-US">A>B>C>A×C>A×B>B×C。從3個(gè)因素供熱能耗的Q1、Q2、Q3可以看出，供熱能耗隨土壤厚度增大而減小，隨植物高度和LAI的增大變化不太明顯。

③全年能耗分析

由表5可知，LAI的全年能耗極差為0.839kW·h／(m2·a)，植物高度的全年能耗極差為0.741kW·h／(m²·a)，土壤厚度的全年能耗極差為0.668kW·h／(m²·a)。因此LAI對(duì)全年能耗的影響最大，植物高度、土壤厚度影響較大。植物高度×LAI交互作用、土壤厚度×LAI交互作用、土壤厚度×植物高度交互作用影響較小。影響全年能耗的因素主次順序?yàn)?span lang="EN-US">C>B>A>B×C>A×C>A×B。從3個(gè)因素全年能耗的Q1、Q2、Q3可以看出，全年能耗隨著土壤厚度和植物高度的增大而減小，隨著LAI的增大而減小。

4.2　各因素的優(yōu)組合

對(duì)各因素、水平組合下的正交試驗(yàn)結(jié)果比較(見(jiàn)表4)可以看出：供冷能耗優(yōu)組合為A1B3C3，即土壤厚度為0.1m、植物高度為0.3m、LAI取5時(shí)供冷能耗最小，為50.89kw·h／(m²·a)。供熱能耗優(yōu)組合為A3B1C1，即土壤厚度為0.3m、植物高度為0.1m、LAI取1時(shí)供熱能耗最小，為6.79kW·h／(m²·a)。指標(biāo)應(yīng)以全年能耗為主，即以全年能耗的最小值對(duì)應(yīng)的優(yōu)組合來(lái)指導(dǎo)種植屋面因素、水平的選取，全年能耗最小值為59.57kW·h／(m²·a)，全年能耗優(yōu)組合為A3B3C3，即土壤厚度為0.3m、植物高度為0.3m、LAI取5。

4.3　因素的顯著性分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的方差分析，判定因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性。方差分析結(jié)果見(jiàn)表6。表6中，(A×C)△表示(A×C)偏差平方和太小，顯著性差，當(dāng)作誤差項(xiàng)處理，將其累加到誤差項(xiàng)，其余同理。

 

 

①供冷能耗方差分析

A×C交互作用的偏差平方和最小，作為誤差處理。FA、FB、FC(即A、B、C的F值，其他類(lèi)似表示意義與此相同)均大于F0.01(2.6)，即A、B、C三個(gè)因素對(duì)供冷能耗的影響為高度顯著。F0.05(2.6)<FB×C<F0.01(2.6)，即B×C交互作用顯著；FA×C<F0.05(2.6)，即A×C交互作用不顯著。

②供熱能耗方差分析

A×B、B×C交互作用的偏差平方和很小，作為誤差處理。FA、FB、FC、FA×C均大于F0.01(2.8)，即A、B、C、A×C對(duì)供熱能耗的影響為高度顯著。

③全年能耗方差分析

A×B交互作用的偏差平方和小于誤差偏差平方和的2倍，把A×B作為誤差處理。FA、FB、FC均大于F0.01(2.6)，即A、B、C三個(gè)因素對(duì)全年能耗的影響為高度顯著。F0.05(2.6)<FB×C<F0.01(2.6)，F0.05(2.6)<FB×C<F0.01(2.6)，即A×C、B×C交互作用對(duì)全年能耗的影響顯著。

5　結(jié)論

①對(duì)供冷能耗、供熱能耗影響最大的因素均為土壤厚度，對(duì)全年能耗影響最大的因素為LAI。

②以全年能耗情況指導(dǎo)重慶辦公建筑種植屋面參數(shù)的選取，選取的最優(yōu)組合為A，B，C，，即土壤厚度為0.3m、植物高度為0.3m、LAI取5，此時(shí)全年能耗最小，為59.57kW·h／(m²·a)。

③土壤厚度、植物高度、LAI這三個(gè)因素對(duì)供冷能耗、供熱能耗、全年能耗均具有高度顯著的影響。

④因素間存在交互作用，且有的交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著，如植物高度×LAI對(duì)供冷能耗影響顯著，土壤厚度×LAI對(duì)供熱能耗影響高度顯著，土壤厚度×LAI和植物高度×LAI對(duì)全年能耗影響顯著。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]馮馳，張宇峰，孟慶林．植被屋頂熱工性能研究現(xiàn)狀[J]．華中建筑，2010，28(2)：91-94．

[2]唐鳴放，鄭澍奎，楊真靜．屋頂綠化節(jié)能熱工評(píng)價(jià)[J]．土木建筑與環(huán)境工程，2010，32(2)：87-90．

[3]白雪蓮，馮雅，劉才豐．生態(tài)型節(jié)能屋面的研究(之一)——種植屋面熱濕遷移的數(shù)值分析[J]．四川建筑科學(xué)研究，2001，27(2)：62-64．

[4]國(guó)際綠色屋頂協(xié)會(huì)，健康綠色屋頂協(xié)會(huì)．最新國(guó)外屋頂綠化[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009：15-20．

[5]HE Hongming，JIM C Y．Simulation of thermodynamic transmission in green roof ecosystem[J]．Ecological Modelling，2010(221)：2949-2958．

[6]SANTAMOURIS M．Cooling the cities-A review of reflective and green roof nlitigation technologies to fight heat island and improve comfort in urban environments[J]．Solar Energy，2012(7)：1-22．

[7]中國(guó)建筑防水材料工業(yè)協(xié)會(huì)，北京市園林科學(xué)研究所，中國(guó)化建公司蘇州防水研究設(shè)計(jì)院，等．JGJ155—2007種植屋面工程技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：14-15．

[8]SAILOR D J．A green roof model for building energy simulation programmes[J]．Energy and Buildings，2008，40(11)：1466-1478．

[9]白雪蓮．種植屋面能量傳輸和熱環(huán)境的研究(博士學(xué)位論文)[D]．重慶：重慶建筑大學(xué)，2000：16-63．

[10]WONG N H，CHEONG D K W，YAN H，et al．The effects of rooftop garden on energy consumption of a commercial building in Singapore[J]．Energy and Buildings，2003，35(2)：353-364．

[11]唐鳴放，楊真靜，鄭開(kāi)麗．屋頂綠化隔熱等效熱阻[J]．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，30(5)：1-3．

[12]田勝元，蕭日嶸．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，l988：146-165．

[13]中國(guó)建筑科學(xué)研究院，中國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)建筑節(jié)能專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院，等．GB 50189—2005公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005：7-9．

[14]U．S．Department of Energy，USA．EnergyPlus 7.2.0．006．Building energy simulation program[EB／OL]．[2012-12-25]．http：//apps1．eere．energy．gov／buildings／energyplus．

 

本文作者：孫樂(lè)祥  白雪蓮  余月新  梁慶真

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

  浙江城市空間建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

  重慶大學(xué)生物工程學(xué)院