种植屋面正交试验研究

摘 要

摘　要：通过对种植屋面能耗产生影响的土壤厚度、植物高度和叶面积指数(LAI)三因素三水平正交试验研究，分析影响种植屋面能耗的因素的主次顺序，判断因素的显著性，为重庆办公建筑

摘　要：通过对种植屋面能耗产生影响的土壤厚度、植物高度和叶面积指数(LAI)三因素三水平正交试验研究，分析影响种植屋面能耗的因素的主次顺序，判断因素的显著性，为重庆办公建筑种植屋面参数的选取提供参考。影响全年能耗的因素中土壤厚度、植物高度和LAI的影响为高度显著，土壤厚度×LAI、植物高度×LAI的影响为显著。重庆办公建筑粗放式种植屋面在土壤厚度为0.3m、植物高度为0.3m、LAI为5时，全年能耗最小，为59.57kW·h／(m2·a)。

关键词：种植屋面； 正交试验； 能耗模拟； 土壤厚度； 植物高度； 叶面积指数

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

种植屋面具有改善室内热湿环境、降低建筑能耗、延长屋面使用寿命、改善城市微气候、缓解热岛效应和城市排水压力等作用[1-6]。重庆地区在迅速崛起，种植屋面是一种不占用地面的绿化形式，能很好地解决城市中大量基础建设与绿化用地的矛盾，种植屋面的推广应用有利于把重庆打造成一座绿色节能城市。种植屋面的基本构造从上至下一般为：植被层、种植土、过滤层、排(蓄)水层、耐根穿刺防水层、普通防水层、找坡层(找平层)、保温(隔热)层、结构层[7]。土壤的选择、蓄排水技术、屋面材料以及屋面植被的选择都关系着种植屋面的好坏。国内外主要应用以小灌木和地被植物为主、覆土薄、荷载轻、养护少、造价低的粗放式种植屋面。国内外学者在种植屋面的研究方面取得了丰硕的成果。Sailor[8]、白雪莲[9]等建立了种植屋面能量平衡模型，明确了种植屋面的隔热机理。Wong[10]、唐鸣放[11]等通过实测研究了种植屋面的当量热阻，评估了种植屋面的热工性能。

屋面的生态环境与地面明显不同，受屋面自然条件的限制，太阳辐射、温度、湿度、风力等随着层高的增加而呈现不同的变化，因此屋面的参数优化选取至关重要。种植屋面通过遮阳作用、热阻、蒸腾蒸发作用来实现节能的效果。叶面积指数(简称LAI，是指单位土地面积上植物叶片总面积与土地面积之比，是一个无因次量)和植物高度影响植物的遮阳作用，屋面构造和土壤参数影响种植屋面的热阻，土壤含水率和植物种类及特征影响蒸腾蒸发作用。

针对近年来重庆地区夏季炎热、冬季寒冷的气候特点，从种植屋面节能效果最大化的角度，对影响种植屋面能耗的土壤厚度、植物高度和LAI进行三因素三水平正交试验研究，分析影响种植屋面能耗因素的主次顺序，并判断因素的显著性，为重庆办公建筑粗放式种植屋面参数的选取提供参考。

2　正交试验设计

2.1　设定三因素、三水平

试验目的是确定重庆办公建筑种植屋面参数的选取，以降低办公建筑全年能耗，且全年能耗越小越好。影响全年能耗指标的因素虽然很多，但对于已选定的试验地区和建筑类型来说，气候条件、建筑使用时间是一定的。因为土壤厚度、植物高度和LAI通过影响屋面的热阻、遮阳作用和蒸腾蒸发速率来影响建筑的能耗，所以本试验设定土壤厚度、植物高度和LAl为三个考虑因素，并分别记为A、B、C。JGJ l55—2007《种植屋面工程技术规程》规定种植土壤厚度最少为100mm，小灌木种植土壤厚度为300～400mm，地被植物种植土壤厚度为l00～200mm[7]。因此，设定土壤厚度(A)的三水平为0.1m、0.2m和0.3m。本试验选取的植物为草坪地被植物，设定植物高度(B)的三水平为0.1m、0.2m和0.3m。在一定取值范围内，LAI越大，植物截获的太阳能就越多，夏季遮阳效果越好，冬季则为不利因素。LAI取值过大时，植物本身会产生相互遮阴，对植物蒸腾作用产生负面影响。试验选取的LAI(C)的三水平为1、3、5。

2.2　正交试验表设计

正交试验是利用正交表，科学合理地安排试验，设定因素和水平，以部分试验代替全面试验，减轻了工作量，方便快捷地找出对试验指标有显著影响的主要因素，进而确定最佳因素、水平组合，使得试验指标达到最佳[12]。

除了因素孤立地影响试验结果外，还存在因素间不同水平联合对试验结果产生影响。为考察土壤厚度、植物高度和LAI这三个主要因素及各主要因素间的交互作用对试验结果影响的显著程度，本正交试验选用L27(313)表，其表头设计见表1，L27(313)中的27指试验次数为27次，3代表每个因素的水平个数为3，13代表可安排的因素为13个。表1中，(A×B)代表A与B两因素的交互作用，(A×B)1、(A×B)2作为其交互作用的两个因素，用于判断A与B的不同水平组合时产生的交互作用大小，(A×C)、(B×C)意义与(A×B)相同；空列用于判断试验的误差。

 

3　种植屋面正交试验全年能耗模拟

3.1　EnergyPlus介绍

EnergyPlus是在美国能源部的支持下，劳伦斯伯克利国家实验室、伊利斯诺大学、美国军队建筑工程实验室、俄克拉何马州立大学等共同开发的一款全新的能耗分析软件。它集成了建筑能耗分析软件DOE-2和BLAST的优点，具有变时间步长、同步解决内部和外部的热平衡和负荷、可计算通过建筑构件的瞬态热传导、集成热舒适模型和先进的采光功能等创新性特点。

EnergyPlus集成并改进了Sailor D J所建立的种植屋面能量平衡模型，把种植屋面的土壤层和植物层与建筑模型整合到一起，进行能量平衡计算。种植屋面的太阳辐射能量平衡，包括以显热(对流)、潜热(蒸腾作用)、长波热辐射和导热进出土壤层和植物层的热通量。

3.2　建筑的基本参数

正交试验模拟的对象为重庆地区一栋单层办公建筑，建筑长×宽×高为15.0m×6.9m×3.5m。该建筑的围护结构热工性能参数满足GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》[13]所规定的夏热冬冷地区热工性能参数的限值，热工性能参数见表2。屋面基础结构为刚性防水屋面，种植屋面土壤层及植物层的基本参数见表3。

 

 

3.3　全年能耗模拟方法

采用EnergyPlus(V7.2.0.006)对重庆办公建筑进行全年能耗模拟[14]。通过模拟正交试验不同因素、水平组合下的建筑能耗，寻求重庆办公建筑种植屋面关键参数的优化配置。

模拟中，设定空调系统的运行时间为工作日7：00—18：00。种植屋面浇灌速率为0.02m／周，浇灌时间为夏季工作日每天8：00—18：00，冬季不浇灌。模拟步长越长，模拟结果越稳定，因此设定步长为60次／h。气象参数选取重庆典型气象年参数。模拟中设定重庆地区办公建筑夏季空调室内计算温度为26℃，冬季空调室内计算温度为18℃。

4　结果与分析

正交试验的指标有供冷能耗、供热能耗和全年能耗，其中全年能耗为供冷能耗和供热能耗之和。正交试验模拟结果见表4。

 

 

极差法可以简单、快捷地确定各因素对指标影响的主次顺序，方差分析法利用F检验可以考察正交试验因素对指标的影响是否显著。因此，本文结合极差法和方差分析法对试验结果进行分析，得到种植屋面能耗影响因素的主次顺序，并差别各个因素的显著性，通过直观分析综合比较，确定最优试验方案。

4.1　因素的极差分析

极差分析结果见表5。表5中的Q1、Q2、Q3分别为表4中水平1、水平2、水平3对应的能耗指标平均值。极差是指一个因素的几个水平对应试验结果的最大值与最小值之差，用R表示。极差R反映了因素对能耗指标影响作用的大小，极差大的因素意味着其不同水平对能耗指标造成的影响大，一般为主要因素；极差小的因素意味着其不同水平对能耗指标造成的影响小，一般为次要因素。

 

①供冷能耗分析

由表5可知，土壤厚度的供冷能耗极差为1.585kW·h／(m2·a)，因此土壤厚度对供冷能耗的影响最大。植物高度的供冷能耗极差为0.796kW·h／(m2·a)，对供冷能耗的影响较大。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交互作用对供冷能耗影响较小。确定影响供冷能耗的因素主次顺序为A>B>B×C>A×B>C>A×C。从3个因素供冷能耗的Q1、Q2、Q3可以看出，供冷能耗随着土壤厚度增大而增大，随着植物高度和LAI的增大而减小。

②供热能耗分析

由表5可知，土壤厚度的供热能耗极差为2.287kW·h／(m2·a)，即土壤厚度对供热能耗的影响最大。植物高度的供热能耗极差为0.054kW·h／(m2·a)，LAI的供热能耗极差为0.040kW·h／(m2·a)，即植物高度和LAI对供热能耗的影响相对土壤厚度来说较小。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交互作用的供热能耗极差均很小，说明对供热能耗的影响很小，可以忽略不计。影响供热能耗的因素主次顺序为A>B>C>A×C>A×B>B×C。从3个因素供热能耗的Q1、Q2、Q3可以看出，供热能耗随土壤厚度增大而减小，随植物高度和LAI的增大变化不太明显。

③全年能耗分析

由表5可知，LAI的全年能耗极差为0.839kW·h／(m2·a)，植物高度的全年能耗极差为0.741kW·h／(m2·a)，土壤厚度的全年能耗极差为0.668kW·h／(m2·a)。因此LAI对全年能耗的影响最大，植物高度、土壤厚度影响较大。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响较小。影响全年能耗的因素主次顺序为C>B>A>B×C>A×C>A×B。从3个因素全年能耗的Q1、Q2、Q3可以看出，全年能耗随着土壤厚度和植物高度的增大而减小，随着LAI的增大而减小。

4.2　各因素的优组合

对各因素、水平组合下的正交试验结果比较(见表4)可以看出：供冷能耗优组合为A1B3C3，即土壤厚度为0.1m、植物高度为0.3m、LAI取5时供冷能耗最小，为50.89kw·h／(m2·a)。供热能耗优组合为A3B1C1，即土壤厚度为0.3m、植物高度为0.1m、LAI取1时供热能耗最小，为6.79kW·h／(m2·a)。指标应以全年能耗为主，即以全年能耗的最小值对应的优组合来指导种植屋面因素、水平的选取，全年能耗最小值为59.57kW·h／(m2·a)，全年能耗优组合为A3B3C3，即土壤厚度为0.3m、植物高度为0.3m、LAI取5。

4.3　因素的显著性分析

通过对试验结果的方差分析，判定因素对试验结果影响的显著性。方差分析结果见表6。表6中，(A×C)△表示(A×C)偏差平方和太小，显著性差，当作误差项处理，将其累加到误差项，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，作为误差处理。FA、FB、FC(即A、B、C的F值，其他类似表示意义与此相同)均大于F0.01(2.6)，即A、B、C三个因素对供冷能耗的影响为高度显著。F0.05(2.6)<FB×C<F0.01(2.6)，即B×C交互作用显著；FA×C<F0.05(2.6)，即A×C交互作用不显著。

②供热能耗方差分析

A×B、B×C交互作用的偏差平方和很小，作为误差处理。FA、FB、FC、FA×C均大于F0.01(2.8)，即A、B、C、A×C对供热能耗的影响为高度显著。

③全年能耗方差分析

A×B交互作用的偏差平方和小于误差偏差平方和的2倍，把A×B作为误差处理。FA、FB、FC均大于F0.01(2.6)，即A、B、C三个因素对全年能耗的影响为高度显著。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交互作用对全年能耗的影响显著。

5　结论

①对供冷能耗、供热能耗影响最大的因素均为土壤厚度，对全年能耗影响最大的因素为LAI。

②以全年能耗情况指导重庆办公建筑种植屋面参数的选取，选取的最优组合为A，B，C，，即土壤厚度为0.3m、植物高度为0.3m、LAI取5，此时全年能耗最小，为59.57kW·h／(m2·a)。

③土壤厚度、植物高度、LAI这三个因素对供冷能耗、供热能耗、全年能耗均具有高度显著的影响。

④因素间存在交互作用，且有的交互作用对试验结果影响显著，如植物高度×LAI对供冷能耗影响显著，土壤厚度×LAI对供热能耗影响高度显著，土壤厚度×LAI和植物高度×LAI对全年能耗影响显著。

 

参考文献：

[1]冯驰，张宇峰，孟庆林．植被屋顶热工性能研究现状[J]．华中建筑，2010，28(2)：91-94．

[2]唐鸣放，郑澍奎，杨真静．屋顶绿化节能热工评价[J]．土木建筑与环境工程，2010，32(2)：87-90．

[3]白雪莲，冯雅，刘才丰．生态型节能屋面的研究(之一)——种植屋面热湿迁移的数值分析[J]．四川建筑科学研究，2001，27(2)：62-64．

[4]国际绿色屋顶协会，健康绿色屋顶协会．最新国外屋顶绿化[M]．武汉：华中科技大学出版社，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]中国建筑防水材料工业协会，北京市园林科学研究所，中国化建公司苏州防水研究设计院，等．JGJ155—2007种植屋面工程技术规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，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]白雪莲．种植屋面能量传输和热环境的研究(博士学位论文)[D]．重庆：重庆建筑大学，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]唐鸣放，杨真静，郑开丽．屋顶绿化隔热等效热阻[J]．重庆大学学报：自然科学版，2007，30(5)：1-3．

[12]田胜元，萧日嵘．实验设计与数据处理[M]．北京：中国建筑工业出版社，l988：146-165．

[13]中国建筑科学研究院，中国建筑业协会建筑节能专业委员会，中国建筑西北设计研究院，等．GB 50189—2005公共建筑节能设计标准[S]．北京：中国建筑工业出版社，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：孙乐祥  白雪莲  余月新  梁庆真

作者单位：重庆大学城市建设与环境工程学院

  浙江城市空间建筑规划设计院有限公司

  重庆大学生物工程学院