面向地中海气候区平屋顶节能改造的新型水培屋顶系统研究

《Energy and Buildings》：A novel hydroponic roof system for the energy renovation of flat roofs in the Mediterranean area

本研究针对建筑能耗与碳排放问题，提出了一种新型深水培养（DWC）水培屋顶系统。通过在意大利卡塔尼亚的实际办公建筑进行原型实验与TRNSYS瞬态热模拟，证明该系统夏季可降低室内峰值温度2.8°C，冬季提升2.4°C，并将热流峰值延迟16小时，实现制冷节能47%、采暖节能51%。该研究为结合城市农业与建筑脱碳的轻型被动式改造技术提供了创新方案。

　　

随着全球气候变暖加剧和热浪事件频发，建筑制冷能耗需求持续攀升，建筑行业已成为全球能源消耗和二氧化碳排放的主要领域。在地中海气候区，夏季强烈的太阳辐射使平屋顶建筑面临严重的过热问题，传统降温措施往往依赖高能耗的主动式制冷系统。与此同时，传统绿色屋顶虽具有一定降温效果，但其土壤基质存在热工性能不稳定、维护成本高、易引发杂草滋生和径流污染等固有缺陷。

为突破传统绿色屋顶的技术瓶颈，建筑一体化农业（BIA）理念应运而生。意大利卡塔尼亚大学研究团队创新性地将深水培养（DWC）水培技术应用于建筑屋顶改造，开发出一种无需土壤、以营养液为培养基质的轻型屋顶系统。这项发表于《Energy and Buildings》的研究，通过实验监测与数值模拟相结合的方法，系统验证了该水培屋顶在改善室内热环境和降低建筑能耗方面的双重效益。

研究人员采用模块化设计思路构建了DWC水培屋顶原型，其核心组件包括容积为240升的塑料水箱、营养液循环泵和增氧装置。实验在卡塔尼亚大学现有办公建筑屋顶进行，持续监测了2024年6月25日至10月25日期间的水温变化和屋顶外表面温度。基于实验数据，团队利用TRNSYS仿真平台建立了瞬态热模型，通过修改绿色屋顶组件（Type 785）的参数来模拟水培系统的热工性能，重点分析了三种不同围护结构配置（无保温空心砌块屋顶HB、保温空心砌块屋顶INS_HB、轻质保温板屋顶LW）在自由运行和恒温控制条件下的热响应。

关键技术方法包括：1）在真实建筑环境搭建全尺寸DWC水培原型系统；2）使用无线气象站和便携式测温站采集气象数据与温度参数；3）基于TRNSYS Type 56多区建筑模型与改进的Type 785组件进行动态热模拟；4）通过平均绝对误差（MAE）和决定系数（R²）等统计指标验证模型准确性；5）设置不同水深（20/30/40 cm）和植被覆盖率（0.15-0.90）参数进行敏感性分析。

3.1. 热模型验证

模型验证结果显示，裸露屋顶（BR）外表面温度模拟值与实测值的平均绝对误差为1.75°C，决定系数R²=0.94；水培模块内水温的模拟误差更小（MAE=1.14°C，R²=0.95）。皮尔逊相关系数均高于0.97，证明建立的TRNSYS模型能准确预测水培屋顶的热行为。

3.2. 室内热环境分析

在典型夏季周（7月9-16日）的模拟中，轻质保温屋顶（LW）出现最大温度波动（峰值39.4°C），而加水培模块后（LW_HR）峰值降至37.7°C。无保温空心砌块屋顶（HB）加水培系统（HB_HR）后，夏季峰值温度降低2.4°C至33.4°C，冬季峰值温度升高2.1°C。这表明水培系统通过水体热惰性有效平抑了室内温度波动，对低保温性能屋顶的改善效果尤为显著。

3.3. 能量分析

热流分析揭示水培屋顶能大幅延迟热流峰值传递。无保温屋顶（HB）的热流峰值从21:00推迟至次日5:00，峰值强度从11.7 W/m²降至近乎零。年度能耗模拟显示，HB_HR配置的制冷节能率达47%，采暖节能率达51%，总节能效果优于保温基准场景（INS_HB）。这表明对于现有低效建筑，水培屋顶可替代传统保温层达到相近节能效果。

3.4. 敏感性分析

参数化研究表明，20 cm水深与60%植被覆盖率为最优组合。进一步增加水深至40 cm对降温效果提升有限，却会使结构荷载超过意大利现有屋顶的典型承载限值（200 kg/m²）。植被覆盖率超过60%后，夏季遮阳效益的增益趋于饱和，反而会削弱冬季的太阳得热。

该研究证实DWC水培屋顶系统是一种高效的被动式节能技术，特别适用于地中海气候区的既有建筑改造。其创新性体现在三个方面：首次在地中海气候区开展长期实验验证，建立了经实验标定的TRNSYS瞬态模型，并通过多参数敏感性分析明确了最优系统配置。这种将农业生产与建筑节能有机结合的技术路径，为城市建筑脱碳提供了新的解决方案，不仅降低建筑运行能耗，还能促进本地食物生产，增强城市气候韧性。未来研究可进一步探索不同气候条件下的适应性及经济可行性。