在现实条件下评估美国中大陆地区绿色屋顶系统的季节性热性能：湿度对建筑能源性能的热力学影响

《ENERGY AND BUILDINGS》：Assessing seasonal thermal performance of a Mid-Continental USA green roof system under real-world conditions: Moisture-driven thermodynamic implications for building energy performance

　　M.M. Lekhon Alam | Lee R. Skabelund | Michael D. Gibson | Jungwoo Lee
美国北卡罗来纳州格林维尔市

**摘要**
为了解决特定植被条件和深度下绿色屋顶衬底作为围护结构热缓冲系统的效率不确定性问题，研究人员分析了来自多层绿色屋顶的640,000多个夏季和冬季实地观测数据，以估算土壤热储存量的变化率（Q）并评估水分-温度动态。在含有低密度高孔隙率衬底（R）和密集沙质衬底（K）的10厘米和20厘米深度层中进行了两个季节性的监测周期，并采用了基于热力学的方法进行分析。通过描述性统计数据和当地气象观测结果来评估季节性的热性能峰值以及潜在的年度影响。研究结果表明，主导热控制因素随季节变化而变化：夏季性能受水分驱动过程的影响（Q值在夏季随深度变化约为-0.20至-0.08 W/m2；K值在所有季节和深度下均为R + (0.02–0.05) m3/m3，这与夏季冷却效果下降有关）；而衬底深度对冬季热损失缓冲的影响更为显著。特别是在极端冰冻事件期间，与供暖需求相关的热缓冲受衬底深度的强烈影响，更深且保水性更强的衬底会对夏季冷却产生负面影响。水分和深度在不同季节之间的相互作用也有所不同：夏季性能主要受水分影响，而冬季则无论衬底类型如何，深度都起着更大的作用。增加灌溉，尤其是在使用保水性衬底的情况下，会降低冷却季节的效率。由于冬季保温与夏季吸热之间的权衡，增加衬底深度可能不会一致地提高整体围护结构的热性能。基于广泛的实证分析，在美国中西部湿润大陆性气候条件下，较浅且多孔的衬底配置可能提供更平衡的全年热响应，这可能对通过减少建筑能耗来缓解气候变化具有潜在意义。

**引言**
建筑运营和建筑材料的制造是全球能源相关二氧化碳排放量的三分之一以上的原因，总体而言，建筑环境占全球总能耗的约40%，这突显了其在气候变化缓解中的关键作用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。建筑围护结构（如墙体、窗户和屋顶等将室内环境与外部环境分隔开的物理屏障）由于室内外温度差异，在调节热量、空气和水分的传输过程中起着至关重要的作用[9]、[10]。建筑围护结构占建筑冷却和供暖负荷的20%–50%[10]、[11]，因此有效设计和实施建筑围护结构技术对于在整个建筑生命周期内降低能耗和减少碳排放具有巨大潜力[9]、[12]、[13]。这表明开发高性能和节能的建筑围护结构的重要性，尤其是在采用绿色屋顶的情况下。

近年来，人们投入了大量努力研究和开发低能耗和可持续的建筑系统，例如：(a) 在建筑围护结构中应用相变材料[6]，(b) 使用先进的建筑围护结构材料[14]，(c) 开发新型结构和生物基围护结构系统[15]、[16]、[17]，(d) 实施节能建筑围护结构[18]、[19]、[20]，(e) 优化建筑围护结构的热绝缘性能以节省能源[8]、[14]、[21]、[22]、[23]，(f) 创建被动式围护结构系统[24]、[25]，以及(g) 应用仿生建筑围护结构以提高建筑热效率[26]、[27]。其中，本研究的重点就是最后一种方法——“仿生建筑围护结构”技术，即在屋顶上种植植被以提高建筑能效。正如Akbari等人（2003年）、Akbari等人（2009年）、Zinzi和Agnoli（2012年）、Mihalakakou等人（2023年）、Mousavi等人（2023年）以及Jia等人（2024年）的研究所示，绿色屋顶可以显著降低屋顶热负荷，因此成为控制建筑热行为和能效的主要因素[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。研究表明，绿色屋顶可根据气候、建筑类型和设计不同，将冷却能耗降低25–50%，供暖需求降低10–30%[31]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。由于气候带、植物类型、植被密度、土壤（在本研究中称为“绿色屋顶衬底”）类型、深度、施工方法以及建筑形状和特性的差异，进行区域性研究对于评估具体效益至关重要[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]。许多新的方法学发现已被用于量化不同绿色屋顶层次在各种实验条件下的能源性能。已通过控制实验（有或无加热）[53]、[54]，以及数学建模和估算[55]、[56]、[57]测试了绿色屋顶系统的不同变量。此外，还利用基于实地传感器的测量数据开发了预测性数值模型[51]、[58]；遥感方法模拟了绿色屋顶的效果[59]、[60]、[61]；利用冬季数据评估了亚热带中国不同土壤厚度下的热效益[51]；一维理论模型用于模拟热扩散[62]、[63]、[64]、[65]；数据驱动的数值模型与建筑热代码结合使用[57]、[66]、[68]；开发并验证了质量与热传递算法，并创建了热舒适度评估的工作流程[69]、[70]；利用已发表和实验数据开发了理论热传递模型[71]、[72]；使用干粘土土壤和含水量为40%的粘土土壤的R值系数进行能量模拟[73]；还使用了不同的模拟工具[74]、[75]、[76]、[77]、数学模型[78]、[79]和动态热模型（利用实地数据和土壤热导率[68]、[81]），来估计不同绿色屋顶层次在特定气候区内的热性能[82]、[83]、[84]。回顾过去20–30年来绿色屋顶能源性能改进方面的主要贡献，发现虽然提出了多种分析/理论、数值/仿真、实证/数据驱动和混合模型来计算绿色屋顶的热行为，但大多数模型缺乏涵盖冬季和夏季的全面数据集以及高精度测量结果。此外，有研究表明，绿色屋顶抵抗热流的能力主要取决于衬底的水分动态及其与区域气候的相互作用[85]、[86]、[87]、[88]。Bellazzi等人（2020年）、Conn等人（2020年）、Wei等人（2021年）和Kazemi等人（2023年）的研究表明，土壤含水量及其孔隙内的水分变化对绿色屋顶的热性能有显著影响[85]、[89]、[90]、[91]。虽然某些仿真软件可以提供能源性能值，但冬季和夏季的实地数据能提供更准确可靠的信息，反映当地气候条件[35]、[92]。此外，许多建筑围护结构热研究基于屋顶材料的稳态热导率或热阻，这对于某些固体材料可能是合理的，然而绿色屋顶系统的热性能是动态的，因为土壤等多相材料的热导率取决于其固态、液态（水）和气态（空气）相的导热性，以及体积密度、孔隙率和有机物质含量。研究表明，仅体积含水量的变化就会使土壤热导率变化超过50%[93]、[94]。此外，直接从研究现场获取热通量值无法使研究人员完全理解土壤特性的复杂动态和不断变化的水分状况（本研究的主要独立变量）[95]、[96]、[97]、[98]、[99]，也无法准确反映这些动态过程如何显著影响夏季和冬季的建筑能耗。因此，通过估算土壤层中热储存量的变化率（Q值）来探讨了绿色屋顶土壤水分对建筑能耗的影响。需要开展区域性及国家级的研究，利用实地测量数据来确定最有效的绿色屋顶系统及其最适合的土壤类型和深度，以全年减少建筑能耗[49]、[55]、[74]、[92]、[100]、[101]、[102]、[103]。为应对上述研究缺乏和方法分析方面的问题，本研究的新颖之处在于：
a) 它分析了来自多层绿色屋顶系统在不同深度的640,000多个夏季和冬季实地数据点。研究结果基于冬季三个月和夏季三个月连续收集的全面数据得出。研究提出了基于实地的绿色屋顶能源模型——这些模型包含具体到美国中西部地区的不同变量的影响，并考察了夏季和冬季绿色屋顶衬底含水量对热性能的影响。主要研究问题是：衬底深度、类型和含水量，以及季节变化如何影响美国中西部特定地区的建筑能耗？
b) 本研究在没有使用仿真工具的情况下，基于研究现场的边界层大气温度数据和独立的NOAA及国家气象局数据集，评估了实地观测数据的物理一致性。一些研究人员认为，本地绿色屋顶材料可以降低安装成本[104]、[105]、[106]。本研究旨在通过使用实地数据测量通过绿色屋顶系统的热流，评估两种不同衬底（一种为区域混合衬底）和不同深度对围护结构热缓冲的影响及其对气候变化缓解的潜在意义，同时保持总体一致的密集植被覆盖条件。确定含水量为主要独立变量，两种深度和两种衬底类型为次要独立变量。关注的重点变量是衬底层中的热储存率（Q值）。

**研究区域**
本研究在堪萨斯州中西部的Flint Hills生态区内进行[106]、[108]。堪萨斯州曼哈顿（KS）具有湿润大陆性气候，夏季炎热，冬季寒冷，年平均降水量为904.75毫米（35.62英寸）[109]。研究现场的年平均温度通常在-6.7°C至33.3°C之间，极少低于-16.1°C或超过38.3°C。根据1972–2021年的天气数据，炎热季节通常持续3.5个月（6月至8月）。

**使用的仪器**
本研究比较了美国中西部夏季高温和冬季寒冷期间衬底层的热动态。图4显示了分析的各种变量。在EGR地块上安装了12个METER RT-1型传感器用于测量表面温度，以及12个Decagon/METER 5TM型传感器用于测量地下温度和水分，并编程为每15分钟记录一次温度和土壤湿度。数据使用ZENTRA Cloud可视化，随后进行处理和汇总。

**EGR情景中的三个考虑因素**
如第3.2节所讨论的，基于观测可以推断三种热流情况：Q为正方向、Q为负方向或Q为零。在本研究中，方程（10）中的时间温度变化是使用15分钟间隔的离散测量值（Δt）来评估的（Δt约为TSoil0-TSoil1），在固定位置（图5中的T1，即衬底-屋顶界面）进行测量，反映了实地基于点的瞬态热响应。

**结果与讨论**
连续93天的数据集捕获了昼夜周期的重复性，允许对昼夜时期的热行为进行定性评估。这些趋势来自每个衬底-深度配置（K和R衬底，分别为10厘米和20厘米深度）在夏季和冬季期间的三次空间复制测量结果，重复性通过报告值的时间分散性体现出来。虽然Q值反映了瞬态热流量，但通过在衬底中储存热能（即使体积较小），可以将高峰供暖和冷却负荷转移到非高峰时段[152]，从而提高建筑能效并在高峰负荷期间降低能耗[153]。在绿色屋顶系统中，土壤热储存量（Q）的变化率反映了土壤表面热量流动与建筑外部边界热量流动之间的净相互作用。尽管建筑内部边界看似被动，但实际上它在热传递过程中起着重要作用。

基于广泛的数据分析和对实证观察的逻辑解读，本研究得出结论：在中美大陆地区，使用质地较松的基质材料（体积密度较低、孔隙率较高、持水能力较低）构建的浅层土壤层可能更有效地作为应对气候变化的战略。定量分析结果进一步支持了这一结论，表明夏季平均土壤热储存量处于较低水平。

作者贡献声明：
- M.M. Lekhon Alam：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、项目监督、软件使用、资源协调、方法论设计、数据收集与整理以及概念框架构建。
- Lee R. Skabelund：负责写作、审稿与编辑、项目监督以及资源协调。
- Michael D. Gibson：负责写作、审稿与编辑、正式数据分析以及概念框架构建。
- Jungwoo Lee：负责写作、审稿与编辑以及软件使用和数据整理。

利益冲突声明：
作者声明他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。