通过经验证的耦合热阻 - 电容模型评估间接绿色立面的热工性能与能源性能

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Evaluating the thermal and energy performance of indirect green fa?ades via a validated coupled resistance-capacitance model

　　

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  耦合RC模型将植被、腔体气流与建筑传热关联起来。
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  该模型经实测数据验证，并与EnergyPlus进行了基准对比。
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  间接绿墙使各建筑原型年总能耗降低0.34%~1.44%。
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  将叶面积指数从1提高至3，年总节能率提升22%~108%。
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  较老建筑对墙体热流变化的敏感度是较新建筑的3.90~7.60倍。

引言

快速城市化显著增加了城市能源消耗[[1], [2], [3], [4]]。据《中国能源报告2022》，建筑约占城市总能耗的40%[5]。此外，近40%的建筑能耗归因于围护结构，包括外墙和窗户[6]。因此，提升建筑围护结构的能效已成为推动能源效率和可持续城市发展的关键策略。垂直绿化作为一种基于自然的生态立面改造策略，通过利用高密度城市环境中建筑立面大量未被利用的表面，展现出显著的节能潜力[7]。

垂直绿化系统可大致分为两类：绿墙和立体植物墙[8]。在各类绿墙中，间接绿墙尤其适用于城市更新和既有建筑改造，因其安装与维护成本低、结构简单，且对原始墙体影响最小[9]。总体而言，垂直绿化系统的热性能受多种物理过程控制，包括短波辐射截留、蒸腾潜热交换，以及对流和长波辐射热交换。对于间接绿墙，这些过程发生在室外空气、植被层、腔体空气层和建筑墙体之间，形成一个耦合传热过程，增加了热性能建模的复杂性[10,11]；这些耦合相互作用具有显著的空间和时间变异性，并受环境条件和植被特性影响[12,13]。准确模拟集成间接绿墙建筑的传热仍是关键挑战。

数值模拟已被广泛用于评估垂直绿化建筑的热性能，主要通过计算流体力学和热平衡模型[14,15]。虽然计算流体力学能够捕捉植被、腔体和墙体之间详细的气流与传热过程，但其高昂的计算成本限制了其在长期模拟中的应用。因此，热平衡模型通常用于年度热性能评估。早期热平衡研究通常仅关注遮荫效应，而忽略或简化植物蒸腾[[16], [17], [18]]。尽管EnergyPlus包含绿化屋顶模型，但该模型是为屋面设计的，不推荐用于垂直墙面应用，因此不能直接用于垂直绿化系统。为克服这些局限，一些研究开发了垂直绿化系统专用的热平衡公式，实现了对热行为更细致的分析[19,20]。例如，Susorova等人建立了覆有直接绿墙的外墙数学模型，考察了气象变量和叶片参数对墙体热流的影响[21]。Báez-García等人结合计算流体力学与热平衡模型，确定叶面积指数和空气腔深度对墙体传热的影响[14]。类似地，Suklje等人建立了集成间接绿墙的立面详细数学模型，分析了墙体传热系数和叶面积指数对间接绿墙制冷潜力的影响[22]。总体而言，虽然这些机理模型准确预测了经实测数据验证的墙体热响应，但很少将这些边界动态外推以评估年度建筑能耗性能。

为扩展模型的适用性，研究人员开始将专用热平衡模型集成到商业软件平台中以评估垂直绿化系统的节能性能。对于基于TRNSYS的实现，Kenai等人采用Type 155替代表面热流，将植物墙模型与多区域建筑模型耦合，评估了覆有直接绿墙的砖混住宅楼的年度能耗性能[23]。Detommaso等人将新型垂直植被组件与Type 56耦合，分析了集成间接绿墙的立面热性能[24]。此外，Grabowiecki等人开发了集成直接绿墙的墙体耦合传热模型，并在TRNSYS环境中编程为独立的"绿墙"组件，探索了欧洲直接绿墙的节能潜力[25]。对于基于EnergyPlus的实现，Arenghi等人在外表面热平衡中增加了潜热项，并将腔体建模为独立热区，利用区域通风功能模拟间隙内气流[26]。Zhang等人基于比尔-朗伯定律和潘曼-蒙蒂斯方程开发了与EnergyPlus集成的动态传热模型，分析了绿墙对办公楼制冷负荷的影响[27]。虽然基于商业平台的耦合方法适合年度能耗评估，但其结构约束限制了其在建模复杂多层相互作用时的灵活性。

鉴于将垂直绿化系统墙体传热模型集成到商业建筑模拟平台中的局限，一些研究开发了垂直绿化系统建筑的独立热平衡框架。He等人建立了集成立体植物墙建筑的耦合传热传质模型，并使用隐式差分格式求解[28]。Scarpa等人提出了集成立体植物墙建筑的热网络模型，采用有限体积法求解[29]，而Convertino等人建立了集成间接绿墙建筑的热平衡框架[30]。通过纳入室内空气和内侧墙体表面层的节点，这些模型能够在独立框架内计算植被系统、建筑围护结构和室内环境的耦合热响应。然而，它们主要是为了研究热响应和传热机理开发的，并未计算全年建筑整体供暖和制冷负荷。

基于RC的建筑能源模型在年度负荷模拟中展现了高计算效率[31,32]。其显式节点网络公式还提供了一个结构可扩展的框架，可根据关注的热物理过程引入额外的热节点和传热路径[33]。例如，Wang等人开发的模型产生的逐时供暖和制冷负荷与EnergyPlus一致，且计算成本低得多[34]。然而，他们的模型仅考虑传统建筑围护结构，未表征与间接绿墙相关的传热。在此基础上，本研究分别处理各立面朝向，并在外墙网络中增加植被节点和腔体空气节点。相应的热平衡公式被重新推导，以考虑辐射衰减、蒸腾、腔体对流和通风。所提出模型的热性能与上海夏季实测数据进行验证，其全年供暖和制冷负荷预测与EnergyPlus进行基准对比。随后，该模型用于研究典型气象条件下集成间接绿墙建筑的动态热响应，并评估上海不同建造年代和叶面积指数下代表性建筑的间接绿墙全年节能效果。最后，考察了这些节能效果背后的传热机理。

章节摘要

耦合传热模型的开发

分别为裸建筑和集成间接绿墙建筑建立了热平衡模型（图1）。裸建筑模型扩展了Wang等人提出的RC模型节点配置[34]，该模型已与EnergyPlus进行基准对比。为捕捉墙体表面温度动态，该模型分别对各朝向的墙体热平衡方程求解，而非采用简化RC模型中常用的集总参数方法。每个立面均

外墙表面温度模拟的验证

为评估模型性能，将模拟墙体表面温度与实测数据进行比较。计算均方根误差变异系数和归一化平均偏差以量化模拟温度与实测温度之间的一致性（公式(49)~(50)及表3）。根据常用标准，模型性能可分为非常好、好、一般、较差（

间接绿墙模型的适用性

所提出模型采用降阶大叶模型表征冠层，植被由集总热节点表示。选择此复杂度水平是为了表征间接绿墙的主要传热过程，同时保持适合逐时和年度建筑能耗模拟的计算效率。更详细的一维湿热模型可解析绿色围护结构层中耦合的温度和湿度变化[50]，而多节点均质层

结论

为评估中国夏热冬冷地区间接绿墙的全年制冷和节能性能，本研究基于等效电路法开发了耦合RC能源模型，显式纳入植被冠层和空气腔节点。利用上海夏季实测数据对该模型的热响应进行实验验证，并以EnergyPlus对裸建筑模型的全年供暖和制冷预测进行基准对比。随后，该模型用于研究

CRediT作者贡献声明

Meifang Su： 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，概念化。Xiaoyu Wang： 撰写——审阅与编辑，软件，方法论。Chao Wang： 撰写——审阅与编辑，监督，正式分析。Peixian Li： 撰写——审阅与编辑，监督。Naiping Gao： 撰写——审阅与编辑，监督。John Grunewald： 撰写——审阅与编辑，监督。Xiaoping Xie： 撰写——审阅与编辑，监督。Xing Shi：

Meifang Su|Xiaoyu Wang|Chao Wang|Peixian Li|Naiping Gao|John Grunewald|Xiaoping Xie|Xing Shi