屋頂綠化節(jié)能熱工評(píng)價(jià)

唐鳴放,鄭澍奎,楊真靜

(重慶大學(xué)教育部山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045）

屋頂綠化是適應(yīng)南方地區(qū)濕熱氣候條件的生態(tài)節(jié)能措施,與常規(guī)的建筑節(jié)能措施相比,屋頂綠化不僅具有室內(nèi)隔熱降溫的作用,還具有改善城市生態(tài)環(huán)境、緩解熱島效應(yīng)等綜合功能。此外,綠化材料的生產(chǎn)不消耗能源,并且可以重復(fù)和循環(huán)使用,綠化垃圾容易自然降解,因此屋頂綠化還具有全壽命周期節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn),是值得大力推廣的地方節(jié)能技術(shù)。而近年來開發(fā)的輕型屋頂綠化技術(shù)[1-3],種植荷載輕,管理粗放,應(yīng)用范圍更加廣泛。

目前關(guān)于屋頂綠化隔熱降溫的評(píng)價(jià)研究主要采用實(shí)驗(yàn)測量方法。由于綠化植物與氣候的關(guān)系密切,通常采用實(shí)際氣候下的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),并且室內(nèi)環(huán)境多為自然狀態(tài)(非空調(diào)控制)[4-10]。也有在熱氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)的研究[11-12]。在工程應(yīng)用中,缺少以屋頂綠化實(shí)際節(jié)能效果測量為依據(jù)的節(jié)能評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)參考。以2007年夏季在上海進(jìn)行的屋頂綠化節(jié)能熱工實(shí)驗(yàn)為依據(jù)進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)概況[13]

實(shí)驗(yàn)中采用的輕型綠化為一種塊狀綠化產(chǎn)品,主要由種植盤、基質(zhì)和植物組成。種植盤用粉煤灰和水泥混合壓制成型,具有排水和保肥的作用。在種植盤內(nèi)放置基質(zhì)材料后,總厚度約為100 mm,濕重量達(dá)到100 kg/m2,適用于一般荷載的屋頂。種植佛甲草后可直接放置在屋頂上,圖1為這種綠化在屋頂上的應(yīng)用。

圖1 測試的屋頂綠化產(chǎn)品

實(shí)驗(yàn)在上海某綠化基地進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)屋頂?shù)姆块g為相鄰對(duì)比實(shí)驗(yàn)房(見圖2),每間面積約20 m2,安裝有同樣型號(hào)的壁掛式空調(diào)和獨(dú)立電表。屋頂構(gòu)造為鋼筋混凝土空心板加防水保護(hù)層,墻體為雙面抹灰磚墻。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2007年7-8月,其中分為開啟空調(diào)和關(guān)閉空調(diào)兩段實(shí)驗(yàn)。測量內(nèi)容為氣候參數(shù)、熱工參數(shù)和空調(diào)用電量。

圖2 實(shí)驗(yàn)房及屋頂布置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 空調(diào)耗電量指標(biāo)

在為期1個(gè)月的空調(diào)開啟實(shí)驗(yàn)期間,室外氣溫日變化范圍見圖3,2房間的室內(nèi)溫度由空調(diào)控制在25℃左右,但每天綠化屋頂?shù)姆块g都比對(duì)比屋頂?shù)姆块g用電量少(見圖4)。1個(gè)月期間,有、無綠化屋頂?shù)姆块g所消耗的空調(diào)電量分別為310.7 kWh和370.2 kWh,說明綠化屋頂減少了房間空調(diào)耗電量的16%,平均每天節(jié)省電量約2 kWh,單位面積屋頂綠化每天節(jié)省電量約0.1 kWh左右。

圖3 測試期間室外氣溫變化范圍

2.2 節(jié)電量與氣候相關(guān)性分析

比較圖3和圖4,屋頂綠化節(jié)電量的大小與氣候有很大關(guān)系。取10 d(2007.8.7-2007.8.18)的節(jié)電量與氣候參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,得到屋頂綠化節(jié)電量與太陽輻射強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)為0.81(見圖5),與室外氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.70(見圖6),說明天氣越熱,屋頂綠化的節(jié)能效果越好。

圖4 屋頂綠化每天節(jié)電量

圖5 屋頂綠化節(jié)電量與太陽輻射的相關(guān)性

圖6 屋頂綠化節(jié)電量與氣溫的相關(guān)性

2.3 隔熱效果分析

屋頂綠化隔熱效果分為開啟空調(diào)和關(guān)閉空調(diào)2種室內(nèi)環(huán)境狀況,分別取2段實(shí)驗(yàn)中連晴4 d的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1)室內(nèi)空調(diào)狀態(tài)

圖7和圖8為開啟空調(diào)期間屋頂內(nèi)表面溫度和熱流的逐時(shí)變化對(duì)比,表1為測量數(shù)據(jù)平均值?？梢娫谑覂?nèi)環(huán)境空調(diào)控制下,兩房間溫度比較接近,但兩屋頂內(nèi)表面溫度和熱流,不論是平均值還是波動(dòng)幅度,差別都比較大。就平均值來說,對(duì)比屋頂內(nèi)表面溫度與室內(nèi)氣溫相差3.9℃,而綠化屋頂內(nèi)表面溫度與室內(nèi)氣溫相差1℃;在綠化屋頂室內(nèi)溫度比對(duì)比屋頂室內(nèi)溫度稍低的情況下,綠化屋頂內(nèi)表面熱流比對(duì)比屋頂減少了73%。說明屋頂綠化能顯著改善室內(nèi)熱環(huán)境、大幅減少能耗。

圖7 空調(diào)狀態(tài)屋頂內(nèi)表面溫度

圖8 空調(diào)狀態(tài)屋頂進(jìn)入室內(nèi)的熱流

表1 測量數(shù)據(jù)平均值(室內(nèi)空調(diào)狀態(tài))

2)室內(nèi)自然狀態(tài)

關(guān)閉空調(diào),室內(nèi)為自然狀態(tài),房間空氣溫度由圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分傳熱形成的熱平衡溫度。圖9為自然狀態(tài)2房間室內(nèi)空氣溫度的逐時(shí)變化,屋頂內(nèi)表面溫度的變化與空氣溫度相似,圖10為屋頂內(nèi)表面熱流的變化,表2為測量數(shù)據(jù)平均值?？梢娫谧匀粻顟B(tài),綠化屋頂?shù)姆块g空氣溫度和內(nèi)表面溫度比對(duì)比屋頂平均低3.2℃和3.8℃,并且熱流為負(fù)值,即綠化屋頂還要吸收由外墻傳進(jìn)室內(nèi)的熱量,冷卻房間。

圖9 自然狀態(tài)室內(nèi)空氣溫度

圖10 自然狀態(tài)屋頂內(nèi)表面熱流

表2 測量數(shù)據(jù)平均值(室內(nèi)自然狀態(tài))

3 當(dāng)量熱阻計(jì)算

屋頂綠化的節(jié)能熱工性能普遍采用當(dāng)量熱阻來評(píng)價(jià)。屋頂綠化的當(dāng)量熱阻就是與其等效的保溫隔熱屋頂熱阻,因此采用測量數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)一般參照圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻現(xiàn)場測量方法。在現(xiàn)場測量評(píng)價(jià)中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻通常采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)表面溫度差除以熱流的方法計(jì)算[14],即

式中R為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻(m2.K/W)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面平均溫度(℃)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平均溫度(℃)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平均熱流(W/m2)。

采用上面(1)式計(jì)算綠化屋頂當(dāng)量熱阻時(shí),內(nèi)表面溫度和熱流可取測量值,外表面溫度如何取值有待探討。一些研究報(bào)道取綠化植物下面的土層表面溫度作為計(jì)算的外表面溫度[15],這其實(shí)是忽略了綠化植物的作用,低估了屋頂綠化的隔熱能力。當(dāng)量熱阻應(yīng)該是把綠化屋頂?shù)母魺嵝Чc同氣候環(huán)境下的保溫隔熱屋頂相等,然后取保溫隔熱屋頂?shù)臒嶙枳鳛榫G化屋頂?shù)漠?dāng)量熱阻,因此應(yīng)該取保溫隔熱屋頂外表面溫度來計(jì)算。由于實(shí)際測量是采取的對(duì)比實(shí)驗(yàn),對(duì)比屋頂?shù)臒嶙杼岣吡思礊楸馗魺嵛蓓?因此保溫隔熱屋頂外表面溫度可近似取無綠化的對(duì)比屋頂外表面溫度測量數(shù)據(jù),這樣取值的合理性在于屋頂保溫后外表面溫度會(huì)稍有提高,熱阻計(jì)算中取稍低的外表面溫度值會(huì)使計(jì)算結(jié)果更可靠。

采用上述空調(diào)期間連晴4 d的測量數(shù)據(jù)計(jì)算,得到無綠化的對(duì)比屋頂熱阻為0.2 m2·K/W,綠化屋頂當(dāng)量熱阻為1.2 m2·K/W,因此包括植物和土層在內(nèi)的綠化層的當(dāng)量熱阻為1.0 m2·K/W。

4 屋頂綠化隔熱評(píng)價(jià)討論

采用保溫隔熱屋頂?shù)臒嶙鑱碓u(píng)價(jià)綠化屋頂?shù)臒峁ば阅苁且环N便于工程應(yīng)用的簡化方法,有一定的適用范圍。保溫隔熱屋頂和綠化屋頂?shù)臒釞C(jī)理不同,兩者在性能上有本質(zhì)區(qū)別。

對(duì)于保溫隔熱屋頂,室內(nèi)空調(diào)狀態(tài)和室內(nèi)自然狀態(tài)的差別在于屋頂下面的溫度不同,導(dǎo)致屋頂上下兩側(cè)的溫差不同,不管哪種室內(nèi)狀態(tài),室外綜合溫度總是高于室內(nèi)空氣溫度。根據(jù)建筑材料和構(gòu)件的傳熱理論,保溫隔熱屋頂?shù)膫鳠岱较蚩偸菑氖彝鈧飨蚴覂?nèi),傳熱大小與屋頂上下兩側(cè)溫差成正比。屋頂熱工性能與室內(nèi)狀態(tài)無關(guān),即不管室內(nèi)是自然狀態(tài)還是空調(diào)狀態(tài),用(1)式計(jì)算的熱阻是相同的。

然而對(duì)于綠化屋頂,情況卻不一樣。在室內(nèi)空調(diào)狀態(tài),可以找出一個(gè)保溫隔熱屋頂,使其隔熱效果與綠化屋頂相同,這時(shí)保溫隔熱屋頂?shù)臒嶙璞闶蔷G化屋頂?shù)漠?dāng)量熱阻;在室內(nèi)自然狀態(tài),從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可看出,盡管室外綜合溫度高于室內(nèi)空氣溫度,但綠化屋頂內(nèi)表面的傳熱方向卻是從室內(nèi)傳向屋頂,而不是從室外傳向室內(nèi)。這是任何保溫隔熱屋頂所無法做到的,這種現(xiàn)象用建筑材料和構(gòu)件的保溫隔熱理論無法解釋。這說明在不同的室內(nèi)狀態(tài)下,綠化屋頂?shù)漠?dāng)量熱工性能是不同的,室內(nèi)自然狀態(tài)和室內(nèi)空調(diào)狀態(tài)不能采用同一參數(shù)評(píng)價(jià)。

5 結(jié)語

1)屋頂綠化是一種高效節(jié)能措施,應(yīng)用在未采取保溫隔熱措施的屋頂上,綠化的節(jié)能效果相當(dāng)于附加了40mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料或200mm厚的加氣混凝土,基本上能夠滿足夏季屋頂節(jié)能要求。

2)屋頂綠化的特性表現(xiàn)為在室內(nèi)空調(diào)狀態(tài)時(shí)為隔熱,在室內(nèi)自然狀態(tài)時(shí)為吸熱。屋頂綠化的隔熱特性采用當(dāng)量熱阻評(píng)價(jià)時(shí),其值可用(1)式計(jì)算,其中外表面溫度取對(duì)比屋頂外表面溫度測量值。

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