幾種屋頂綠化形式的隔熱及節(jié)能效果研究

項 錚,儲 依

(上海市進(jìn)才中學(xué) 上海200135)

在建設(shè)節(jié)約型社會的主導(dǎo)思想下,建筑節(jié)能成為當(dāng)今社會的一個熱點話題,而建筑節(jié)能的中心是在不影響人們舒適度的前提下,減少建筑耗能。對于中國南方地區(qū)包括上海這樣的夏熱冬冷地區(qū)而言,夏季的建筑隔熱是建筑節(jié)能的重點。

在夏季對于一幢建筑而言,從外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面受到的太陽輻射強(qiáng)度和日照時數(shù)來看,以水平面最大,其次是東、西向,南向較少。屋頂外表面在太陽輻射的強(qiáng)烈作用下表面溫度升高,并以熱傳導(dǎo)的方式直接傳向室內(nèi),對室內(nèi)溫度影響很大,故屋頂隔熱極為重要。通過降低屋頂外表面溫度,可有效降低室內(nèi)溫度。有研究顯示,當(dāng)氣溫超過34℃時,有屋頂綠化的房屋,室內(nèi)可降溫2～5℃,空調(diào)負(fù)荷可減少15%以上。

關(guān)于屋頂隔熱的各種技術(shù)方法,最常用的是采用保溫隔熱材料作為建筑物屋頂?shù)耐獗馗魺岽胧?如膨脹珍珠巖、加氣混凝土、巖棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料等。這些保溫隔熱材料能起到一定的隔熱效果,但是從景觀效果來看較差,并且不能有效的降低城市熱島效應(yīng)。

屋頂綠化具有隔熱、生態(tài)、景觀綜合效益三位一體的優(yōu)勢。屋頂綠化一方面由于綠色植物的作用,可以降低屋頂外表面溫度;同時由于綠色植物和覆土的聯(lián)合作用,增大了屋頂?shù)臒嶙?進(jìn)一步降低了屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù),進(jìn)而降低了屋頂內(nèi)表面溫度。在生態(tài)方面,由于綠化的光合作用將熱能轉(zhuǎn)化為生物能,同時通過植物和種植基質(zhì)的蒸發(fā)作用,可有效降低室外環(huán)境空氣溫度,調(diào)節(jié)城市氣象;同時屋面綠化可以吸收諸如SO2、HF、CL2、NH3等有害氣體和塵埃。在城市景觀角度,建筑實行屋面綠化,可增加城市綠地面積、美化城市。

目前關(guān)于屋頂綠化的研究中,早期有關(guān)于覆土種植屋面的熱工性能研究,最近幾年關(guān)于景天科輕型種植屋面的研究較多,但關(guān)于藤蔓屋頂綠化和架空藤蔓屋頂綠化的隔熱研究較少見報道,更少見幾種屋面形式的隔熱效果的對比研究。為此,開展了植草盆綠化、爬藤綠化和架空爬藤綠化3種不同的屋頂綠化形式對建筑隔熱及節(jié)能效果的研究。

1 實驗測試條件和方法

1.1 實驗研究對象

選取上海市進(jìn)才中學(xué)的4間完全一樣的琴房作為研對象,其大小和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件完全一致。屋頂鋪設(shè)了膨珍珠巖的保溫隔熱材料,屋頂最外層是黑色瀝青保護(hù)層,圖1所示。

圖1 實驗房間平面示意圖

在測量之前種植了3種屋頂綠化并進(jìn)行了較長時間養(yǎng)護(hù)。3種綠化包括:1)輕型植草盆種植的景天科植物;2)栽大葉南瓜藤,直接在屋面爬藤,盡量爬滿屋面,縫隙率小5%;3)盆栽絲瓜藤,架空2m高的藤架上爬滿,空隙率小5%,如圖2所示。

圖2 屋頂綠化和實驗測試現(xiàn)場

研究3種不同的屋面綠化形式的隔熱效果。在上海市典型夏季氣象條件下,實驗研究不同屋頂綠化夏季隔熱的相關(guān)內(nèi)容,包括:測量主要隔熱參數(shù),分析隔熱效果及其與氣象條件的關(guān)系,研究3種綠化形式在夏季各種天氣下的熱工特性,提出適用于節(jié)能建筑設(shè)計的熱工參數(shù)建議,并討論其性能優(yōu)化的方法。

1.2 實驗內(nèi)容

實驗內(nèi)容主要針對不同屋頂綠化形式的隔熱特性和屋頂綠化各部分的效果,包括以下3個方面的內(nèi)容:

1)綠化植物層對太陽輻射的反射率

2)綠化植物層太陽輻射的遮蔽效果

3)屋頂綠化在夏季各種天氣下的隔熱效果

1.3 試驗方法

1)綠化層對太陽輻射的反射率就是指綠化層反射的太陽輻射強(qiáng)度與接收到的太陽輻射強(qiáng)度的比值。其測試方法為:采用2個太陽總輻射儀,1個面向天空測量太陽總輻射的強(qiáng)度,另外1個面向綠化層測量來自于綠化層反射的輻射強(qiáng)度,如圖3所示。

圖3 綠化層的太陽輻射反射率測試方法

2)綠化層對太陽輻射的遮蔽效果是指綠化層遮擋太陽輻射能量的比率,對于灌木類的綠化層可以采用輻射儀測量綠化層上面和下面朝向天空的太陽輻射強(qiáng)度,但對于草類綠化層,輻射儀自身尺寸太大而不能置于該類綠化層之下,因此在實驗中嘗試采用一種近似方法,即用2個熱流感應(yīng)片水平置于綠化層上面和下面的空氣中,測量通過感應(yīng)片的熱流,如圖4所示。用二者比值來近似估計綠化層對太陽輻射的遮蔽效果。

圖4 綠化層對太陽輻射的遮蔽率測試方法

3)綠化屋頂在夏季各種天氣下的隔熱效果測試方法:測量4個實驗房間屋頂內(nèi)、外表面的溫度、屋頂室外的空氣溫度等進(jìn)行分析和比較。

1.4 實驗測量參數(shù)和使用儀器

1)室外氣象參數(shù),包括氣溫、空氣濕度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、降雨量等,采用美國DAV IS小型氣象站自動記錄。

2)投射到綠化層上的太陽總輻射強(qiáng)度、綠化層的反射輻射強(qiáng)度采用國產(chǎn)DFY4-1總輻射表測量。

3)綠化層上、下水平面的熱流強(qiáng)度采用日本HFM—215多通道熱流計測量。

4)室內(nèi)空氣溫度、屋頂表面溫度、熱流強(qiáng)度采用銅-康銅熱電偶、熱流感應(yīng)片和數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行測定。

1.5 測試時間

綠化植物層的隔熱特性與植物的生長狀態(tài)有關(guān),應(yīng)該在綠化植物生長狀態(tài)良好的情況下測量得到的。同時,綠化屋頂?shù)母魺嵝Чc室外氣象條件,如氣溫、太陽輻射等有關(guān),因此實驗中測量綠化層對太陽輻射的反射率、遮蔽率以及隔熱效果的實驗選擇在夏季綠化植物狀態(tài)良好的代表性晴天進(jìn)行。選擇了2010年8月初連續(xù)5個晴天的測量數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 綠化植物層對太陽輻射的反射率

在2010年8月3日進(jìn)行了植物表面太陽輻射反射率的測量,實驗當(dāng)天為晴天,測量得出綠化植物層對太陽輻射的反射率變化見圖5。由圖5可見,植物層的反射率有著較為明顯的波動變化,其原因主要在于綠化層的反射面不只局限于一個平面上,隨著太陽方位的變化,其反射表面也隨之發(fā)生變化,因此其反射率的波動變化較為明顯;但從中可看出3種平均反射率差別不大,約為0.15,太陽輻射的吸收率均為0.85左右。

圖5 不同屋頂綠化植物的太陽輻射反射率比較

2.2 綠化層的遮蔽效果

綠化層的遮蔽效果實驗也在2010年8月3日進(jìn)行,目的是測量綠化層在生長良好狀態(tài)下的遮陽效果。當(dāng)日天氣為晴間多云,實驗時間從9:40—14:30。實驗期間平均空氣溫度35.7℃,平均空氣濕度37.6%,平均風(fēng)速1.34 m/s,平均太陽輻射675 W/m2,日照充足。

測量得到綠化層上面熱流下面熱流對比圖,見圖6。從圖中可見綠化層下面熱流比上面穩(wěn)定,其熱輻射不僅有來自綠化層對太陽輻射的直接透過,還有綠化植物吸收太陽輻射后向下發(fā)出的二次輻射。

3種屋頂綠化形式對于太陽輻射的遮擋存在較大差異,由于種植槽綠化屋面除了植物的遮蔽作用外還有種植層的遮蔽作用,所以遮蔽效果較好,平均遮蔽率在0.14,而藤蔓綠化屋頂和架空藤蔓屋頂沒有種植土層的遮蔽作用好,受到空氣熱輻射的影響,所以遮蔽率較低,分別為0.26和0.30。

3.3 屋頂綠化的隔熱效果

對于屋頂綠化的隔熱效果,采用了連續(xù)5個以上晴天測量的屋頂內(nèi)表面溫度,作為不同屋頂綠化隔熱效果的評價標(biāo)準(zhǔn)。用熱電偶連續(xù)自動記錄屋頂內(nèi)表面溫度和室外空氣溫度。每5m in記錄1次,每天24 h連續(xù)。記錄結(jié)果分析如圖7。從圖7中可看出綠化屋面的隔熱效果。曲線4是裸屋面的內(nèi)表面溫度變化,可以看出裸屋面的內(nèi)表面溫度很高,最高可達(dá)到37.5℃,并且隨室外溫度的變化波動很大。而有屋頂綠化的室內(nèi)屋頂內(nèi)表面則溫度要低得多,平均溫度要低4～5°。并且在一天中隨室外空氣溫度變化的幅度要小,溫度較為恒定。

圖6 不同屋頂綠化植物上下層熱流比較

圖7 不同綠化形式的屋頂內(nèi)表面溫度比較

在3種不同的屋頂綠化形式中種植槽屋頂綠化由于除了植物本身對于太陽輻射的反射和遮擋之外,還有種植土的遮擋和降溫作用,所以,種植槽屋頂綠化的隔熱降溫效果最好,并且隨一天中室外溫度的波動最小,而藤蔓屋頂綠化和架空藤蔓屋頂綠化相比種植槽屋頂綠化的隔熱效果稍差,由于架空層下空氣對流作用,受室外空氣溫度變化也比種植槽屋頂綠化影響更大。

3 結(jié) 論

屋頂綠化隔熱節(jié)能是綠化植物層利用植物葉片、冠層對太陽輻射的遮擋作用、反射作用和植物的蒸騰作用以及光合作用來調(diào)節(jié)、減少建筑物吸收的太陽輻射量,改變環(huán)境的熱、濕平衡,減少太陽輻射熱對屋面的影響,進(jìn)而減少室內(nèi)得熱,達(dá)到自然降溫,改善室內(nèi)熱環(huán)境的效果。

由于在屋頂綠化隔熱過程中通過植物自身的光合作用,消耗、轉(zhuǎn)化了一部分太陽輻射能量,因此綠化隔熱作為綜合利用了反射、遮陽、通風(fēng)、被動蒸發(fā)等方式,更有利于室內(nèi)外熱環(huán)境品質(zhì)的根本改善。

屋頂綠化可以明顯降低屋頂內(nèi)表面溫度,從而有效降低室內(nèi)空氣溫度,進(jìn)一步降低夏季的空調(diào)能耗,具有良好的節(jié)能效果。并且3種不同的屋頂綠化方式中種植槽屋頂綠化的隔熱、節(jié)能效果最佳。

關(guān)于屋頂綠化的隔熱節(jié)能效果人們都是公認(rèn)的,但定量的研究還不多見,本文通過實驗研究得出了不同屋頂綠化形式的隔熱效果的實測數(shù)據(jù)。今后,還可進(jìn)一步深入研究屋頂綠化在空調(diào)環(huán)境中的節(jié)能降耗課題。

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