室內(nèi)氣溫對(duì)綠化屋頂當(dāng)量熱阻的影響

楊真靜，熊 珂，唐鳴放

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400045)

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室內(nèi)氣溫對(duì)綠化屋頂當(dāng)量熱阻的影響

楊真靜，熊 珂，唐鳴放

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400045)

綠化屋頂在節(jié)能設(shè)計(jì)中以附加當(dāng)量熱阻增大屋頂總熱阻值，有效減少由屋頂進(jìn)入室內(nèi)的熱量，降低室內(nèi)空氣溫度。但根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)研究，綠化屋頂隔熱特性與室內(nèi)氣溫是耦合關(guān)系，隨室內(nèi)氣溫的變化，綠化屋頂會(huì)呈現(xiàn)出不同的隔熱特性。用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析在不同室內(nèi)氣溫下綠化屋頂、參照屋頂與等效保溫屋頂內(nèi)表面溫度與熱流的變化。結(jié)果表明：室內(nèi)氣溫會(huì)顯著改變綠化屋頂?shù)母魺嵝阅?，其?dāng)量熱阻為與室內(nèi)溫度正相關(guān)的變量。在被動(dòng)式建筑中，綠化屋頂更能充分發(fā)揮隔熱功效，且具有不向室內(nèi)傳熱的特性。

綠化屋頂；當(dāng)量熱阻；數(shù)值模擬

綠化屋頂作為被動(dòng)建筑防熱降耗的生態(tài)手段，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到建筑中。目前對(duì)綠化屋頂最主要也最常用的熱工評(píng)價(jià)指標(biāo)為當(dāng)量熱阻，即把綠化屋頂?shù)母魺峁πУ刃橐话愀魺岵牧线M(jìn)行熱工計(jì)算[1-2]。當(dāng)量熱阻即是綠化屋頂除種植部分外的建筑構(gòu)件，在其上附加隔熱層成為參照屋頂，在一個(gè)完整氣候周期內(nèi)，當(dāng)綠化屋頂與參照屋頂?shù)膬?nèi)表面平均溫度相同，則參照屋頂?shù)臒嶙杈蜑榫G化屋頂中綠化部分的當(dāng)量熱阻[3]。在《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和《重慶市居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》中就明確綠化屋頂以附加當(dāng)量熱阻0.5(m2·K/W)進(jìn)入建筑節(jié)能計(jì)算。在已有的文獻(xiàn)中，對(duì)綠化屋頂當(dāng)量熱阻的研究不多，大多是在人工控制室溫下得到的，如孟慶林等[4]控制和調(diào)節(jié)熱氣候風(fēng)洞內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，得到風(fēng)洞內(nèi)平均風(fēng)速取廣州夏季室外平均風(fēng)速1.5～1.8 m/s時(shí)，佛甲草綠化屋頂當(dāng)量熱阻值為0.41～0.63 m2·K/W，與標(biāo)準(zhǔn)[5-6]中的當(dāng)量熱阻值相當(dāng)。Wong[7]分別計(jì)算了草皮、灌木、和喬木3種植物的當(dāng)量熱阻，得到3種植物的當(dāng)量熱阻分別為0.36、1.61和0.57(m2·K/W)。但在一些自然室溫的實(shí)驗(yàn)中，室內(nèi)溫度較高，出現(xiàn)了綠化屋頂由室內(nèi)流向室外的逆向熱流[8-11]，顯然在這種狀態(tài)下，其隔熱性能就不等同于一般保溫材料，不能用當(dāng)量熱阻來評(píng)價(jià)。綜合相關(guān)文獻(xiàn)分析得出，隨著室溫的變化，綠化屋頂會(huì)展示出不同的隔熱特性，因此，綠化屋頂?shù)母魺嵝阅芘c屋頂下室溫的關(guān)系還需進(jìn)一步研究。筆者用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、熱傳導(dǎo)理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析綠化屋頂與等效保溫屋頂內(nèi)表面溫度與熱流的變化，綜合剖析綠化屋頂當(dāng)量熱阻與室內(nèi)溫度的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)在上海一單層4開間建筑屋頂上進(jìn)行，建筑為南北向，選擇中間的兩個(gè)房間作為綠化屋頂房間和參照房間對(duì)比實(shí)驗(yàn)，兩房間大小、圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法均相同，為更好地比較屋頂構(gòu)造不同給室內(nèi)熱環(huán)境帶來的影響，減少外部干擾，房間均關(guān)閉門窗，不考慮自然通風(fēng)，且房間功能為庫(kù)房，沒有室內(nèi)熱源。

綠化屋頂采用加氣混凝土種植槽種植景天科佛甲草，屋頂構(gòu)造和測(cè)試點(diǎn)位置如圖1。綠化屋頂房間沿剖面從上至下共有5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，參照房間3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)設(shè)置兩個(gè)感應(yīng)器，室外氣溫測(cè)點(diǎn)布置在屋頂上方1 m高空氣中；室內(nèi)空氣溫度測(cè)點(diǎn)布置在房間平面中間1.5 m高的位置；屋頂內(nèi)、外表面測(cè)點(diǎn)布置在房間屋頂表面中間位置。

測(cè)量參數(shù)為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、室內(nèi)外空氣溫度、屋頂內(nèi)外表面溫度、屋頂內(nèi)表面熱流，數(shù)據(jù)每0.5 h記錄一次，測(cè)試儀器的型號(hào)及參數(shù)見表1。

表1 測(cè)試儀器的型號(hào)及參數(shù)

為設(shè)置不同的室內(nèi)溫度，測(cè)試分為兩種工況。工況1為空調(diào)運(yùn)行工況，設(shè)置室內(nèi)空調(diào)溫度為25℃，測(cè)量時(shí)間為8月7日-8月17日，共10 d；工況2為非空調(diào)工況，自然狀態(tài)下室溫，測(cè)試時(shí)間為8月19日-8月28日。

1.2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)階段室外氣溫及太陽(yáng)輻射見圖2。

圖2中前10 d為工況1，在該時(shí)段內(nèi)，室外氣溫晴天居多，日平均氣溫29.8 ℃，最高氣溫41.6 ℃，工況2時(shí)段處于8月下旬，是全年最熱的一段時(shí)間，室外氣溫較上旬工況1期間溫度要高，平均氣溫30.3 ℃，最高溫出現(xiàn)在23日，為39.8 ℃。

圖2 室外氣候參數(shù)Fig.2 Main outdoor weather data

1.2.1 不同室內(nèi)溫度下的隔熱效果 為便于比對(duì)，通過測(cè)試的數(shù)據(jù)分析，從2種工況下各選取了4 d，8月7日-8月10日和8月21日-8月24日2個(gè)時(shí)間段，這2時(shí)段天氣晴朗，室外氣溫變化非常接近，最大太陽(yáng)輻射也基本相當(dāng)(見表2)。因此，可以看成是這2時(shí)間段基本在相同的室外氣候條件下，差別僅在于有無(wú)空調(diào)控制室溫，導(dǎo)致室內(nèi)溫度的不同。在后續(xù)的模擬研究也是將這4 d平均成1 d作為作為典型日氣象數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)值模擬。

表2 不同室內(nèi)溫度下綠化屋頂和參照屋頂室內(nèi)熱工參數(shù)測(cè)量值

注：屋頂內(nèi)表面平均熱流正值表明熱流方向由室外進(jìn)入室內(nèi)，負(fù)值表明熱流由室內(nèi)進(jìn)入室外。

不同室內(nèi)溫度下綠化屋頂和參照屋頂室內(nèi)熱工參數(shù)測(cè)量結(jié)果見表2。從表中可見，2種工況下，綠化系統(tǒng)都有效減少了由屋頂進(jìn)入室內(nèi)的熱量，在空調(diào)工況(工況1)，綠化屋頂減少了74%進(jìn)入室內(nèi)的熱量，顯然證實(shí)綠化屋頂能有效減少空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間，大幅減少空調(diào)能耗[12-13]。在自然室溫(工況2)下，綠化屋頂有效降低室內(nèi)溫度3.2 ℃。

實(shí)驗(yàn)也表明，室內(nèi)氣溫與綠化屋頂?shù)母魺嵝Ч嗷ヱ詈?，在綠化屋頂有效降低室溫的同時(shí)，室溫也改變綠化屋頂?shù)母魺嵝阅?，在工況1，綠化屋頂內(nèi)表面熱流與參照屋頂具有相同的傳熱方向，而當(dāng)室內(nèi)溫度上升，內(nèi)表面熱流的傳遞方向發(fā)生了變化，改由室內(nèi)傳向室外，幫助室內(nèi)散熱，減小熱流111%。這顯然不符合熱傳導(dǎo)理論，采用任何保溫材料屋頂都不可能出現(xiàn)逆向的熱流方向。因此，在該狀態(tài)下，就不能用當(dāng)量熱阻來評(píng)定其隔熱效果，下面用工況1下測(cè)量值來進(jìn)行當(dāng)量熱阻的分析。

1.2.2 綠化屋頂當(dāng)量熱阻的計(jì)算 綠化屋頂?shù)目偀嶙栌蓛刹糠纸M成，一部分是屋頂建筑構(gòu)件的熱阻，另一部分為綠化系統(tǒng)的附加熱阻，見式(1)。

R=R0+RE

(1)

式中：R為屋頂總熱阻，m2·K/W；R0為屋頂建筑構(gòu)件熱阻值，m2·K/W；RE為綠化系統(tǒng)的當(dāng)量熱阻值，m2·K/W。

屋面為預(yù)制空心板屋面，構(gòu)造簡(jiǎn)單，通過無(wú)綠化屋頂?shù)臏y(cè)量值，屋頂構(gòu)件熱阻為

因工況1下，室內(nèi)溫度由空調(diào)控制，較為穩(wěn)定，屋頂內(nèi)表面溫度變化直接受屋頂?shù)脽岬挠绊?，因此，選定工況1下測(cè)量值，用式(2)計(jì)算得到屋頂熱阻為0.20 m2·K/W。從屋面構(gòu)造做法及熱物性參數(shù)來看(見表3)，這與實(shí)際屋面構(gòu)造計(jì)算得到熱阻大致相當(dāng)。這也說明了對(duì)無(wú)綠化屋頂，將周期性非穩(wěn)態(tài)等效為穩(wěn)態(tài)傳熱，用穩(wěn)態(tài)傳熱熱阻來計(jì)算屋頂在完整周期內(nèi)的傳熱是合理的。

表3 屋面構(gòu)造做法及材料熱物性參數(shù)

式(2)也可以表達(dá)成以室外綜合溫度為室外計(jì)算參數(shù)的形式，即：

(3)

(4)

上面的當(dāng)量熱阻值是在室溫25℃左右時(shí)測(cè)量值的計(jì)算結(jié)果，由于室外氣候不能控制，難以保證調(diào)整的不同室內(nèi)溫度都在相近的室外氣候條件下，因此，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析。

2 數(shù)值模擬分析

能耗模擬軟件DesignBuilder是為數(shù)不多能對(duì)綠化屋頂建筑進(jìn)行數(shù)值模擬的軟件，能分別對(duì)綠化屋頂各構(gòu)造層次根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

2.1 構(gòu)建合理的數(shù)值模型

以實(shí)驗(yàn)建筑為原始模型，按照建筑的實(shí)際尺寸和相關(guān)構(gòu)造，建立了幾何模型(見圖3)。圖3中，房間3和房間4為兩個(gè)有無(wú)綠化屋頂對(duì)比房間。

屋頂綠化的參數(shù)設(shè)置分為土壤和植物兩部分，各參數(shù)取值如下：

圖3 建筑模型圖Fig.3 Schematic representation of building model

選取IWEC上海數(shù)據(jù)庫(kù)中室外氣溫和太陽(yáng)輻射與實(shí)驗(yàn)期間的典型日最為接近的一天，這樣空氣濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)和實(shí)際更為接近，將庫(kù)中的室外氣溫和太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)改為實(shí)驗(yàn)典型日的逐時(shí)數(shù)據(jù)，這樣得到完整的典型日氣象數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)每天重復(fù)進(jìn)行一段時(shí)間的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見表4和表5。

表4 參照房間模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表5 綠化屋頂房間模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值和模擬值比較吻合，這說明數(shù)值模型能基本反映兩種屋頂?shù)恼鎸?shí)降溫效果，模型合理有效，可用來做進(jìn)一步模擬分析。

2.2 等效屋頂?shù)牡刃苑治?/p>

根據(jù)前面對(duì)當(dāng)量熱阻的定義，附加了隔熱層的屋頂則為該綠化屋頂?shù)牡刃蓓?。接下來用模擬的方法對(duì)等效屋頂?shù)牡刃赃M(jìn)行分析。

按照定義，用一般保溫材料的等效屋頂在室外熱氣候作用下的隔熱效果應(yīng)該和綠化屋頂是等效的。根據(jù)前面計(jì)算得到的當(dāng)量熱阻值，選用節(jié)能設(shè)計(jì)中常用的保溫材料膨脹聚苯板(EPS)，它的材料參數(shù)為：干密度ρ0=30 kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.042 W/(m·K)；比熱C=1.38 kJ/(kg·K)；根據(jù)計(jì)算，厚度T=0.047 m，鋪設(shè)了該保溫材料的屋頂就為綠化屋頂?shù)牡刃П匚蓓敗?/p>

用通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了的綠化屋頂建筑模型，與等效屋頂和綠化屋頂在同樣的氣候條件下進(jìn)行模擬比對(duì)，將室內(nèi)空調(diào)溫度分別從25～29 ℃設(shè)置，選取實(shí)驗(yàn)測(cè)試的典型日數(shù)據(jù)為外部氣候參數(shù)，得參照屋頂、綠化屋頂和等效屋頂?shù)奈蓓攦?nèi)表面熱流與室內(nèi)溫度的關(guān)系圖(見圖4)。

圖4 3種屋頂內(nèi)表面熱流與室溫的關(guān)系Fig.4 The relationship between the internal roof surface and the indoor temperature

從圖4來比較3種屋頂形式，等效屋頂和綠化屋頂因較大的熱阻，進(jìn)入室內(nèi)的熱量都要遠(yuǎn)小于參照屋頂，當(dāng)室內(nèi)溫度從25 ℃升高到到29 ℃，3條熱流曲線的走勢(shì)是相同的，其熱流與室溫都成線性負(fù)相關(guān)，隨著室內(nèi)外溫差的降低，熱流強(qiáng)度都在逐漸降低，但是曲線降低趨勢(shì)并不同步，綠化屋頂曲線的斜率要遠(yuǎn)大于等效屋頂，曲線下降很快，當(dāng)室內(nèi)溫度29 ℃時(shí)，其值已下降為負(fù)值。而等效屋頂斜率較小，雖和綠化屋頂同一個(gè)起點(diǎn)，但熱流強(qiáng)度值下降較緩。綠化屋頂內(nèi)表面熱流與室溫曲線的關(guān)聯(lián)式為

(5)

因等效屋頂是在室內(nèi)空調(diào)溫度25 ℃的實(shí)驗(yàn)下計(jì)算其熱阻得來的，綠化屋頂與等效屋頂兩條變化曲線在25 ℃時(shí)重合，表明此室內(nèi)溫度下，兩屋頂隔熱性能是等效的，但隨著室內(nèi)溫度的升高，等效性在發(fā)生變化。顯然也說明綠化屋頂在室溫25 ℃時(shí)的當(dāng)量熱阻不等于其他室溫下的當(dāng)量熱阻，當(dāng)量熱阻與室內(nèi)溫度是有相關(guān)性的。

2.3 當(dāng)量熱阻隨室內(nèi)溫度的變化規(guī)律

從表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知，隨著室內(nèi)溫度的上升，綠化屋頂內(nèi)表面熱流從正變?yōu)樨?fù)值，因此，完全可以推測(cè)屋頂內(nèi)表面存在熱流為零的狀態(tài)，這在模擬中也得到了驗(yàn)證(見圖4)，在該狀態(tài)，綠化屋頂不傳熱，成為了絕熱構(gòu)件，顯然只有當(dāng)綠化屋頂?shù)漠?dāng)量熱阻趨于無(wú)窮大，屋頂熱流才會(huì)出現(xiàn)為0的情況。

通過模擬得到屋頂內(nèi)表面溫度變化值，根據(jù)式(4)，計(jì)算得出不同室內(nèi)溫度下的屋頂綠化的當(dāng)量熱阻值，其隨室內(nèi)溫度的變化見圖5。

圖5 屋頂綠化當(dāng)量熱阻與室內(nèi)溫度的關(guān)系Fig.5 The relationship between the equivatent thermal resistance and the indoor temperature

在圖5中，曲線分為明顯的2段，當(dāng)室溫低于27 ℃時(shí)，當(dāng)量熱阻與室溫幾乎是線性正相關(guān)關(guān)系，室內(nèi)平均溫度25 ℃時(shí)，當(dāng)量熱阻為1.2 m2·K/W；27 ℃時(shí)為5.5 m2·K/W，但當(dāng)室溫超過27 ℃后，當(dāng)量熱阻曲線上升迅猛，在室溫為28 ℃時(shí)當(dāng)量熱阻達(dá)到42 m2·K/W。

通過擬合，得到綠化屋頂當(dāng)量熱阻與室內(nèi)溫度的關(guān)聯(lián)式為

(6)

2.4 討論

綠化屋頂通過減少由屋頂進(jìn)入室內(nèi)的熱量，顯著降低室內(nèi)溫度，但室內(nèi)溫度的變化又反作用于綠化屋頂，會(huì)讓傳熱方向發(fā)生變化，二者相互耦合。從前面的分析可知，主動(dòng)式建筑中，在人體適應(yīng)性舒適范圍中室內(nèi)溫度的設(shè)定將會(huì)直接影響到綠化屋頂是否向室內(nèi)傳熱。

在圖4中可以看到，當(dāng)量熱阻曲線在室溫較高時(shí)上升非常顯著，越接近不傳熱的臨界狀態(tài)時(shí)熱阻越大，室溫相對(duì)較低時(shí)熱阻增長(zhǎng)不明顯，而25～27℃是空調(diào)房間常設(shè)定的室內(nèi)溫度值，顯然，較低的室內(nèi)溫度沒有充分發(fā)揮綠化屋頂全部的熱阻功效，而對(duì)于被動(dòng)式建筑，建筑室溫稍高于空調(diào)房間但在人體適應(yīng)性舒適范圍內(nèi)，更能充分發(fā)揮綠化屋頂?shù)母魺峁πА?/p>

另外，當(dāng)量熱阻隨室內(nèi)溫度而顯著變化表明綠化屋頂?shù)母魺嵝Ч莿?dòng)態(tài)變化的，而目前評(píng)價(jià)綠化屋頂熱工性能用一固定的當(dāng)量熱阻值顯然就不能真實(shí)反映綠化屋頂隔熱特性。在圖3中，室內(nèi)平均溫度超過28.2 ℃時(shí)，傳熱方向發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，這種狀態(tài)顯然就不能用當(dāng)量熱阻來評(píng)價(jià)，這也說明用當(dāng)量熱阻來評(píng)價(jià)綠化屋頂熱特性是有適用范圍的，只有在該范圍內(nèi)，談?wù)摦?dāng)量熱阻才有意義，其適用范圍還有待于進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

1)驗(yàn)證了綠化屋頂在被動(dòng)式建筑中存在不向室內(nèi)傳熱的狀態(tài)，這一特性與一般保溫屋頂不同，是綠化屋頂所特有的特性。

2)綠化屋頂?shù)漠?dāng)量熱阻值為一變量，用固定的當(dāng)量熱阻值沒有充分評(píng)價(jià)綠化屋頂?shù)母魺峁π?。綠化屋頂?shù)漠?dāng)量熱阻與室內(nèi)溫度正相關(guān)。

3)在被動(dòng)式建筑人體適應(yīng)性舒適室溫范圍內(nèi)，綠化屋頂更能充分發(fā)揮隔熱功效。

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(編輯 胡英奎)

Influence of indoor temperature on equivalent thermal resistance of green roof

YangZhenjing，XiongKe，TangMingfang
(College of Architecture and Urban Planning; Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400045，P. R. China)

Green roof contributes to high total thermal resistance of roof serving as additional equivalent thermal resistance ，which effectively reduces the heat gain from roof and lowers the indoor air temperature. However，current studies showed that the relationship of indoor temperature and thermal performance was coupling and the performance of the green roof are different with the change of the indoor temperature. Surface temperature and heat flux changes of green roof，reference roof and equivalent insulating roof were analyzed respectively when the indoor temperature changed using both experiment and numerical simulation. The results showed that the indoor temperature had significant impact on the insulation performance of green roof and the equivalent thermal resistance had positive correlationwith the indoor temperature. The insultation performance of green roof reduces heat gain in passive building.Key words:green roof;equivalent thermal resistance; numerical simulation.

green roof;equivalent thermal resistance; numerical simulation

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.02.017

2014-08-03 基金項(xiàng)目：重慶市科委前沿與應(yīng)用基礎(chǔ)研究(cstc2014jcyjA90024)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(106112014CDJZR190008)

楊真靜(1975- )，女，博士，副教授，主要從事建筑節(jié)能、綠色建筑研究，(E-mail)young30331@163.com。

Foundation item：Frontier and Application Fundamental Science of the Chongqing Science & Technology Commission(No. cstc2014jcyjA90024); Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(No. 106112014CDJZR190008)

TU 111.19

A

1674-4764(2015)02-0109-06

Received：2014-08-03

Author brief：Yang Zhenjing(1975-), PhD, associate professor, main research interests:building energy efficiency and green building，(E-mail)young30331@163.com.