室內(nèi)氣溫對綠化屋頂當(dāng)量熱阻的影響

摘 要：綠化屋頂在節(jié)能設(shè)計中以附加當(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，綠化屋頂會呈現(xiàn)出不同的隔熱特性。用實(shí)驗(yàn)測試與數(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)氣溫會顯著改變綠化屋頂?shù)母魺嵝阅埽洚?dāng)量熱阻為與室內(nèi)溫度正相關(guān)的變量。在被動式建筑中，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。

關(guān)鍵詞：綠化屋頂；當(dāng)量熱阻；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU 111.19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）02-0109-06

綠化屋頂作為被動建筑防熱降耗的生態(tài)手段，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到建筑中。目前對綠化屋頂最主要也最常用的熱工評價指標(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)能計算。在已有的文獻(xiàn)中，對綠化屋頂當(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，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)量熱阻來評價。綜合相關(guān)文獻(xiàn)分析得出，隨著室溫的變化，綠化屋頂會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，選擇中間的兩個房間作為綠化屋頂房間和參照房間對比實(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個測試點(diǎn)，參照房間3個測試點(diǎn)，每個測試點(diǎn)設(shè)置兩個感應(yīng)器，室外氣溫測點(diǎn)布置在屋頂上方1 m高空氣中；室內(nèi)空氣溫度測點(diǎn)布置在房間平面中間1.5 m高的位置；屋頂內(nèi)、外表面測點(diǎn)布置在房間屋頂表面中間位置。

楊真靜，等：室內(nèi)氣溫對綠化屋頂當(dāng)量熱阻的影響

測量參數(shù)為太陽輻射強(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，測試儀器的型號及參數(shù)見表1。

為設(shè)置不同的室內(nèi)溫度，測試分為兩種工況。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℃，測量時間為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，測試時間為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輻射見圖2。

1.2.1 不同室內(nèi)溫度下的隔熱效果 為便于比對，通過測試的數(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個時間段，這2時段天氣晴朗，室外氣溫變化非常接近，最大太陽輻射也基本相當(dāng)（見表2）。因此，可以看成是這2時間段基本在相同的室外氣候條件下，差別僅在于有無空調(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。

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，室溫也改變綠化屋頂?shù)母魺嵝阅埽诠r1，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)量熱阻來評定其隔熱效果，下面用工況1下測量值來進(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）。

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下測量值，用式（2）計算得到屋頂熱阻為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)造計算得到熱阻大致相當(dāng)。這也說明了對無綠化屋頂，將周期性非穩(wěn)態(tài)等效為穩(wěn)態(tài)傳熱，用穩(wěn)態(tài)傳熱熱阻來計算屋頂在完整周期內(nèi)的傳熱是合理的。

式中：t′si為綠化屋頂內(nèi)表面平均溫度，′為綠化屋頂內(nèi)表面熱流平均值，W/m2，計算綠化屋頂總熱阻為1.33 m2·K/W，根據(jù)式（1），得到綠化系統(tǒng)的附加當(dāng)量熱阻R0為1.13 m2·K/W。這一結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)[2，4]中的取值要高一倍多，但在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中也得到過相似的結(jié)果[14-15]。

上面的當(dāng)量熱阻值是在室溫25℃左右時測量值的計算結(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)不多能對綠化屋頂建筑進(jìn)行數(shù)值模擬的軟件，能分別對綠化屋頂各構(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為兩個有無綠化屋頂對比房間。

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：

選取IWEC上海數(shù)據(jù)庫中室外氣溫和太陽輻射與實(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，將庫中的室外氣溫和太陽輻射數(shù)據(jù)改為實(shí)驗(yàn)典型日的逐時數(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)行一段時間的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見表4和表5。

通過模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)測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)前面計算得到的當(dāng)量熱阻值，選用節(jié)能設(shè)計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，將室內(nèi)空調(diào)溫度分別從25～29 ℃設(shè)置，選取實(shí)驗(yàn)測試的典型日數(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）。

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，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

=-2.02ti+57（5）

式中：為綠化屋頂內(nèi)表面熱流平均值，W/m2，ti為綠化屋頂房間室內(nèi)溫度平均值，℃。由式（5）可得，當(dāng)室溫為28.2 ℃時，平均熱流為0。

因等效屋頂是在室內(nèi)空調(diào)溫度25 ℃的實(shí)驗(yàn)下計算其熱阻得來的，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)量熱阻趨于無窮大，屋頂熱流才會出現(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。

在圖5中，曲線分為明顯的2段，當(dāng)室溫低于27 ℃時，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，當(dāng)量熱阻為1.2 m2·K/W；27 ℃時為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

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上升非常顯著，越接近不傳熱的臨界狀態(tài)時熱阻越大，室溫相對較低時熱阻增長不明顯，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，而對于被動式建筑，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莿討B(tài)變化的，而目前評價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，傳熱方向發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，這種狀態(tài)顯然就不能用當(dāng)量熱阻來評價，這也說明用當(dāng)量熱阻來評價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價綠化屋頂?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）