不同構(gòu)造模式下屋面輕型植被模塊的熱特性研究

【摘要】本文主要研究了四種屋面輕型植被模塊（50厚佛甲草植被模塊、100厚佛甲草植被模塊、150厚佛甲草植被模塊和50厚無(wú)蓄排水板佛甲草植被模塊）的熱特性。結(jié)果表明：隨種植土厚度的增加，輕型植被模塊的隔熱性能變好，散熱性能卻惡化；通過(guò)對(duì)植被模塊底面溫度、底面?zhèn)鳠釤崃骷吧禍厮俾实膶?duì)比分析可以得出，100厚佛甲草植被模塊的種植土厚度最佳，輕型植被模塊的最佳含濕量為25.9%左右。

【關(guān)鍵詞】輕型生態(tài)屋面植被模塊；隔熱性能；散熱性能；對(duì)比測(cè)試

0 引言

近年來(lái)，輕型植被屋面的隔熱性能和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。日本學(xué)者S.Onmura[1]對(duì)種植土厚80mm植被屋面進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：白天植被屋面外表面溫度能夠從未設(shè)置植被的屋面60℃減少到30℃；趙定國(guó)[2]對(duì)基質(zhì)厚30～50mm的綠化屋頂進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：綠化屋頂能有效降低屋面夏季高溫16℃以及室內(nèi)溫度2℃；唐鳴放等人[3]在重慶對(duì)土層厚100mm的綠化屋頂做了對(duì)比試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示：屋頂綠化對(duì)降低屋頂內(nèi)表面最高溫度效果非常顯著，降低平均溫度效果稍差，熱天氣有綠化屋頂內(nèi)表面對(duì)空氣的總平均增溫量為無(wú)綠化屋頂?shù)?/4左右。

本實(shí)驗(yàn)建立了模擬輻射環(huán)境下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要從種植土厚度這一因素進(jìn)行研究，以期獲得在模擬輻射環(huán)境下植被模塊的最佳種植土厚度，為植被模塊的構(gòu)造優(yōu)化提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)試模塊、支架以及測(cè)試儀器組成。四種實(shí)驗(yàn)測(cè)試模塊分別為： 50mm厚有蓄排水板佛甲草植被模塊（以下簡(jiǎn)稱模塊A）、100mm厚有蓄排水板佛甲草植被模塊（以下簡(jiǎn)稱模塊B）、150mm厚有蓄排水板佛甲草植被模塊（以下簡(jiǎn)稱模塊C）和50mm厚無(wú)蓄排水板佛甲草植被模塊（以下簡(jiǎn)稱模塊D）。模塊構(gòu)造及各參數(shù)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。支架尺寸：長(zhǎng)×寬×高為2000mm×2000mm×900mm。

圖1 模塊構(gòu)造及各參數(shù)測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器分別為：采用PC-2WS多通道溫濕度檢測(cè)儀進(jìn)行環(huán)境參數(shù)采集；模擬輻射采用4盞額定功率為1000W鹵素?zé)?，其輻射照度采集采用JTBQ-S2太陽(yáng)輻射強(qiáng)度測(cè)試儀；采用JTRG-Ⅱ型建筑熱工溫度與熱流自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀測(cè)量模塊各部分溫度及傳熱熱流；采用HC-TSY型土壤水分監(jiān)測(cè)儀和高精度電子臺(tái)秤測(cè)量模塊含濕量。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

本實(shí)驗(yàn)于2012/6/17～2012/7/10對(duì)不同構(gòu)造模式下屋面輕型植被模塊的熱特性進(jìn)行了研究分析。將4種實(shí)驗(yàn)測(cè)試模塊置于相同的測(cè)試環(huán)境中，控制模擬輻射照度及模塊初始含濕量，連續(xù)加熱測(cè)試8個(gè)小時(shí)（8：30～16：30），散熱16個(gè)小時(shí)（16：30～次天8：30），從各模塊底面溫度、底面?zhèn)鳠釤崃?、升降溫速率、含濕量等方面?duì)比分析各模塊的熱特性。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 環(huán)境濕球溫度和太陽(yáng)輻射

2012年6月21日～25日濕球溫度波動(dòng)范圍為27.9℃～28.9℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的波動(dòng)范圍為212.5W/m2～231.5W/m2。濕球溫度在28.0℃～28.7℃之間波動(dòng)，模擬太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在216.0W/m2～225.5W/m2之間波動(dòng)。表明實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間環(huán)境工況基本相同，可以進(jìn)行不同構(gòu)造模式下模塊的熱特性分析。

2.2隔熱性能分析

（1）與模塊B底面平均溫度38.4℃相比，模塊A平均增溫值為6.7℃，模塊D平均增溫值為2.5℃。從平均溫度效應(yīng)來(lái)看，各模塊隔熱性能排序如下：模塊B>模塊C>模塊D>模塊A。模塊B和模塊C的平均隔熱效應(yīng)基本接近，而模塊A的平均隔熱效果最差。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于隨著模塊種植土厚度的增加，模塊蓄熱能力隨之增大，從而使其底面平均溫度減小。

（2）與模塊D底面平均溫度40.9℃相比，模塊A平均增溫值為4.2℃。說(shuō)明模塊A（構(gòu)造模式：25mm蓄排水板+25mm種植土）的隔熱性能劣于模塊D（構(gòu)造模式：50mm種植土）。

2.3傳熱熱流分析

（1）與模塊B平均傳熱熱流3.2W/m2相比，模塊A平均熱量增值為5.5 W/m2，模塊D增值為2.2 W/m2 。從平均傳熱熱流來(lái)看：模塊A>模塊D>模塊B、模塊C。從這一結(jié)果也可以解釋2.2中各模塊底面平均溫度的差異，原因是由于隨著種植土厚度的增加，模塊蓄熱占總輻射換熱的比例增大，從而使其穿過(guò)模塊的傳熱隨之減小。

（2）在加熱的初始階段模塊A傳熱熱流的上升速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它三種模塊；與此同時(shí)各模塊傳熱熱流進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間排序?yàn)槟KA（1h）<模塊D（5h）<模塊B、模塊C（7.5h）。說(shuō)明種植土厚度的增加可以有效的減少及延緩傳熱熱流。

2.4 含濕量與升溫速率

（1）在相同的實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況下（濕球溫度27.9℃～28.9℃，輻射強(qiáng)度212.5W/m2～231.5W/m2）模塊C的升溫速率較模塊B低0.114～0.157℃/h，較模塊D低0.436～0.623℃/h。從升溫速率效用來(lái)看，各模塊的隔熱性能：模塊C最優(yōu)，模塊B其次，模塊D最差。

（2）各模塊升溫速率η隨基質(zhì)含濕量的變化規(guī)律大致相同：當(dāng)模塊基質(zhì)含濕量小于25.9%時(shí)，η隨含濕量的增大而減??；當(dāng)模塊基質(zhì)含濕量大于25.9%時(shí)，η隨含濕量的增大而增大。

2.5散放熱性能分析

（1）在實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況下（濕球溫度27.0℃～28.0℃）隨著模塊種植土厚度的增加底面溫度的最小值逐次增大。最小值與模塊A相比，模塊B增加0.9℃，模塊C增加2.7℃。說(shuō)明隨著種植土厚度的增加，模塊的散熱性能逐漸惡化。

（2）降溫速率模塊A最快，模塊B次之，模塊C最慢；與升溫速率相似，模塊降溫速率在含濕量25.9%附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，當(dāng)模塊含濕量在15.2%～25.9%時(shí)，降溫速率隨含濕量的增大而增大；當(dāng)模塊含濕量在25.9%～39.0%時(shí)，隨其增大而減小。即屋面輕型植被模塊的最佳含濕量為25.9%左右。

3 結(jié)論

（1）在實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況（濕球溫度28.0℃～28.7℃，輻射強(qiáng)度216.0W/m2～225.5W/m2）下加熱階段隔熱性能：模塊A最差，模塊D其次，模塊B與模塊C最好。各模塊底面溫度與模塊B相比，模塊A高6.7℃，模塊C高0.4℃，模塊D高2.5℃。

（2）在實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況（濕球溫度27.7℃～28.7℃）下散熱階段散放熱性能：模塊A最佳，模塊B其次，模塊C最差。說(shuō)明隨著種植土厚度的增加，模塊散熱性能隨之惡化。與隔熱性能相結(jié)合可以得出屋面輕型植被模塊的最佳種植土厚度為75mm（即模塊B）。

（3）模塊基質(zhì)含濕量小于25.9%時(shí)，升溫速率隨含濕量的增加而減小，降溫速率隨之增大；含濕量大于25.9%時(shí)，升溫速率和降溫速率都會(huì)隨之惡化，從而影響模塊的熱特能。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊晚生 郭開(kāi)華等. 模塊化植被屋面隔熱性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析[J]. 新型建筑材料， 2011 （2）：34-37.

[2] 郭旭詩(shī). 廣州佛甲草種植屋面對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響研究[D]. 廣州： 華南理工大學(xué)學(xué)位論文， 2008.