植物對(duì)綠化屋頂熱工性能影響的模擬研究

徐曉瑩 付海明

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心

0 引言

城鎮(zhèn)化是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的必然選擇，但城鎮(zhèn)化也帶來了一系列問題。如城市熱島、城市內(nèi)澇等。大力發(fā)展城市綠化可以緩解城市熱島效應(yīng)，且城市綠化率與城市熱島效應(yīng)成反比[1]。綠化屋頂?shù)膽?yīng)用可以很好的增加城市綠化率，而且綠化屋頂不會(huì)占用城市土地使用面積。綠化屋頂還能加強(qiáng)雨水管理，減少雨水徑流，延長屋頂?shù)膲勖?，提升建筑?jié)能效益[2-4]。研究中表明綠化屋頂可以將通過屋頂?shù)臒崃總鬏敎p小77%[5]。綠化屋頂?shù)谋砻鏈囟纫绕胀ㄎ蓓數(shù)谋砻鏈囟雀?，溫度振幅更小[6]。綠化屋頂上植物葉面積指數(shù)越大的屋頂溫度越低，緩解潛力更高[7-8]。綠化屋頂可以很好的改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境，改善建筑物的能源性能[9-10]。

本文主要就植物對(duì)綠化屋頂熱工性能影響的問題采用簡化綠化屋頂建模，用Fluent 軟件模擬探討植物冠層葉面積的指數(shù)（LAI）和風(fēng)速（v）對(duì)綠化屋頂?shù)挠绊憽?/p>

1 三維綠化屋頂模型及邊界條件

1.1 模型的建立

本文將龐大的綠化屋頂簡化為一個(gè)三維的綠化屋頂模塊，在模型的內(nèi)部添加可定義的植物冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)，土壤結(jié)構(gòu)，以及屋頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)，模擬時(shí)忽略了土壤潛熱的影響。植物冠層是在微觀尺度上建立的，植物葉片大小是為直徑為3 cm 的近似圓形結(jié)構(gòu)，是氣流不可穿過的實(shí)體結(jié)構(gòu)。模型的建立在Auto CAD 中完成的。

當(dāng)空氣流進(jìn)和流出植物冠層，植物冠層內(nèi)的參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，為了盡可能準(zhǔn)確地了解和分析這種變化，穩(wěn)定流域，在土壤層上方設(shè)置了高度為80 cm 的流域。由于本文研究的主要重點(diǎn)為垂直方向上的參數(shù)變化，因此在設(shè)計(jì)流域時(shí)將流域在水平方向上的大小與土壤層和屋面結(jié)構(gòu)層一致。具體模型如圖1 所示。植物冠層的結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文中指葉面積指數(shù)（LAI），是通過改變?nèi)~片的大小和數(shù)量來控制。根據(jù)植物葉片生理形態(tài)，模型中葉片角度共有3 種，分別為-30°、0°、30°，分別占比27.6%、40.8%、31.6%。此次共建立了6 個(gè)模型，分別為model1（LAI=0.49）、model2（LAI=0.98）、model3（LAI=1.96）、model4（LAI=2.94）、model5（LAI=3.92）、model6（LAI=4.9）。

圖1 綠化屋頂模型圖

1.2 邊界條件

模型主要分為一個(gè)流域和兩個(gè)固體區(qū)域。流域入口的邊界條件設(shè)置為速度入口（velocity-inlet），流速分別設(shè)為0.05 m/s、0.3 m/s、1 m/s、3 m/s，來流溫度為303.15 K。流域出口的邊界條件設(shè)置為壓力出口（pressure-outlet），出口壓力設(shè)為0 Pa。流域的前后上面設(shè)置成對(duì)稱邊界條件（symmetry）。在固體區(qū)域中，植物葉片表面和土壤層上表面設(shè)置為無滑移邊界條件（wall）。流域空間設(shè)為內(nèi)部條件，土壤層和屋面結(jié)構(gòu)成均設(shè)置成固體內(nèi)部（interior）。其余四周表面設(shè)置成對(duì)稱邊界條件（symmetry）。屋面下表面設(shè)置為wall 邊界，設(shè)為對(duì)流邊界條件，恒流空氣溫度為26 ℃，表面換熱系數(shù)為7.7 W/(m2·K)。葉片溫度根據(jù)葉片能量平衡方程計(jì)算得到，具體參看表1。

表1 植物葉片溫度

2 數(shù)值計(jì)算方法

1）輻射模型。在FLUENT 軟件中共包含了5 種輻射模型：DTRM，P1，Rosseland，DO 和S2S。本文既是采用的DO 模型中Solar Ray Tracing 模型，太陽輻射角度為數(shù)據(jù)庫中上海地區(qū)7 月21 日下午13:00 的太陽輻射角度。太陽輻射強(qiáng)度為800 W/m2。

2）工況設(shè)置。本文中有6 個(gè)模型，分別為model1（LAI=0.49）、model2（LAI=0.98）、model3（LAI=1.96）、model4（LAI=2.94）、model5（LAI=3.92）、model6（LAI=4.9）。4 種風(fēng)速，分別為0.05 m/s、0.3 m/s、1 m/s、3 m/s。共有24 組數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)圖2、圖3 可以看出六種模型中在流場分布上有著相似的變化趨勢(shì)，在植物葉片的作用下，使得氣流速度進(jìn)入植物冠層后逐漸減小。氣流在進(jìn)入冠層后，在植物葉片后形成渦流區(qū)，葉面積指數(shù)越大的植物冠層中的渦流越復(fù)雜，速度分布也越復(fù)雜。距離土壤表面越近的植物冠層，受土壤表面粗糙度的影響，冠層內(nèi)的風(fēng)速偏低。氣流在遠(yuǎn)離植物冠層的上部流域風(fēng)速會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，且隨著沿x 方向的流動(dòng)，x 的值越大，在遠(yuǎn)離植物冠層穩(wěn)定流速所需的z 方向高度越高。葉面積指數(shù)越大的植物冠層，在同x 值下，穩(wěn)定流速所需要的z 方向高度距離越長。

圖2 同風(fēng)速不同模型中軸線處速度曲線

圖3 不同風(fēng)速同一模型中軸線處速度曲線

圖4 溫度分布云圖（LAI=2.94，v=1 m/s）

圖4 顯示的model4（LAI=2.94）在風(fēng)速為v=1 m/s時(shí)沿高低方向上溫度分布云圖和土壤上表面的溫度分布云圖。受太陽輻射以及屋頂下表面空氣的影響，在垂直方向上，土壤上表面溫度較高，然后向下溫度逐漸降低。在土壤上表面的溫度分布云圖中可以看出，由于植物層的影響，使得土壤上表面出現(xiàn)了斑點(diǎn)狀的局部低溫或高溫的現(xiàn)象。圖4（b）中y=0 附近的局部高溫是由于太陽輻射角的原因，使得高溫處沒有植物的覆蓋，而直接接受太陽輻射，這都說明了植物層的存在可以更好地對(duì)屋頂起到保溫隔熱的作用。

圖5 和圖6 分別表示的是植物冠層的葉面積指數(shù)以及風(fēng)速對(duì)綠化屋頂熱環(huán)境的影響。由圖可以看出，在太陽輻射強(qiáng)度為800 W/m2時(shí)，綠化屋頂整體溫度隨著植物冠層葉面積指數(shù)的增大而減小，隨風(fēng)速的增大而減小。因太陽輻射強(qiáng)度較大時(shí)，植物葉片溫度會(huì)高于空氣溫度，冠層溫度也高于空氣溫度，此時(shí)若風(fēng)速較大，來流會(huì)對(duì)冠層和土壤上表面起到降溫作用，使得土壤上表面溫度反而越低。在圖5 中還可以看出，葉面積指數(shù)為3.92 和4.9 時(shí)，土壤上表面溫度的降低不再明顯，因此可以看出，無限增大植物冠層葉面積指數(shù)不能無限降低綠化屋頂?shù)臏囟?。植物冠層葉面積有一個(gè)最優(yōu)值，在提供最大隔熱降溫效應(yīng)的同時(shí)還不會(huì)額外增加屋頂載荷。在圖6 中z=0.4m 處出現(xiàn)了溫度突變點(diǎn)，是由于取點(diǎn)取到了葉片溫度所致，可以看出圖中突變點(diǎn)的溫度值與表1 數(shù)值相同。

圖5 不同模型同風(fēng)速（v=3 m/s）下沿高度方向溫度圖

圖6 不同風(fēng)速同模型（LAI=2.94）下沿高度方向溫度圖

4 結(jié)語

本文為研究植物種植對(duì)綠化屋頂?shù)挠绊?，建立了一個(gè)簡化的綠化屋頂模型，利用計(jì)算流體力學(xué)的技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬求解。模擬時(shí)利用了太陽輻射模型，模擬在太陽輻射的情況下，不同流速、不同植物冠層葉面積指數(shù)時(shí)，植物冠層的流場分布以及綠化屋頂?shù)臒岜憩F(xiàn)。研究結(jié)果表明葉面積指數(shù)（LAI）和風(fēng)速（v）越大的植物冠層中的渦流越復(fù)雜。葉面積指數(shù)越大的植物冠層，穩(wěn)定流速所需要的高度距離越長。植物冠層對(duì)綠化屋頂有很好的隔熱降溫作用。綠化屋頂整體溫度隨著植物冠層葉面積指數(shù)的增大而減小，隨風(fēng)速的增大而減小，但植物冠層葉面積指數(shù)存在最優(yōu)值，使得隔熱降溫效果較好的同時(shí)，盡可能降低屋頂載荷。