綠化屋頂室內(nèi)熱環(huán)境研究

楊真靜,唐鳴放,鄭澍奎

(1.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院,重慶 400045;2.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,成都 610039)

室內(nèi)熱環(huán)境一直以來就是人們對室內(nèi)環(huán)境關(guān)注的焦點,在夏季炎熱地區(qū)屋頂層尤其重要[1-3],因為屋頂構(gòu)件不同于建筑的其他構(gòu)件,其面積大,受陽光照射時間長,導(dǎo)致屋頂內(nèi)表面溫度持續(xù)高溫,單純依靠空調(diào)設(shè)備對房間降溫,不僅消耗大量能源,使本已嚴(yán)重的城市熱島效應(yīng)愈演愈烈。

屋頂綠化作為一種生態(tài)節(jié)能措施已得到了廣泛的認(rèn)同,它能有效改善城市環(huán)境,降低屋頂內(nèi)表面溫度,減少建筑能耗,減少地表徑流,國內(nèi)外在這方面也做了大量的研究[4-10],但大多數(shù)研究是基于建筑節(jié)能角度或是基于屋頂綠化對建筑外部熱環(huán)境的改善,而作為建筑內(nèi)部熱環(huán)境指標(biāo)之一的熱舒適性往往被忽略了,這對綠化屋頂室內(nèi)熱環(huán)境評價是不全面的,另一方面,現(xiàn)在新建建筑都進行了節(jié)能設(shè)計,屋面因增加了保溫層而熱阻大增,同樣也有效降低了屋頂內(nèi)表面溫度,但屋頂綠化由于其隔熱機理極其復(fù)雜,是傳熱、傳濕、相變耦合的綜合過程[11],與單純傳熱的保溫材料屋頂有較大區(qū)別,與保溫屋頂不是簡單的等效熱阻關(guān)系。因此,該研究就以實測與計算分析相結(jié)合的方法來研究綠化屋頂與傳統(tǒng)屋頂、等效保溫材料屋頂在同樣室外熱氣候下室內(nèi)熱環(huán)境的差異。

1 實驗測試

該研究實測上海世源屋頂綠化有限公司屋頂,如圖1,4間開間進深相同的一層建筑房間,選取位于中間的房間2、房間3進行綠化對比研究,房間3為綠化屋頂,采用加氣混凝土種植槽種植景天科佛甲草,房間2、房間3墻體及屋頂構(gòu)造如圖2。

圖1 實測模型平面

圖2 實測模型構(gòu)造圖

房間2和房間3均為空調(diào)房間,2個房間的空調(diào)的購置時間和型號完全相同。測量內(nèi)容為室外空氣溫度t e、太陽輻射強度、有無綠化屋頂室內(nèi)空氣溫度t a、t a0,有無綠化屋頂內(nèi)表面溫度 t si、t si0,有無綠化屋頂熱流q、q0,數(shù)據(jù)采集間隔時間為30 m in。測量時間為2007年8月7日-8月28日,其中前面10 d 2房間開空調(diào),室內(nèi)溫度設(shè)置相同;后面10 d 2房間關(guān)閉空調(diào),室內(nèi)溫度為自然室溫。

2 有無綠化屋頂室內(nèi)熱環(huán)境分析

室內(nèi)熱環(huán)境是由空氣溫度、相對濕度、氣流速度和壁面平均輻射溫度4種參數(shù)綜合形成,以人體舒適感為標(biāo)準(zhǔn)進行評價的。人體與周圍環(huán)境之間保持熱平衡,是人舒適感的首要條件,人與環(huán)境之間的熱平衡關(guān)系由下式表示：

△q＞0時,體溫上升,人感覺熱;△q＜0時,體溫下降,人感覺冷。在夏季,要獲得好的熱舒適感就必須控制人體的換熱量?？刂剖覂?nèi)空氣溫度常常作為最簡單、最方便的手段,但卻不完善,因人體熱感覺是前述4種因素的綜合,如在相同的空氣溫度下,壁面溫度由于對人體的輻射熱也會帶來不適感,因此,在該實驗中選取了最直接的屋頂內(nèi)表面溫度和綜合的熱舒適度來比較其室內(nèi)熱環(huán)境。

在開啟空調(diào)的10 d測試期間,選取其中連晴4 d的測試數(shù)據(jù)來分析2個房間室內(nèi)熱環(huán)境的差別。

2.1 屋頂內(nèi)表面溫度

所選取測試的4 d時間連晴無雨,平均室外氣溫為30.8℃,平均太陽輻射為256.7W/m2,植物生長良好,房間2無綠化屋頂和房間3綠化屋頂?shù)氖覂?nèi)平均溫度分別為25.0℃和25.4℃,均控制在舒適范圍,2個測試房間除屋頂之外的圍護結(jié)構(gòu)工況相當(dāng),則對室內(nèi)熱環(huán)境的影響差別主要來源于屋頂工況的不同導(dǎo)致屋頂內(nèi)表面溫度的差異,結(jié)果表明無綠化屋頂內(nèi)表面溫度呈較大的周期波動(圖3),最高溫每天均出現(xiàn)在下午18：00左右,最高值為33.6℃,平均值為29.3℃,已經(jīng)超過了舒適范圍,溫度波動達7.6℃,而綠化屋頂內(nèi)表面溫度相對穩(wěn)定,最高值為26.9℃,平均值為26℃,波動僅僅只有1.6℃,綠化屋頂將無綠化屋頂?shù)膬?nèi)表面平均溫度降低了3℃,波動值降低達80%。

進入2測試房間的熱負(fù)荷差異來自于屋頂,2對比屋頂?shù)臒崃鲝膱D4中可以看出,進入綠化屋頂室內(nèi)的熱流明顯低于無綠化屋頂,且沒有大的峰值和低谷值,平均熱流密度為6.94W/m2,無綠化屋頂傳入室內(nèi)的熱流密度為綠化屋頂?shù)?.78倍。而室內(nèi)空氣溫度2測試房間基本相同,可見無綠化房間空調(diào)耗了更多的能來消解這部分熱量,也有研究表明有綠化屋頂?shù)墓?jié)電效果能達到0.106 6 kWh/(d?m2)。[12]

圖3 有無綠化屋頂內(nèi)表面溫度

圖4 有無綠化屋頂熱流

2.2 室內(nèi)熱舒適評價

2個測試房間因為屋頂工況的不同,導(dǎo)致室內(nèi)舒適性指標(biāo)會有較大差異,評價室內(nèi)熱環(huán)境的指標(biāo)很多,研究采用Fanger教授的熱舒適方程作為計算模型,因為PMV指標(biāo)(Predicted Mean Vote)是至今最全面的熱環(huán)境評價指標(biāo),已被編入國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730[13],中國現(xiàn)行的《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB 50019-2003)也明確室內(nèi)的熱舒適性按PMV指標(biāo)來確定[14],PMV指標(biāo)綜合了4個室內(nèi)氣候參數(shù)與2個人體參數(shù),室內(nèi)氣候參數(shù)為室內(nèi)空氣溫度、濕度、空氣流速,內(nèi)表面輻射溫度、人體參數(shù)為人體新陳代謝率和服裝熱阻,計算式如下：

式中：M為人體新陳代謝率,W/m2;W 為外作功,一般取值為0;P a為水蒸汽分壓力,P a;t a為室內(nèi)空氣溫度,℃;fcl為穿衣服面積與體表面積的比值;該值通過服裝熱阻計算所得;h c為對流放熱系數(shù),W/m2?℃,由室內(nèi)溫度和服裝熱阻計算而得為平均輻射溫度,℃。

采用PM V來評價綠化屋頂與無綠化屋頂?shù)氖覂?nèi)熱環(huán)境時,室內(nèi)空氣溫度取各房間的實測值,平均輻射溫度取室內(nèi)各表面溫度的平均值。其中屋頂內(nèi)表面溫度取實測值,內(nèi)墻和地面溫度近似取為室內(nèi)空氣溫度,外墻內(nèi)表面溫度根據(jù)室內(nèi)溫度和室外氣候參數(shù)測量數(shù)據(jù)計算得到。公式(2)中的其它參數(shù)根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730(第2版,1994-12-15)[13],結(jié)合試驗測試取值如表1：

表1 計算參數(shù)

通過公式(2)的動態(tài)計算,得到有無綠化屋頂室內(nèi)舒適性PMV值,綠化屋頂室內(nèi)PMV平均值為0.05,無綠化屋頂平均值為0.24,從平均值來看,均在舒適范圍內(nèi),但從1 d PMV值變化曲線(圖5)可以看出來看,無綠化屋頂?shù)氖覂?nèi)PMV值有較大波動,從每日中午開始,隨著室外溫度的升高,PMV值逐漸走高,到20：00達到峰值為0.52,之后逐步降低,最大振幅為0.29,綠化屋頂室內(nèi)PMV值全天比較平穩(wěn),波動范圍很小,在平均值的上下波動,最大振幅為0.07,僅為無綠化屋頂?shù)?/4。表明盡管兩個測試房間室內(nèi)空氣溫度比較一致,但由于無綠化屋頂?shù)暮婵緦?dǎo)致人體不均勻受熱,人的舒適度變化也是比較明顯的。

圖5 有無綠化屋面室內(nèi)PMV曲線

3 綠化屋頂?shù)牡刃蓓斈M

3.1 等效屋頂?shù)慕?/h3>

仍以上面分析的連晴4 d的測量數(shù)據(jù)為依據(jù),將屋頂?shù)膫鳠釥顟B(tài)看成是周期傳熱。對于無綠化的屋頂,根據(jù)已測得的熱流與屋頂內(nèi)外表面溫度,由公式(3)得到屋頂熱阻為0.20 m2?K/W,這與實際由圖2(a)屋面構(gòu)造得到熱阻也大致相當(dāng)。

式中：R為屋頂熱阻,m2?K/W為屋頂外表面溫度平均值,℃為屋頂內(nèi)表面溫度平均值,℃為屋頂熱流平均值,W/m2。

上面的屋頂熱阻計算式(3)也可以寫成以室外綜合溫度為室外計算參數(shù)的形式,即：

當(dāng)屋頂上增加了保溫層,并使屋頂?shù)母魺嵝Ч?即內(nèi)表面溫度、熱流)與綠化屋頂相同時,便得到了等效屋頂。因此等效屋頂?shù)臒嶙栌?4)式計算時,其中的內(nèi)表面溫度和熱流應(yīng)取綠化屋頂?shù)臏y量值,而室外綜合溫度不變,與沒有增加保溫層時的屋頂相同,可以利用(3)式和(4)式得出屋頂室外綜合溫度。

采用上面方法計算得到等效屋頂?shù)臒嶙铻?.33 m2?K/W,扣除屋頂本身部分,屋頂上增加的保溫層的熱阻為1.13m2?K/W。

選用目前節(jié)能設(shè)計中常采用的保溫材料膨脹聚苯板[15],其材料參數(shù)為：干密度 ρ=30 kg/m3;導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.042W/(m?K);比熱 c=1.38 kJ/(kg?K),厚度為0.055m,因此綠化屋頂?shù)牡刃П夭牧衔蓓數(shù)靡越ⅰ?/p>

3.2 屋頂內(nèi)表面溫度比較

仍以開啟空調(diào)期間的室內(nèi)溫度和室外氣候參數(shù)為邊界條件,采用有限差分法計算得到等效屋頂?shù)膭討B(tài)內(nèi)表面溫度計算值t si′,選取連晴4 d的日平均值進行比較,見表2?？梢姷刃蓓攦?nèi)表面溫度平均值與綠化屋頂基本相當(dāng),因此在這種情況下用等效屋頂代替綠化屋頂是合理的。

表2 屋頂內(nèi)表面平均溫度及氣候參數(shù)

3.3 屋頂內(nèi)表面溫度與室內(nèi)溫度的關(guān)系

等效屋頂與綠化屋頂就室內(nèi)熱環(huán)境而言,因其圍護結(jié)構(gòu)其他部位工況都相同,差別僅在于屋頂做法的不同,因此最直接的差異表現(xiàn)在屋頂內(nèi)表面溫度上。下面保持室外氣候條件不變,改變室內(nèi)溫度來觀察2種屋頂內(nèi)表面溫度變化的異同。

對于等效屋頂,以開啟空調(diào)期間的連晴4 d的室外氣候參數(shù)為邊界條件,通過設(shè)置不同的室內(nèi)溫度來分別計算內(nèi)表面溫度,取平均值得到等效屋頂內(nèi)表面溫度與室內(nèi)溫度的關(guān)系。對于綠化屋頂,在房間開啟和關(guān)閉空調(diào)的2段測量期間室內(nèi)溫度不同,因此可以在2段測量期間各選取室外氣候條件相近的連晴4 d的室內(nèi)溫度和內(nèi)表面溫度平均值。所選取的2段測量期間的室外平均氣溫分別為30.8℃和 31.0℃,平均太陽輻射強度分別為258W/m2和 257W/m2。

把2種屋頂?shù)膬?nèi)表面溫度與室內(nèi)溫度的關(guān)系用圖6表示,可以看出,當(dāng)室內(nèi)溫度在 25℃的時候,綠化屋頂與等效屋頂內(nèi)表面溫度是相當(dāng)?shù)?但當(dāng)室內(nèi)溫度升高時,綠化屋頂與等效屋頂內(nèi)表面溫度都開始升高,但升高得并不同步,等效屋頂內(nèi)表面溫度升高的速度快于綠化屋頂,因此當(dāng)室內(nèi)溫度從25℃提高到28℃時,綠化屋頂?shù)膬?nèi)表面溫度就會低于等效屋頂,說明這時綠化屋頂對室內(nèi)熱環(huán)境的效果好于等效屋頂,這也說明等效屋頂不能完全等效于綠化屋頂,即綠化屋頂對室內(nèi)熱環(huán)境的效果不能完全用保溫屋頂代替。

圖6 不同室內(nèi)溫度的屋頂內(nèi)表面溫度變化

4 結(jié)論

1)對于建筑頂層房間,即使都采用空調(diào)控制室溫使2對比房間室內(nèi)空氣溫度基本一致,但綠化屋頂與非綠化屋頂在室內(nèi)熱舒適性指標(biāo)上也會有很大的不同,綠化屋頂室內(nèi)PMV平均值比無綠化屋頂?shù)?.2,波動幅度僅為無綠化屋頂?shù)?/4,表明綠化屋頂室內(nèi)熱舒適性更好。

2)在室內(nèi)溫度為25℃時得到的綠化屋頂?shù)牡刃蓓?當(dāng)室內(nèi)溫度高于25℃以后將不再與綠化屋頂?shù)刃?數(shù)據(jù)表明綠化屋頂?shù)氖覂?nèi)熱環(huán)境效果好于等效屋頂,且隨著室內(nèi)溫度的增加,綠化屋頂?shù)倪@種優(yōu)勢表現(xiàn)得更加明顯。

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