屋頂綠化節能熱工評價

唐鳴放,鄭澍奎,楊真靜

(重慶大學教育部山地城鎮建設與新技術重點實驗室,重慶 400045）

屋頂綠化是適應南方地區濕熱氣候條件的生態節能措施,與常規的建筑節能措施相比,屋頂綠化不僅具有室內隔熱降溫的作用,還具有改善城市生態環境、緩解熱島效應等綜合功能。此外,綠化材料的生產不消耗能源,并且可以重復和循環使用,綠化垃圾容易自然降解,因此屋頂綠化還具有全壽命周期節能環保的優點,是值得大力推廣的地方節能技術。而近年來開發的輕型屋頂綠化技術[1-3],種植荷載輕,管理粗放,應用范圍更加廣泛。

目前關于屋頂綠化隔熱降溫的評價研究主要采用實驗測量方法。由于綠化植物與氣候的關系密切,通常采用實際氣候下的現場實驗,并且室內環境多為自然狀態(非空調控制)[4-10]。也有在熱氣候風洞實驗室環境下進行模型實驗的研究[11-12]。在工程應用中,缺少以屋頂綠化實際節能效果測量為依據的節能評價和設計參考。以2007年夏季在上海進行的屋頂綠化節能熱工實驗為依據進行了分析和評價。

1 實驗概況[13]

實驗中采用的輕型綠化為一種塊狀綠化產品,主要由種植盤、基質和植物組成。種植盤用粉煤灰和水泥混合壓制成型,具有排水和保肥的作用。在種植盤內放置基質材料后,總厚度約為100 mm,濕重量達到100 kg/m2,適用于一般荷載的屋頂。種植佛甲草后可直接放置在屋頂上,圖1為這種綠化在屋頂上的應用。

圖1 測試的屋頂綠化產品

實驗在上海某綠化基地進行。實驗屋頂的房間為相鄰對比實驗房(見圖2),每間面積約20 m2,安裝有同樣型號的壁掛式空調和獨立電表。屋頂構造為鋼筋混凝土空心板加防水保護層,墻體為雙面抹灰磚墻。實驗時間為2007年7-8月,其中分為開啟空調和關閉空調兩段實驗。測量內容為氣候參數、熱工參數和空調用電量。

圖2 實驗房及屋頂布置

2 實驗結果分析

2.1 空調耗電量指標

在為期1個月的空調開啟實驗期間,室外氣溫日變化范圍見圖3,2房間的室內溫度由空調控制在25℃左右,但每天綠化屋頂的房間都比對比屋頂的房間用電量少(見圖4)。1個月期間,有、無綠化屋頂的房間所消耗的空調電量分別為310.7 kWh和370.2 kWh,說明綠化屋頂減少了房間空調耗電量的16%,平均每天節省電量約2 kWh,單位面積屋頂綠化每天節省電量約0.1 kWh左右。

圖3 測試期間室外氣溫變化范圍

2.2 節電量與氣候相關性分析

比較圖3和圖4,屋頂綠化節電量的大小與氣候有很大關系。取10 d(2007.8.7-2007.8.18)的節電量與氣候參數進行相關性分析,得到屋頂綠化節電量與太陽輻射強度的相關系數為0.81(見圖5),與室外氣溫的相關系數為0.70(見圖6),說明天氣越熱,屋頂綠化的節能效果越好。

圖4 屋頂綠化每天節電量

圖5 屋頂綠化節電量與太陽輻射的相關性

圖6 屋頂綠化節電量與氣溫的相關性

2.3 隔熱效果分析

屋頂綠化隔熱效果分為開啟空調和關閉空調2種室內環境狀況,分別取2段實驗中連晴4 d的測量數據進行分析。

1)室內空調狀態

圖7和圖8為開啟空調期間屋頂內表面溫度和熱流的逐時變化對比,表1為測量數據平均值?？梢娫谑覂拳h境空調控制下,兩房間溫度比較接近,但兩屋頂內表面溫度和熱流,不論是平均值還是波動幅度,差別都比較大。就平均值來說,對比屋頂內表面溫度與室內氣溫相差3.9℃,而綠化屋頂內表面溫度與室內氣溫相差1℃;在綠化屋頂室內溫度比對比屋頂室內溫度稍低的情況下,綠化屋頂內表面熱流比對比屋頂減少了73%。說明屋頂綠化能顯著改善室內熱環境、大幅減少能耗。

圖7 空調狀態屋頂內表面溫度

圖8 空調狀態屋頂進入室內的熱流

表1 測量數據平均值(室內空調狀態)

2)室內自然狀態

關閉空調,室內為自然狀態,房間空氣溫度由圍護結構各部分傳熱形成的熱平衡溫度。圖9為自然狀態2房間室內空氣溫度的逐時變化,屋頂內表面溫度的變化與空氣溫度相似,圖10為屋頂內表面熱流的變化,表2為測量數據平均值?？梢娫谧匀粻顟B,綠化屋頂的房間空氣溫度和內表面溫度比對比屋頂平均低3.2℃和3.8℃,并且熱流為負值,即綠化屋頂還要吸收由外墻傳進室內的熱量,冷卻房間。

圖9 自然狀態室內空氣溫度

圖10 自然狀態屋頂內表面熱流

表2 測量數據平均值(室內自然狀態)

3 當量熱阻計算

屋頂綠化的節能熱工性能普遍采用當量熱阻來評價。屋頂綠化的當量熱阻就是與其等效的保溫隔熱屋頂熱阻,因此采用測量數據計算時一般參照圍護結構熱阻現場測量方法。在現場測量評價中,圍護結構熱阻通常采用圍護結構兩側表面溫度差除以熱流的方法計算[14],即

式中R為圍護結構熱阻(m2.K/W)為圍護結構外表面平均溫度(℃)為圍護結構內表面平均溫度(℃)為圍護結構內表面平均熱流(W/m2)。

采用上面(1)式計算綠化屋頂當量熱阻時,內表面溫度和熱流可取測量值,外表面溫度如何取值有待探討。一些研究報道取綠化植物下面的土層表面溫度作為計算的外表面溫度[15],這其實是忽略了綠化植物的作用,低估了屋頂綠化的隔熱能力。當量熱阻應該是把綠化屋頂的隔熱效果與同氣候環境下的保溫隔熱屋頂相等,然后取保溫隔熱屋頂的熱阻作為綠化屋頂的當量熱阻,因此應該取保溫隔熱屋頂外表面溫度來計算。由于實際測量是采取的對比實驗,對比屋頂的熱阻提高了即為保溫隔熱屋頂,因此保溫隔熱屋頂外表面溫度可近似取無綠化的對比屋頂外表面溫度測量數據,這樣取值的合理性在于屋頂保溫后外表面溫度會稍有提高,熱阻計算中取稍低的外表面溫度值會使計算結果更可靠。

采用上述空調期間連晴4 d的測量數據計算,得到無綠化的對比屋頂熱阻為0.2 m2·K/W,綠化屋頂當量熱阻為1.2 m2·K/W,因此包括植物和土層在內的綠化層的當量熱阻為1.0 m2·K/W。

4 屋頂綠化隔熱評價討論

采用保溫隔熱屋頂的熱阻來評價綠化屋頂的熱工性能是一種便于工程應用的簡化方法,有一定的適用范圍。保溫隔熱屋頂和綠化屋頂的熱機理不同,兩者在性能上有本質區別。

對于保溫隔熱屋頂,室內空調狀態和室內自然狀態的差別在于屋頂下面的溫度不同,導致屋頂上下兩側的溫差不同,不管哪種室內狀態,室外綜合溫度總是高于室內空氣溫度。根據建筑材料和構件的傳熱理論,保溫隔熱屋頂的傳熱方向總是從室外傳向室內,傳熱大小與屋頂上下兩側溫差成正比。屋頂熱工性能與室內狀態無關,即不管室內是自然狀態還是空調狀態,用(1)式計算的熱阻是相同的。

然而對于綠化屋頂,情況卻不一樣。在室內空調狀態,可以找出一個保溫隔熱屋頂,使其隔熱效果與綠化屋頂相同,這時保溫隔熱屋頂的熱阻便是綠化屋頂的當量熱阻;在室內自然狀態,從上面的實驗結果分析可看出,盡管室外綜合溫度高于室內空氣溫度,但綠化屋頂內表面的傳熱方向卻是從室內傳向屋頂,而不是從室外傳向室內。這是任何保溫隔熱屋頂所無法做到的,這種現象用建筑材料和構件的保溫隔熱理論無法解釋。這說明在不同的室內狀態下,綠化屋頂的當量熱工性能是不同的,室內自然狀態和室內空調狀態不能采用同一參數評價。

5 結語

1)屋頂綠化是一種高效節能措施,應用在未采取保溫隔熱措施的屋頂上,綠化的節能效果相當于附加了40mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料或200mm厚的加氣混凝土,基本上能夠滿足夏季屋頂節能要求。

2)屋頂綠化的特性表現為在室內空調狀態時為隔熱,在室內自然狀態時為吸熱。屋頂綠化的隔熱特性采用當量熱阻評價時,其值可用(1)式計算,其中外表面溫度取對比屋頂外表面溫度測量值。

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