屋頂綠化傳熱臨界溫度

摘 要：根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，分析了屋頂綠化在被動式室內(nèi)熱環(huán)境狀態(tài)下的熱流特點(diǎn)。研究結(jié)果表明，不能采用等效熱工參數(shù)評價(jià)其隔熱性能。采用屋頂綠化實(shí)驗(yàn)方法，證明了屋頂綠化在室內(nèi)人體可接受的熱環(huán)境范圍內(nèi)存在著不向室內(nèi)傳熱的臨界溫度狀態(tài)。通過屋頂內(nèi)表面熱流與室內(nèi)外溫差的相關(guān)性分析，得出屋頂綠化的傳熱臨界溫度低于室外平均氣溫1.5℃。

關(guān)鍵詞：屋頂綠化；室內(nèi)溫度；節(jié)能

中圖分類號：TU111.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：16744764（2013）02010005

近年來，屋頂綠化在許多國家得到了普及和發(fā)展，屋頂綠化的生態(tài)節(jié)能功能受到廣泛重視，人們普遍認(rèn)為屋頂綠化是解決城市能源和生態(tài)環(huán)境問題的一種有效措施。在建筑上種植綠化植物，改善了建筑的熱功能，通過植物對陽光、空氣、雨水等生物氣候資源的利用，減少了建筑空調(diào)能耗，緩解了城市熱島效應(yīng)，改善了城市生態(tài)環(huán)境，屋頂綠化具有節(jié)能減排的綜合效益。

目前屋頂綠化節(jié)能研究大致分為：隔熱降溫效果的測量和評價(jià)[15]、熱工性能參數(shù) [69]、隔熱機(jī)理以及熱濕傳遞理論 [1014]等。在這些研究中，可以直接應(yīng)用于建筑節(jié)能工程的是屋頂綠化的熱工性能參數(shù)，通常采用實(shí)驗(yàn)的方法把屋頂綠化的隔熱性能等同于保溫材料層。但在一些自然室溫的實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了綠化屋頂與裸屋頂?shù)膬?nèi)表面熱流方向相反的現(xiàn)象[1516]，說明在這種情況下屋頂綠化的隔熱性能不能等同于保溫材料層。這是因?yàn)榘凑諢醾鲗?dǎo)原理，裸屋頂與保溫屋頂在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下內(nèi)表面熱流方向應(yīng)該是相同的。因此屋頂綠化在非空調(diào)室溫下的隔熱性能需要重新考慮，這對于提高室內(nèi)舒適性、減少空調(diào)使用時(shí)間具有節(jié)能意義。筆者通過實(shí)驗(yàn)研究，分析屋頂綠化的熱流方向與室內(nèi)溫度的關(guān)系，提出新的隔熱特征參數(shù)。

1 臨界狀態(tài)及其存在性

在中國南方地區(qū)各種建筑隔熱降溫措施中，屋頂綠化具有地方氣候適應(yīng)性和節(jié)能生態(tài)性。南方地區(qū)夏季太陽輻射強(qiáng)，高溫天氣多，但同時(shí)降雨也十分豐富，濕熱氣候創(chuàng)造了綠化植物繁榮茂盛的生長條件。綠化植物是氣候的產(chǎn)物，同時(shí)也是氣候的生產(chǎn)物，采用綠化措施對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行降溫隔熱實(shí)際上是一種氣候手段。采用氣候手段解決氣候帶給建筑的熱問題是一種和諧的生態(tài)過程。

唐鳴放，等：屋頂綠化傳熱臨界溫度

氣候作用于綠化所產(chǎn)生的正面影響與氣候作用于建筑所產(chǎn)生的負(fù)面影響構(gòu)成相互作用的雙方，其結(jié)果是存在一種傳熱平衡狀態(tài)。在一些屋頂綠化隔熱降溫實(shí)驗(yàn)研究中證明了這種平衡狀態(tài)的存在。早在20世紀(jì)80年代，四川省建筑科學(xué)研究所等單位在成都對植被屋面夏季熱工參數(shù)進(jìn)行了比較全面的測量，除了得到植被屋面隔熱效果特別顯著的結(jié)論外，還發(fā)現(xiàn)植被屋頂內(nèi)表面平均熱流是從室內(nèi)傳向屋頂，與對比的裸屋頂情況相反。后來在重慶進(jìn)行的被動式屋頂綠化實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象[15]。另外，在日本進(jìn)行的被動式建筑屋頂綠化實(shí)驗(yàn)中也有同樣的報(bào)道[16]，在近年來新加坡進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中報(bào)道了植被屋頂內(nèi)表面平均熱流為0的情況[1]。而在一些室內(nèi)為空調(diào)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)中，植被屋頂內(nèi)表面平均熱流是從屋頂傳向室內(nèi)，與對比的裸屋頂情況相同[17]。雖然對屋頂綠化實(shí)驗(yàn)的報(bào)道不少，但是能夠測量熱流的情況卻很少，因此這種現(xiàn)象并未被關(guān)注。這些實(shí)驗(yàn)說明：在夏季晴天氣候條件下，對于空調(diào)房間，室內(nèi)溫度較低，綠化屋頂向室內(nèi)傳熱，熱流為正；對于被動式房間，室內(nèi)溫度較高，綠化屋頂吸收室內(nèi)熱量，熱流為負(fù)。因此可以推測：在室外氣候條件不變的情況下，當(dāng)室內(nèi)溫度由較低狀態(tài)向較高狀態(tài)變化時(shí)，綠化屋頂內(nèi)表面熱流將會由正值變化為負(fù)值，在這種狀態(tài)變化過程中，應(yīng)該存在一種臨界狀態(tài)，使內(nèi)表面熱流為0，此為傳熱平衡狀態(tài)，臨界狀態(tài)的室內(nèi)溫度可稱為傳熱臨界溫度。從已有的各種實(shí)驗(yàn)中可以估計(jì)，屋頂綠化的傳熱臨界溫度應(yīng)該在自然室溫與空調(diào)室溫之間，在此狀態(tài)，屋頂不向室內(nèi)傳熱。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與測量數(shù)據(jù)分析

通過對已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，推測了屋頂綠化傳熱臨界溫度的存在，但卻不能給出明確的數(shù)值，因?yàn)檫@些實(shí)驗(yàn)是各自進(jìn)行的，沒有哪個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)完成了不同室內(nèi)溫度的綠化屋頂內(nèi)表面熱流的測量。因此，為了得到屋頂綠化的傳熱臨界溫度，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)置新的實(shí)驗(yàn)。仍然采用綠化屋頂與裸屋頂?shù)臒峁Ρ葘?shí)驗(yàn)方法，通過采用空調(diào)與非空調(diào)狀態(tài)不同室溫的屋頂熱工參數(shù)測量，分析熱流與室內(nèi)溫度的關(guān)系。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)在上海某綠化基地進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)屋頂?shù)姆块g為相鄰對比房，每間面積約20 m2，安裝有同樣型號的壁掛式空調(diào)控制室內(nèi)溫度。屋頂構(gòu)造為鋼筋混凝土空心板加防水保護(hù)層，墻體為雙面抹灰磚墻。屋頂上的綠化為一種塊狀綠化產(chǎn)品，主要由種植盤、基質(zhì)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。種植盤內(nèi)放置基質(zhì)材料后，總厚度約為100 mm，濕重量達(dá)到100 kg/m2。種植的綠化植物為佛甲草，生長茂密。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為20070807—20070831，共25 d，其中前面12 d房間開啟空調(diào)，設(shè)置溫度25℃；后面13 d關(guān)閉空調(diào)，房間自然室溫。測量內(nèi)容為氣候參數(shù)、室內(nèi)溫度、屋頂內(nèi)表面溫度、熱流等熱工參數(shù)。

2.2 測量數(shù)據(jù)及分析

測量期間的氣候參數(shù)變化如圖1所示。可以看出，連續(xù)25 d中大部分天氣為晴天，平均氣溫為30℃左右，最高氣溫為39℃。在房間開啟和關(guān)閉空調(diào)的2段測量期間氣候條件相近，測量結(jié)果可以進(jìn)行比較。

圖2為綠化屋頂與裸屋頂?shù)姆块g空氣溫度變化對比。在房間開啟空調(diào)期間，室內(nèi)溫度比較接近，除了有一天停電關(guān)機(jī)導(dǎo)致溫度較高外，其余天氣的室內(nèi)溫度都為25℃左右，并且變化很小。在房間關(guān)閉空調(diào)期間，室內(nèi)溫度是由各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱作用綜合形成的自然室溫。可以看出，綠化屋頂?shù)淖匀皇覝乇嚷阄蓓數(shù)偷枚啵⑶颐刻斓臏囟茸兓残〉枚啵浞诛@示了屋頂綠化對室內(nèi)熱環(huán)境的正面影響。

圖3為綠化屋頂與裸屋頂?shù)膬?nèi)表面熱流變化情況。在房間開啟空調(diào)期間，綠化屋頂與裸屋頂都向室內(nèi)傳熱，熱流方向一致，但熱流大小差別很大。綠化屋頂?shù)臒崃鲾?shù)值小、變化也小，裸屋頂?shù)臒崃鲾?shù)值大、變化更大，說明屋頂綠化大量減少了空調(diào)房間的屋頂傳熱量，節(jié)能效果顯著。在房間關(guān)閉空調(diào)期間，綠化屋頂?shù)臒崃髯優(yōu)樨?fù)值，說明屋頂吸收室內(nèi)的熱量，它們來自墻體傳入室內(nèi)的熱量。裸屋頂?shù)臒崃髅刻煊袠O少數(shù)時(shí)間為負(fù)值，大多數(shù)時(shí)間為正值，而且峰值高，說明屋頂向室內(nèi)傳熱多，導(dǎo)致室內(nèi)溫度迅速升高。

在房間開啟和關(guān)閉空調(diào)的2段測量期間，分別取連晴4 d的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，匯總得到表1和表2。可以看出，2段連晴天的氣候條件很接近，裸屋頂在2種不同的室內(nèi)溫度情況下，熱流大小不同、方向一致，即使自然室溫高于室外氣溫，傳熱方向仍然是從室外傳向室內(nèi)，這是因?yàn)槁阄蓓數(shù)氖彝饩C合溫度高于室內(nèi)溫度。但綠化屋頂在2種不同的室內(nèi)溫度情況下，熱流方向相反，即使自然室溫低于室外氣溫，傳熱方向也不是從室外傳向室內(nèi)，而是從室內(nèi)傳向屋頂。這與保溫材料傳熱有本質(zhì)區(qū)別。

3 臨界溫度與氣溫的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)證明了屋頂綠化傳熱臨界溫度的存在，但是要想通過實(shí)驗(yàn)方法調(diào)整室內(nèi)溫度剛好達(dá)到熱流為0的臨界狀態(tài)是非常困難的，因?yàn)槭彝鈿夂虿荒芸刂疲y以保證室內(nèi)溫度調(diào)整在各種狀態(tài)都有相近的室外氣候條件。筆者將對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

建筑上的傳熱現(xiàn)象都是由于室內(nèi)、外溫差引起的，因此傳熱大小必然會與室內(nèi)、外溫差有關(guān)系。但屋頂傳熱具有熱惰性，屋頂內(nèi)表面熱流與室內(nèi)、外溫差的變化不同步。如果考慮氣候條件具有周期性，則采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的日平均值進(jìn)行相關(guān)分析可以減小熱惰性的影響。

將25 d測量期間的屋頂內(nèi)表面熱流、室外氣溫與室內(nèi)溫度的溫差進(jìn)行日平均值相關(guān)系數(shù)計(jì)算，得到熱流與溫差的相關(guān)系數(shù)：綠化屋頂為0.89，裸屋頂為0.93。2種屋頂?shù)臒崃髋c溫差的相關(guān)性見圖4和圖5。

式中：ti，g為綠化屋頂?shù)膫鳠崤R界溫度，℃；ti為裸屋頂?shù)膫鳠崤R界溫度，℃；te為室外氣溫，℃。

由式（3）、（4）可見，綠化屋頂?shù)膫鳠崤R界溫度比室外氣溫低1.5℃，裸屋頂?shù)膫鳠崤R界溫度比室外氣溫高4.4℃。如果以測量期間的室外平均氣溫30℃計(jì)算，綠化屋頂?shù)膫鳠崤R界溫度為28.5℃，裸屋頂?shù)膫鳠崤R界溫度為34.4℃。由此可以得出，在不使用空調(diào)的情況下，綠化屋頂?shù)氖覂?nèi)溫度達(dá)到了人體適應(yīng)性舒適水平，裸屋頂?shù)氖覂?nèi)環(huán)境不可居住。

4 討 論

屋頂綠化的傳熱臨界溫度也是一種隔熱特征參數(shù)。在室內(nèi)溫度低于傳熱臨界溫度的情況下，屋頂綠化的隔熱性能可以采用等效熱工參數(shù)進(jìn)行評價(jià)，而在室內(nèi)溫度高于傳熱臨界溫度的情況下，不能采用等效熱工參數(shù)進(jìn)行評價(jià)。這也說明了在一些被動式室內(nèi)熱環(huán)境狀態(tài)下屋頂綠化不能采用等效熱工參數(shù)進(jìn)行評價(jià)的原因。

屋頂綠化的傳熱臨界溫度對建筑節(jié)能設(shè)計(jì)具有新的意義。以這種傳熱臨界溫度設(shè)計(jì)的建筑熱環(huán)境可以達(dá)到人體適應(yīng)性舒適水平，并且在節(jié)能建筑設(shè)計(jì)中可以不計(jì)屋頂傳熱，體形系數(shù)中的建筑外表面可以不計(jì)屋頂面積。這對于屋頂面積較大的建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)尤其有利。

5 結(jié) 語

采用上海夏季氣候條件下的佛甲草屋頂綠化實(shí)驗(yàn)方法，證明了屋頂綠化在室內(nèi)人體可接受的熱環(huán)境范圍內(nèi)存在著不向室內(nèi)傳熱的臨界溫度狀態(tài)。通過屋頂內(nèi)表面熱流與室內(nèi)外溫差的相關(guān)性分析，得出屋頂綠化的傳熱臨界溫度比室外平均氣溫低15℃，而未采用保溫隔熱措施的裸屋頂?shù)膫鳠崤R界溫度比室外平均氣溫高4.4℃。

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（編輯 胡英奎）