室內氣溫對綠化屋頂當量熱阻的影響

摘 要：綠化屋頂在節能設計中以附加當量熱阻增大屋頂總熱阻值，有效減少由屋頂進入室內的熱量，降低室內空氣溫度。但根據已有的實驗研究，綠化屋頂隔熱特性與室內氣溫是耦合關系，隨室內氣溫的變化，綠化屋頂會呈現出不同的隔熱特性。用實驗測試與數值模擬相結合的方法，分析在不同室內氣溫下綠化屋頂、參照屋頂與等效保溫屋頂內表面溫度與熱流的變化。結果表明：室內氣溫會顯著改變綠化屋頂的隔熱性能，其當量熱阻為與室內溫度正相關的變量。在被動式建筑中，綠化屋頂更能充分發揮隔熱功效，且具有不向室內傳熱的特性。

關鍵詞：綠化屋頂；當量熱阻；數值模擬

中圖分類號：TU 111.19 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）02-0109-06

綠化屋頂作為被動建筑防熱降耗的生態手段，現已廣泛應用到建筑中。目前對綠化屋頂最主要也最常用的熱工評價指標為當量熱阻，即把綠化屋頂的隔熱功效等效為一般隔熱材料進行熱工計算[1-2]。當量熱阻即是綠化屋頂除種植部分外的建筑構件，在其上附加隔熱層成為參照屋頂，在一個完整氣候周期內，當綠化屋頂與參照屋頂的內表面平均溫度相同，則參照屋頂的熱阻就為綠化屋頂中綠化部分的當量熱阻[3]。在《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》和《重慶市居住建筑節能標準》中就明確綠化屋頂以附加當量熱阻0.5（m2·K/W）進入建筑節能計算。在已有的文獻中，對綠化屋頂當量熱阻的研究不多，大多是在人工控制室溫下得到的，如孟慶林等[4]控制和調節熱氣候風洞內的環境參數，得到風洞內平均風速取廣州夏季室外平均風速1.5～1.8 m/s時，佛甲草綠化屋頂當量熱阻值為0.41～0.63 m2·K/W，與標準[5-6]中的當量熱阻值相當。Wong[7]分別計算了草皮、灌木、和喬木3種植物的當量熱阻，得到3種植物的當量熱阻分別為0.36、1.61和0.57（m2·K/W）。但在一些自然室溫的實驗中，室內溫度較高，出現了綠化屋頂由室內流向室外的逆向熱流[8-11]，顯然在這種狀態下，其隔熱性能就不等同于一般保溫材料，不能用當量熱阻來評價。綜合相關文獻分析得出，隨著室溫的變化，綠化屋頂會展示出不同的隔熱特性，因此，綠化屋頂的隔熱性能與屋頂下室溫的關系還需進一步研究。筆者用實驗測試、熱傳導理論分析和數值模擬相結合的方法，分析綠化屋頂與等效保溫屋頂內表面溫度與熱流的變化，綜合剖析綠化屋頂當量熱阻與室內溫度的關系。

1 實驗測試

1.1 實驗設置

實驗在上海一單層4開間建筑屋頂上進行，建筑為南北向，選擇中間的兩個房間作為綠化屋頂房間和參照房間對比實驗，兩房間大小、圍護結構做法均相同，為更好地比較屋頂構造不同給室內熱環境帶來的影響，減少外部干擾，房間均關閉門窗，不考慮自然通風，且房間功能為庫房，沒有室內熱源。

綠化屋頂采用加氣混凝土種植槽種植景天科佛甲草，屋頂構造和測試點位置如圖1。綠化屋頂房間沿剖面從上至下共有5個測試點，參照房間3個測試點，每個測試點設置兩個感應器，室外氣溫測點布置在屋頂上方1 m高空氣中；室內空氣溫度測點布置在房間平面中間1.5 m高的位置；屋頂內、外表面測點布置在房間屋頂表面中間位置。

楊真靜，等：室內氣溫對綠化屋頂當量熱阻的影響

測量參數為太陽輻射強度、室內外空氣溫度、屋頂內外表面溫度、屋頂內表面熱流，數據每0.5 h記錄一次，測試儀器的型號及參數見表1。

為設置不同的室內溫度，測試分為兩種工況。工況1為空調運行工況，設置室內空調溫度為25℃，測量時間為8月7日-8月17日，共10 d；工況2為非空調工況，自然狀態下室溫，測試時間為8月19日-8月28日。

1.2 結果分析

實驗階段室外氣溫及太陽輻射見圖2。

1.2.1 不同室內溫度下的隔熱效果 為便于比對，通過測試的數據分析，從2種工況下各選取了4 d，8月7日-8月10日和8月21日-8月24日2個時間段，這2時段天氣晴朗，室外氣溫變化非常接近，最大太陽輻射也基本相當（見表2）。因此，可以看成是這2時間段基本在相同的室外氣候條件下，差別僅在于有無空調控制室溫，導致室內溫度的不同。在后續的模擬研究也是將這4 d平均成1 d作為作為典型日氣象數據進入數值模擬。

不同室內溫度下綠化屋頂和參照屋頂室內熱工參數測量結果見表2。從表中可見，2種工況下，綠化系統都有效減少了由屋頂進入室內的熱量，在空調工況（工況1），綠化屋頂減少了74%進入室內的熱量，顯然證實綠化屋頂能有效減少空調的運行時間，大幅減少空調能耗[12-13]。在自然室溫（工況2）下，綠化屋頂有效降低室內溫度3.2 ℃。

實驗也表明，室內氣溫與綠化屋頂的隔熱效果相互耦合，在綠化屋頂有效降低室溫的同時，室溫也改變綠化屋頂的隔熱性能，在工況1，綠化屋頂內表面熱流與參照屋頂具有相同的傳熱方向，而當室內溫度上升，內表面熱流的傳遞方向發生了變化，改由室內傳向室外，幫助室內散熱，減小熱流111%。這顯然不符合熱傳導理論，采用任何保溫材料屋頂都不可能出現逆向的熱流方向。因此，在該狀態下，就不能用當量熱阻來評定其隔熱效果，下面用工況1下測量值來進行當量熱阻的分析。

1.2.2 綠化屋頂當量熱阻的計算 綠化屋頂的總熱阻由兩部分組成，一部分是屋頂建筑構件的熱阻，另一部分為綠化系統的附加熱阻，見式（1）。

因工況1下，室內溫度由空調控制，較為穩定，屋頂內表面溫度變化直接受屋頂得熱的影響，因此，選定工況1下測量值，用式（2）計算得到屋頂熱阻為0.20 m2·K/W。從屋面構造做法及熱物性參數來看（見表3），這與實際屋面構造計算得到熱阻大致相當。這也說明了對無綠化屋頂，將周期性非穩態等效為穩態傳熱，用穩態傳熱熱阻來計算屋頂在完整周期內的傳熱是合理的。

式中：t′si為綠化屋頂內表面平均溫度，′為綠化屋頂內表面熱流平均值，W/m2，計算綠化屋頂總熱阻為1.33 m2·K/W，根據式（1），得到綠化系統的附加當量熱阻R0為1.13 m2·K/W。這一結果比標準[2，4]中的取值要高一倍多，但在相關的實驗中也得到過相似的結果[14-15]。

上面的當量熱阻值是在室溫25℃左右時測量值的計算結果，由于室外氣候不能控制，難以保證調整的不同室內溫度都在相近的室外氣候條件下，因此，采用數值模擬的方法進行分析。

2 數值模擬分析

能耗模擬軟件DesignBuilder是為數不多能對綠化屋頂建筑進行數值模擬的軟件，能分別對綠化屋頂各構造層次根據實際工況進行參數設置。

2.1 構建合理的數值模型

以實驗建筑為原始模型，按照建筑的實際尺寸和相關構造，建立了幾何模型（見圖3）。圖3中，房間3和房間4為兩個有無綠化屋頂對比房間。

屋頂綠化的參數設置分為土壤和植物兩部分，各參數取值如下：

選取IWEC上海數據庫中室外氣溫和太陽輻射與實驗期間的典型日最為接近的一天，這樣空氣濕度、風速等數據和實際更為接近，將庫中的室外氣溫和太陽輻射數據改為實驗典型日的逐時數據，這樣得到完整的典型日氣象數據，將該數據每天重復進行一段時間的數值模擬，模擬結果見表4和表5。

通過模擬結果與實測結果的對比分析發現，實測值和模擬值比較吻合，這說明數值模型能基本反映兩種屋頂的真實降溫效果，模型合理有效，可用來做進一步模擬分析。

2.2 等效屋頂的等效性分析

根據前面對當量熱阻的定義，附加了隔熱層的屋頂則為該綠化屋頂的等效屋頂。接下來用模擬的方法對等效屋頂的等效性進行分析。

按照定義，用一般保溫材料的等效屋頂在室外熱氣候作用下的隔熱效果應該和綠化屋頂是等效的。根據前面計算得到的當量熱阻值，選用節能設計中常用的保溫材料膨脹聚苯板（EPS），它的材料參數為：干密度ρ0=30 kg/m3；導熱系數λ=0.042 W/（m·K）；比熱C=1.38 kJ/（kg·K）；根據計算，厚度T=0.047 m，鋪設了該保溫材料的屋頂就為綠化屋頂的等效保溫屋頂。

用通過實驗測試數據驗證了的綠化屋頂建筑模型，與等效屋頂和綠化屋頂在同樣的氣候條件下進行模擬比對，將室內空調溫度分別從25～29 ℃設置，選取實驗測試的典型日數據為外部氣候參數，得參照屋頂、綠化屋頂和等效屋頂的屋頂內表面熱流與室內溫度的關系圖（見圖4）。

從圖4來比較3種屋頂形式，等效屋頂和綠化屋頂因較大的熱阻，進入室內的熱量都要遠小于參照屋頂，當室內溫度從25 ℃升高到到29 ℃，3條熱流曲線的走勢是相同的，其熱流與室溫都成線性負相關，隨著室內外溫差的降低，熱流強度都在逐漸降低，但是曲線降低趨勢并不同步，綠化屋頂曲線的斜率要遠大于等效屋頂，曲線下降很快，當室內溫度29 ℃時，其值已下降為負值。而等效屋頂斜率較小，雖和綠化屋頂同一個起點，但熱流強度值下降較緩。綠化屋頂內表面熱流與室溫曲線的關聯式為

=-2.02ti+57（5）

式中：為綠化屋頂內表面熱流平均值，W/m2，ti為綠化屋頂房間室內溫度平均值，℃。由式（5）可得，當室溫為28.2 ℃時，平均熱流為0。

因等效屋頂是在室內空調溫度25 ℃的實驗下計算其熱阻得來的，綠化屋頂與等效屋頂兩條變化曲線在25 ℃時重合，表明此室內溫度下，兩屋頂隔熱性能是等效的，但隨著室內溫度的升高，等效性在發生變化。顯然也說明綠化屋頂在室溫25 ℃時的當量熱阻不等于其他室溫下的當量熱阻，當量熱阻與室內溫度是有相關性的。

2.3 當量熱阻隨室內溫度的變化規律

從表2的實驗數據分析得知，隨著室內溫度的上升，綠化屋頂內表面熱流從正變為負值，因此，完全可以推測屋頂內表面存在熱流為零的狀態，這在模擬中也得到了驗證（見圖4），在該狀態，綠化屋頂不傳熱，成為了絕熱構件，顯然只有當綠化屋頂的當量熱阻趨于無窮大，屋頂熱流才會出現為0的情況。

通過模擬得到屋頂內表面溫度變化值，根據式（4），計算得出不同室內溫度下的屋頂綠化的當量熱阻值，其隨室內溫度的變化見圖5。

在圖5中，曲線分為明顯的2段，當室溫低于27 ℃時，當量熱阻與室溫幾乎是線性正相關關系，室內平均溫度25 ℃時，當量熱阻為1.2 m2·K/W；27 ℃時為5.5 m2·K/W，但當室溫超過27 ℃后，當量熱阻曲線上升迅猛，在室溫為28 ℃時當量熱阻達到42 m2·K/W。

通過擬合，得到綠化屋頂當量熱阻與室內溫度的關聯式為

2.4 討論

綠化屋頂通過減少由屋頂進入室內的熱量，顯著降低室內溫度，但室內溫度的變化又反作用于綠化屋頂，會讓傳熱方向發生變化，二者相互耦合。從前面的分析可知，主動式建筑中，在人體適應性舒適范圍中室內溫度的設定將會直接影響到綠化屋頂是否向室內傳熱。

在圖4中可以看到，當量熱阻曲線在室溫較高時上升非常顯著，越接近不傳熱的臨界狀態時熱阻越大，室溫相對較低時熱阻增長不明顯，而25～27℃是空調房間常設定的室內溫度值，顯然，較低的室內溫度沒有充分發揮綠化屋頂全部的熱阻功效，而對于被動式建筑，建筑室溫稍高于空調房間但在人體適應性舒適范圍內，更能充分發揮綠化屋頂的隔熱功效。

另外，當量熱阻隨室內溫度而顯著變化表明綠化屋頂的隔熱效果是動態變化的，而目前評價綠化屋頂熱工性能用一固定的當量熱阻值顯然就不能真實反映綠化屋頂隔熱特性。在圖3中，室內平均溫度超過28.2 ℃時，傳熱方向發生了逆轉，這種狀態顯然就不能用當量熱阻來評價，這也說明用當量熱阻來評價綠化屋頂熱特性是有適用范圍的，只有在該范圍內，談論當量熱阻才有意義，其適用范圍還有待于進一步研究。

3 結論

1）驗證了綠化屋頂在被動式建筑中存在不向室內傳熱的狀態，這一特性與一般保溫屋頂不同，是綠化屋頂所特有的特性。

2）綠化屋頂的當量熱阻值為一變量，用固定的當量熱阻值沒有充分評價綠化屋頂的隔熱功效。綠化屋頂的當量熱阻與室內溫度正相關。

3）在被動式建筑人體適應性舒適室溫范圍內，綠化屋頂更能充分發揮隔熱功效。

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（編輯 胡英奎）