復(fù)合式種植屋面研究分析

黎毅 楊晚生＊ 何金達(dá)

（廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

2018 年建筑運(yùn)行能耗占建筑總能耗的46.6%[1]，用于消除因建筑屋頂傳熱帶來(lái)的能耗約占其20%～40%，且在持續(xù)增長(zhǎng)中。對(duì)于單層建筑而言，屋面是建筑物接受太陽(yáng)輻射的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，夏季室內(nèi)冷負(fù)荷有超過(guò)50%均來(lái)自建筑物屋面，因此，提高建筑屋面隔熱性能，降低因屋面?zhèn)鳠釒?lái)的建筑運(yùn)行能耗，對(duì)于減少建筑全壽命周期能耗和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用和意義。

1 種植屋面的研究現(xiàn)狀

種植屋面是降低屋面?zhèn)鳠岬囊环N重要方式，種植屋面不占用城市土地資源，其通過(guò)在建筑屋頂設(shè)置一定厚度的土壤基質(zhì)，有選擇性地種植綠植，既增加了城市綠化面積，又減緩了城市熱島效應(yīng)，是一種將綠化與建筑相結(jié)合的生態(tài)屋面。

種植屋面對(duì)雨水的蓄積和凈化有著重要的作用。相比于普通屋面，其可通過(guò)種植植物及土壤基質(zhì)的水分蒸發(fā)和滯留作用，削減63%的雨水徑流，減少暴雨期的地表徑流，同時(shí)，種植屋面能夠?qū)μ烊挥晁M(jìn)行凈化，凈化率可達(dá)40%。除對(duì)雨水的蓄積和凈化外，種植屋面還可利用蒸發(fā)冷卻效應(yīng)減少室外向室內(nèi)的熱量傳遞。種植層植被和土壤基質(zhì)層內(nèi)含有水分，水分蒸發(fā)能夠?yàn)槲菝鎺?lái)降溫效果，從而降低了夏季空調(diào)的制冷能耗。

有研究者在意大利南部進(jìn)行了種植屋面的相關(guān)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，結(jié)果表明：種植屋面的表面平均溫度較裸露屋面低12℃[2]。Santamouris 等[3]研究了種植屋面對(duì)多層建筑及頂層房間熱環(huán)境的影響，結(jié)果表明：種植屋面能夠降低6%～33%的夏季總冷負(fù)荷，頂層房間的冷卻負(fù)荷能夠減少27%～87%。唐鳴放等[4]實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明種植屋面可降低室內(nèi)空氣平均溫度25%。Permpituck 等[5]分別研究了10cm 和20cm 土壤層厚度的種植屋頂熱工性能，結(jié)果表明：與裸露屋頂相比，10cm 和20cm 的土壤層厚度的種植屋頂熱流密度分別降低了59%和96%。Tsang[6]和Scharf 等[7]對(duì)土壤層的厚度進(jìn)行了測(cè)試研究，得出了12cm、20cm和30cm 土壤層厚度下種植屋面的導(dǎo)熱系數(shù)，分別為0.944W/m2·K、0.649W/m2·K 和0.299W/m2·K，測(cè)試結(jié)果表明：屋面的隔熱性能隨土壤層厚度的增加而增加。Wong[9]研究發(fā)現(xiàn)種植屋面隔熱性能將隨著植被覆蓋率的提高而增強(qiáng)，種植灌木叢比種植草皮及草本植物的節(jié)能效果要好，相比于普通屋面，其節(jié)能效果達(dá)79%。Zhou 等[10]采用LAI（即葉面積指數(shù)法）分析了種植屋面的溫度和熱流值，隨著LAI 常數(shù)的增大，建筑冷負(fù)荷的需求在逐漸減少，其主要原因是植被的蒸散作用和遮蔭作用。Garcia 等[11]利用模擬結(jié)果表明：建筑頂層內(nèi)表面溫度與太陽(yáng)輻射呈正比，太陽(yáng)輻射對(duì)建筑物內(nèi)溫度的影響約為70%。孫樂(lè)祥等[13]模擬了不同氣候區(qū)的種植屋面能耗夏季廣州地區(qū)、重慶地區(qū)和北京地區(qū)的種植屋面比裸露最大可分別減少10.5%、12.8%和11.2%的空調(diào)制冷能耗，全年能耗最大節(jié)能率分別為8.66%、14.05%和10.48%。

由于白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，種植屋面將積蓄熱量，并在在夜間散熱，但是，其散熱效率較低，屋面底部溫度較高，室內(nèi)熱量無(wú)法通過(guò)屋面進(jìn)行散熱，不能夠有效降低夜間室內(nèi)的溫度。

黃旭林[15]針對(duì)單一種植屋面存在夜間散熱慢的缺點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，提出了一種將種植屋面與通風(fēng)蓄水相結(jié)合的復(fù)合式種植屋面，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：復(fù)合式種植屋面既能夠有效提高屋面的散熱能力，又能夠增強(qiáng)傳統(tǒng)種植屋面的蓄水能力，為建筑屋面隔熱的發(fā)展提供了新的探索方向。

2 復(fù)合式種植通風(fēng)屋面?zhèn)鳠崮Ｐ?/h2>

復(fù)合式種植屋面是將傳統(tǒng)種植屋面與架空自然通風(fēng)相結(jié)合的屋面系統(tǒng)，復(fù)合式通風(fēng)種植屋面模式示意圖如圖1 所示。

圖1 復(fù)合式種植通風(fēng)屋面構(gòu)造圖

復(fù)合式種植屋面的傳熱傳質(zhì)主要受室外環(huán)境參數(shù)、土壤參數(shù)、植物覆蓋率等多種參數(shù)的影響，可分為植被和土壤表面與室外環(huán)境的傳熱傳質(zhì)過(guò)程、土壤層的導(dǎo)熱、土壤底部與空氣的對(duì)流傳熱過(guò)程、土壤底部和屋面的輻射傳熱過(guò)程。

基于模型的傳熱傳質(zhì)原理，屋面的傳熱過(guò)程如圖2 所示。

圖2 復(fù)合式種植通風(fēng)屋面熱平衡示意圖

為簡(jiǎn)化種植層的傳熱傳質(zhì)計(jì)算方法，并達(dá)到合理的傳熱綜合模型，提出以下假設(shè)：

③坑塘基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)行“國(guó)家建、集體管、群眾用”的模式，出現(xiàn)政府責(zé)任主體缺位和農(nóng)民責(zé)任意識(shí)缺失，產(chǎn)生產(chǎn)權(quán)不清，國(guó)家、集體、農(nóng)民三者之間職責(zé)不清，導(dǎo)致建、管、用脫節(jié)，農(nóng)民不愿意投資投勞彌補(bǔ)主體缺位。

（1）假設(shè)種植層植被覆蓋均勻，且植被的光合作用和蒸騰作用小，可相對(duì)于整體傳熱可忽略；

（2）模型側(cè)面設(shè)置保溫層，側(cè)面?zhèn)鳠崃靠珊雎圆挥?jì)，僅考慮植被層-土壤層-架空層-屋面的垂直傳熱。

在復(fù)合式種植屋面處于能量平衡時(shí)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可通過(guò)圖2 建立復(fù)合式種植通風(fēng)模塊的熱平衡方程：

式中：qsr為模塊植被和土壤吸收的太陽(yáng)輻射傳熱量，W/m2；qlr為模塊表面的吸收的大氣長(zhǎng)波輻射，W/m2；qem為模塊表面的長(zhǎng)波輻射散熱傳熱量，W/m2；qe為模塊表面蒸發(fā)傳熱量，W/m2；qsc為模塊表面的對(duì)流換熱傳熱量，W/m2；qss為模塊土壤層蓄熱傳熱量，W/m2；qbr為模塊土壤層底部與屋頂表面的輻射傳熱量，W/m2；qb為模塊底部導(dǎo)熱傳熱量，W/m2；

模塊表面吸收的太陽(yáng)輻射熱流qsr可通過(guò)式（2）計(jì)算：

式中：σf為植被覆蓋率；Isolar為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；αs為土壤短波輻射吸收率。

模塊表面吸收的大氣長(zhǎng)波輻射熱流qlr可通過(guò)式（3）計(jì)算：

式中：Ilr為大氣長(zhǎng)波輻射強(qiáng)度，W/m2；σ 為stefen-boltxman常數(shù)，5.67W/（m2·K）。

式中：hc為模塊植被與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；tp和ta分別是植被溫度和空氣溫度，℃。

模塊土壤底部的對(duì)流換熱熱流qsc可以通過(guò)式（7）計(jì)算：

式中：hb為模塊土壤底部與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，W/ （m2·K）；tb和ta分別是土壤底部溫度和空氣溫度，℃。

模塊土壤層底部與蓄水表面的輻射傳熱熱流qbr可以通過(guò)式（7）計(jì)算：

式中：tbs和t 分別是土壤層底部溫度和架空層空氣溫度，℃；ε1和ε2分別是土壤層底部發(fā)射率和蓄水層表面發(fā)射率；A1和A2分別是土壤層底部和蓄水層水面面積，m2；X1，2為土壤層底部和蓄水層水面的角系數(shù)。

3 復(fù)合式種植通風(fēng)屋面實(shí)驗(yàn)研究

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置在廣東省廣東工業(yè)大學(xué)某教學(xué)樓樓頂，該地屬于夏熱冬暖地區(qū)亞熱帶季風(fēng)氣候，對(duì)廣州夏季進(jìn)行連續(xù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試（2021 年7 月-8 月）。復(fù)合式種植通風(fēng)屋面自上而下構(gòu)造設(shè)置為100mm 韭菜、120mm 種植層、20mm 陶粒層、10mm 耐根穿刺層、20mm 格柵支撐層、200mm 架空層和10mm 防水層。種植屋面設(shè)置為120mm 種植層、20mm 陶粒層、10mm 耐根穿刺層和10mm 防水層。同時(shí)設(shè)置裸露屋面作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.1 室外環(huán)境參數(shù)

選取夏季晴天的7 月27 日的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，室外空氣溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度繪制如圖3。

圖3 室外空氣溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐時(shí)變化曲線圖

通過(guò)圖3 可知室外空氣溫度與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度具有正相關(guān)，但最大溫度值出現(xiàn)時(shí)間相比于太陽(yáng)輻射最大值延遲180min。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大值為670W/m2，空氣溫度最大值為39.7℃，平均溫度為33.6℃。

3.2 底部溫度對(duì)比分析

對(duì)三種實(shí)驗(yàn)屋面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，整理并繪制如圖4。

從圖4 可以看出裸露屋面的溫度最高，復(fù)合式種植通風(fēng)屋面底部溫度最低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出裸露屋面的底部溫度平均溫度為43.1℃，溫度波動(dòng)為27.1℃。復(fù)合式種植通風(fēng)屋面的底部溫度為30.3℃比種植屋面底部溫度降低了6℃，溫度波動(dòng)減少了3℃。同時(shí)，復(fù)合式種植通風(fēng)屋面底部溫度最大值（32.0℃）比種植屋面和裸露屋面分別減少8.8℃和28.3℃。峰值出現(xiàn)時(shí)間相比于最大太陽(yáng)輻射（12：50）延遲290min，比種植屋面峰值延遲170min。

圖4 測(cè)試屋面底部溫度變化曲線圖

3.3 隔熱性能對(duì)比分析

通過(guò)圖5 可得復(fù)合式種植通風(fēng)屋面的總傳熱熱流81.21W/m2，比種植屋面和裸露屋面減少105.6W/m2和226.0W/m2，平均值減少了56%和74%。

圖5 測(cè)試屋面?zhèn)鳠釤崃鞯闹饡r(shí)變化曲線圖

4 結(jié)論

隨著城市化的發(fā)展，建筑節(jié)能越來(lái)越受到重視，本文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究：

4.1 綜述了種植屋面的降溫節(jié)能效果，分析了土壤層厚度及其含水量、植物覆蓋遮陽(yáng)、氣候環(huán)境差異等多方面因素的影響。

4.2 分析了復(fù)合式種植通風(fēng)屋面的傳熱模型，得出采用種植屋面與通風(fēng)相結(jié)合的方式，植被和土壤層的遮陽(yáng)降溫作用和屋面受到的太陽(yáng)輻射作用，加強(qiáng)了夜間屋面的對(duì)流通風(fēng)散熱，提高了夜間屋面散熱能力。

4.3 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，復(fù)合式種植通風(fēng)屋面底部溫度比種植屋面和裸露屋面降低了8.8℃和28.3℃。同時(shí)降低溫度峰值，減少白天室外向室內(nèi)傳遞的熱量，起到很好的隔熱降溫作用。