屋頂綠化節(jié)能熱工參數(shù)研究

1、精選文檔屋頂綠化節(jié)能熱工參數(shù)研究唐鳴放，王科（重慶大學建筑城規(guī)學院，重慶 400045）【摘要】：通過夏季室內(nèi)環(huán)境空調(diào)控制下的屋頂綠化節(jié)能熱工對比試驗，得到主要結(jié)果：采用綠化的屋頂可使內(nèi)表面平均溫度降低3左右，內(nèi)表面溫度波幅降低80%以上，可使屋頂傳入室內(nèi)的熱流量減少70%以上，綠化的附加當量熱阻達到1.0m2.K/W左右，從而有效改善室內(nèi)熱環(huán)境、減少房間空調(diào)能耗。【關(guān)鍵詞】：屋頂綠化；節(jié)能；熱工測量；當量熱阻Study on thermal parameter of green roof for energy efficiencyTang Mingfang, Wang Ke （College

2、 of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400045）Abstract： Thermal parameters of green roof in the air-conditioned indoor environment were studied by the method of thermal measurement in summer. The results show that the green on roof could reduce internal surface temperat

3、ure 3 on average and temperature amplitude by 80%, which could improve thermal environment indoor. Heat flow from green roof into indoor could be decreased about 70% and. the additional equivalent thermal resistance of green was about 1.0W/m2, which could effectively save electric energy consumption

4、s.Keyword： green roof；energy efficiency；measurement；thermal parameter屋頂綠化是適應(yīng)南方地區(qū)濕熱氣候條件的生態(tài)節(jié)能措施，具有改善城市生態(tài)環(huán)境、緩解熱島效應(yīng)、降低空調(diào)能耗、減輕城市用電壓力等綜合功能，是值得大力推廣的地方節(jié)能技術(shù)。目前關(guān)于屋頂綠化隔熱降溫的研究有不少報道，但大部分是在室內(nèi)環(huán)境自然狀態(tài)（非空調(diào)控制）下的現(xiàn)場測量研究及其理論分析14。在工程應(yīng)用中，缺少以屋頂綠化實際節(jié)能效果測量為依據(jù)的節(jié)能設(shè)計參數(shù)。目前在我國南方地區(qū)節(jié)能工程應(yīng)用中，屋頂綠化的節(jié)能參數(shù)有兩種取值方法：在夏熱冬冷地區(qū)普遍按土層熱阻計算，在夏熱冬暖地區(qū)取標

5、準推薦的附加當量熱阻。顯然，按土層熱阻計算沒有考慮綠化植物的遮蔽作用和土層的被動蒸發(fā)作用，這種簡化方法適用于厚土層綠化，因為厚土層的熱阻大，而屋頂熱阻大到一定程度以后對夏季節(jié)能的貢獻增加很少5。對于目前廣泛應(yīng)用的薄土層綠化，如果按土層熱阻計算幾乎可以忽略其隔熱作用，但從屋頂有、無綠化房間的空調(diào)電量對比來看節(jié)能效果顯著6，隔熱作用不能忽略。由于這類綠化比較定型，種植層總厚度一般為100150mm，綠化植物為耐候性草類，管理粗放，在降雨豐富的南方地區(qū)基本上不用人工澆水就能生存，因此可以把這類綠化看成是一種節(jié)能產(chǎn)品，采用實驗方法測定當量熱阻作為節(jié)能設(shè)計參數(shù)。下面以2007年夏季在上海進行的輕型屋頂綠

6、化節(jié)能熱工試驗為依據(jù)進行分析。1. 試驗內(nèi)容與方法試驗對象為一種塊狀綠化產(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。在種植盤內(nèi)放置基質(zhì)材料后，總厚度約為100mm，濕重量達到100kg/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。 基金項目: 國家自然科學基金項目（50978261） 作者簡介: 唐鳴放，1957.9，女，四川成都人，博士，重慶大學建筑城規(guī)學院教授，研究方向為建筑節(jié)能與熱環(huán)境. E-mail 試驗在上海世源屋頂綠化有限公司綠化基地進行。在一排南向平房中，選擇中間相鄰兩間房間作為對比實驗房

7、，每間房間面積為6.93.4 m2。屋頂構(gòu)造為鋼筋混凝土空心板和防水保護層，厚度為130mm。墻體為雙面抹灰磚墻，其中外墻厚度為160mm，隔墻厚度為280mm，外墻無窗。為了控制 兩房間溫度穩(wěn)定一致并計量用電量，在北墻上安裝了專門購置的兩臺1.5匹同型號的日本松下壁掛式空調(diào)，安裝了獨立電表。空調(diào)的輸入功率為1020W，制冷能力為3250W。兩個房間的屋頂，一個放置了綠化產(chǎn)品，另一個作為對比。測量內(nèi)容為室外太陽輻射強度，室內(nèi)、外空氣溫度，屋頂內(nèi)、外表面溫度，屋頂內(nèi)表面熱流密度等熱工參數(shù)和房間空調(diào)耗電量。測量儀器為總輻射表，Agilent數(shù)據(jù)采集儀34970A，熱電偶，熱流片，電度表?？傒椛浔聿?/p>

8、置在無綠化的屋頂上，室外空氣溫度測點布置在屋頂上方1m高的空氣中，感應(yīng)頭用反射罩遮擋太陽輻射；室內(nèi)空氣溫度測點布置在房間平面中間1.5m高的位置；屋頂內(nèi)、外表面測點布置在屋頂表面中間位置。空調(diào)連續(xù)開啟時間為：2008，空調(diào)設(shè)置溫度為26，每天記錄空調(diào)電表讀數(shù)，并用指針式溫度計于每天早上6：00、中午13：00和下午18：00各記錄一次室外氣溫，用以估計每天的氣溫變化范圍。室外氣候參數(shù)和熱工參數(shù)自動巡檢測試時間為：2008，數(shù)據(jù)自動采集間隔為30分鐘。2. 試驗結(jié)果及分析2.1空調(diào)耗電量在為期1個月的空調(diào)耗電量測試期間，室外氣候處于最熱月天氣，圖1為室外氣溫變化

9、范圍。在1個月中，除了因故停電1天外空調(diào)一直開啟，有、無綠化屋頂?shù)姆块g所消耗的空調(diào)電量分別為310.7 kWh和370.2kWh，這說明綠化屋頂減少了房間空調(diào)耗電量的16.1%。由于房間空調(diào)耗電量包括了屋頂和外墻傳熱產(chǎn)生的能耗，而兩對比房間的屋頂、外墻結(jié)構(gòu)相同，測試期間兩房間的室內(nèi)溫度由空調(diào)控制保持相同，因此兩房間的空調(diào)耗電量之差即為消除了外墻影響的屋頂綠化節(jié)電效果。圖2為綠化屋頂與對比屋頂相比每天節(jié)省的空調(diào)用電量情況，1個月期間綠化屋頂共節(jié)省電量近60 kWh，平均每天節(jié)省電量約2 kWh，單位面積屋頂綠化在夏季空調(diào)期間平均每天節(jié)電0.1 kWh左右。圖1測試期間室外氣溫變化范圍 圖2屋頂綠

10、化每天節(jié)電量2.2節(jié)電量相關(guān)性分析屋頂綠化節(jié)電量的多少與氣候變化有關(guān)。取10天（2008）的節(jié)電量與氣候參數(shù)進行相關(guān)性分析，以每日的節(jié)電量和每日的氣候參數(shù)平均值為相關(guān)變量，得到屋頂綠化節(jié)電量與太陽輻射強度的相關(guān)系數(shù)為0.81，與室外氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.70，說明天氣越熱，屋頂綠化的節(jié)能效果越好。屋頂綠化能夠減少房間空調(diào)耗電量是因為減少了屋頂進入室內(nèi)的熱流量，因此耗電量和熱流量兩者存在必然關(guān)系。同樣取10天的數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，以每日兩房間空調(diào)耗電量差和兩屋頂熱流差的平均值為相關(guān)變量，得到兩者相關(guān)系數(shù)為0.86，說明屋頂綠化的隔熱程度直接影響節(jié)能效果。2.3隔熱分析和討論為了估計

11、屋頂綠化的隔熱效果，選擇測量期間的連晴4天（2000）的數(shù)據(jù)進行分析。圖3圖6為4天的氣候參數(shù)、室內(nèi)溫度、屋頂內(nèi)表面溫度和熱流的變化。可見在同樣的室外氣候和同樣的室內(nèi)空調(diào)控制下，兩房間的室內(nèi)溫度和屋頂內(nèi)表面各參數(shù)都有不同程度的差別，表1為測量數(shù)據(jù)平均值。下面從室內(nèi)熱環(huán)境和節(jié)能兩方面來討論。從室內(nèi)熱環(huán)境來說，室內(nèi)溫度和屋頂內(nèi)表面溫度是兩個重要參數(shù)。從室內(nèi)溫度對比圖4來看，盡管兩房間溫度設(shè)置相同，但綠化屋頂?shù)姆块g溫度更穩(wěn)定，溫度波幅為1.1，而對比屋頂?shù)姆块g溫度波幅為2.2，兩者相差一倍。從屋頂內(nèi)表面溫度對比圖5來看，屋頂綠化的優(yōu)勢非常明顯。綠化屋頂內(nèi)表面溫度平均值為26.0，而對

12、比屋頂內(nèi)表面溫度平均值為29.3，兩者相差3.3；綠化屋頂內(nèi)表面溫度波幅僅為0.9，而對比屋頂內(nèi)表面溫度波幅為6.5，兩者相差7倍。因此屋頂綠化對于空調(diào)房間的舒適性有較大的提高。從節(jié)能來說，屋頂內(nèi)表面?zhèn)鳠崦芏却笮≈苯佑绊懣照{(diào)能耗。從屋頂內(nèi)表面熱流對比圖6可以看出，不論是平均值還是波動幅度，差別都很大。兩個屋頂?shù)臒崃髌骄捣謩e為6.9W/m2和26.6 W/m2，兩者相差73%；兩個屋頂?shù)臒崃鞑ǚ謩e為6.9W/m2和37.9 W/m2，綠化屋頂熱流波動不及對比屋頂?shù)?/5。這說明屋頂綠化不僅減少了空調(diào)用電量，還降低了用電負荷，對削減夏季用電高峰有重要意義。圖3 氣候參數(shù) 圖4室內(nèi)氣溫圖5屋頂內(nèi)

13、表面溫度 圖6屋頂進入室內(nèi)的熱流表1、測量數(shù)據(jù)平均值測量參數(shù)室外空氣溫度（）室內(nèi)空氣溫度（）屋頂內(nèi)表面溫度（）屋頂內(nèi)表面熱流（W/m2）屋頂熱流減少率（%）綠化屋頂30.825.026.06.973對比屋頂25.429.326.23. 熱工參數(shù)上面通過測量得到的屋頂綠化的熱環(huán)境和節(jié)能效果都是基于當時當?shù)氐臍夂驐l件，不能直接用于屋頂節(jié)能設(shè)計，而應(yīng)提煉成屋頂節(jié)能設(shè)計參數(shù)，一般采用當量熱阻表示。屋頂綠化當量熱阻就是與其等效的保溫屋頂熱阻，因此采用測量數(shù)據(jù)計算時一般參照圍護結(jié)構(gòu)熱阻現(xiàn)場測量方法。在現(xiàn)場測量評價中，圍護結(jié)構(gòu)熱阻通常采用圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)表面溫度差除以熱流的方法計算，即 （1）式中為圍護結(jié)構(gòu)熱阻

14、（m2.K/W）；為圍護結(jié)構(gòu)外表面平均溫度（）；為圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平均溫度（）；為圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)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(nèi)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。目前在屋頂綠化當量熱阻計算中通常取綠化植物下面的土層表面溫度作為計算的外表面溫度7，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。當量熱阻的含意應(yīng)該是把綠化屋頂?shù)母魺嵝Чc同氣候環(huán)境下的保溫屋頂相等，然后取保溫屋頂?shù)臒嶙枳鳛榫G化屋頂?shù)臒嶙?，因此?yīng)該取保溫屋頂外表面溫度來計算當量熱阻。由于實際測量是采取的對比實驗，對比屋頂?shù)臒嶙杼岣吡思礊楸匚蓓?，因此保溫屋頂外表面溫度可近似?/p>

15、無綠化的對比屋頂外表面溫度測量數(shù)據(jù)。采用上述的4天測量數(shù)據(jù)計算時，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(nèi)的綠化層的當量熱阻為1.0 m2.K/W，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。可見屋頂綠化是一種高效節(jié)能技術(shù)。4. 結(jié)語上面的試驗和分析說明屋頂綠化可以有效地改善一般鋼筋混凝土屋頂?shù)臒峁ば阅堋Ｔ谏虾Ｏ募練夂驐l件下，采用綠化可使屋頂內(nèi)表面平均溫度降低3左右，內(nèi)表面溫度波幅降低80%以上，可使屋頂傳入室內(nèi)的熱流量減少70%以上，綠化的附加當量熱阻達到1.0m2.K/W左右，從而有效改善室內(nèi)熱環(huán)

16、境、減少房間空調(diào)能耗。屋頂綠化不僅節(jié)省空調(diào)運行能耗，還具有全壽命周期節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢。與一般建筑隔熱材料相比，綠化材料的生產(chǎn)不消耗能源，并且可以重復(fù)使用，綠化垃圾容易自然降解。如果把綠化材料與城市廢棄物資源化利用結(jié)合起來，將使城市建筑節(jié)能走上可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟道路。 致謝：本實驗得到了上海市農(nóng)業(yè)科學院生態(tài)環(huán)境保護研究所趙定國高級農(nóng)藝師、上海世源屋頂綠化有限公司薛偉成高級工程師等的大力幫助，在此表示衷心感謝。參考文獻1趙定國，薛偉成，輕型屋頂綠化的降溫效果，上海農(nóng)業(yè)學報，2006，22（1）：53-552 唐鳴放，楊真靜，李莉，自然狀態(tài)草地式屋頂綠化隔熱特性分析，暖通空調(diào)，2007(3)：1-

17、43 M. Santamouris, C. Pavlou, P. Doukas, G. Mihalakakou, A. Synnefa, A. Hatzibiros, P. Patargias，Investigating and analysing the energy and environmental performance of an experimental green roof system installed in a nursery school building in Athens, Greece，Energy 32（2007）：1781-17884 Renato M. Lazzarin, Francesco Castellotti, Filippo Busato，Experimental measurements and numerical modelling of a green roof，Energy and Building 37（2005）1260-12675 馮雅，王磊，南艷麗，南方節(jié)