屋顶绿化节能热工参数研究.doc

屋顶绿化节能热工参数研究唐鸣放，王科（重庆大学建筑城规学院，重庆 400045）【摘要】：通过夏季室内环境空调控制下的屋顶绿化节能热工对比试验，得到主要结果：采用绿化的屋顶可使内表面平均温度降低3左右，内表面温度波幅降低80%以上，可使屋顶传入室内的热流量减少70%以上，绿化的附加当量热阻达到1.0m2.K/W左右，从而有效改善室内热环境、减少房间空调能耗。【关键词】：屋顶绿化；节能；热工测量；当量热阻Study on thermal parameter of green roof for energy efficiencyTang Mingfang, Wang Ke （College 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 temperature 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 consumptions.Keyword： green roof；energy efficiency；measurement；thermal parameter屋顶绿化是适应南方地区湿热气候条件的生态节能措施，具有改善城市生态环境、缓解热岛效应、降低空调能耗、减轻城市用电压力等综合功能，是值得大力推广的地方节能技术。目前关于屋顶绿化隔热降温的研究有不少报道，但大部分是在室内环境自然状态（非空调控制）下的现场测量研究及其理论分析14。在工程应用中，缺少以屋顶绿化实际节能效果测量为依据的节能设计参数。目前在我国南方地区节能工程应用中，屋顶绿化的节能参数有两种取值方法：在夏热冬冷地区普遍按土层热阻计算，在夏热冬暖地区取标准推荐的附加当量热阻。显然，按土层热阻计算没有考虑绿化植物的遮蔽作用和土层的被动蒸发作用，这种简化方法适用于厚土层绿化，因为厚土层的热阻大，而屋顶热阻大到一定程度以后对夏季节能的贡献增加很少5。对于目前广泛应用的薄土层绿化，如果按土层热阻计算几乎可以忽略其隔热作用，但从屋顶有、无绿化房间的空调电量对比来看节能效果显著6，隔热作用不能忽略。由于这类绿化比较定型，种植层总厚度一般为100150mm，绿化植物为耐候性草类，管理粗放，在降雨丰富的南方地区基本上不用人工浇水就能生存，因此可以把这类绿化看成是一种节能产品，采用实验方法测定当量热阻作为节能设计参数。下面以2007年夏季在上海进行的轻型屋顶绿化节能热工试验为依据进行分析。1. 试验内容与方法试验对象为一种块状绿化产品，主要由种植盘、基质和植物组成。种植盘用粉煤灰和水泥混合压制成型，具有排水和保肥的作用。在种植盘内放置基质材料后，总厚度约为100mm，湿重量达到100kg/m2，适用于一般荷载的屋顶。种植佛甲草后可直接放置在屋顶上。 基金项目: 国家自然科学基金项目（50978261） 作者简介: 唐鸣放，1957.9，女，四川成都人，博士，重庆大学建筑城规学院教授，研究方向为建筑节能与热环境. E-mail 试验在上海世源屋顶绿化有限公司绿化基地进行。在一排南向平房中，选择中间相邻两间房间作为对比实验房，每间房间面积为6.93.4 m2。屋顶构造为钢筋混凝土空心板和防水保护层，厚度为130mm。墙体为双面抹灰砖墙，其中外墙厚度为160mm，隔墙厚度为280mm，外墙无窗。为了控制 两房间温度稳定一致并计量用电量，在北墙上安装了专门购置的两台1.5匹同型号的日本松下壁挂式空调，安装了独立电表。空调的输入功率为1020W，制冷能力为3250W。两个房间的屋顶，一个放置了绿化产品，另一个作为对比。测量内容为室外太阳辐射强度，室内、外空气温度，屋顶内、外表面温度，屋顶内表面热流密度等热工参数和房间空调耗电量。测量仪器为总辐射表，Agilent数据采集仪34970A，热电偶，热流片，电度表。总辐射表布置在无绿化的屋顶上，室外空气温度测点布置在屋顶上方1m高的空气中，感应头用反射罩遮挡太阳辐射；室内空气温度测点布置在房间平面中间1.5m高的位置；屋顶内、外表面测点布置在屋顶表面中间位置。空调连续开启时间为：2008，空调设置温度为26，每天记录空调电表读数，并用指针式温度计于每天早上6：00、中午13：00和下午18：00各记录一次室外气温，用以估计每天的气温变化范围。室外气候参数和热工参数自动巡检测试时间为：2008，数据自动采集间隔为30分钟。2. 试验结果及分析2.1空调耗电量在为期1个月的空调耗电量测试期间，室外气候处于最热月天气，图1为室外气温变化范围。在1个月中，除了因故停电1天外空调一直开启，有、无绿化屋顶的房间所消耗的空调电量分别为310.7 kWh和370.2kWh，这说明绿化屋顶减少了房间空调耗电量的16.1%。由于房间空调耗电量包括了屋顶和外墙传热产生的能耗，而两对比房间的屋顶、外墙结构相同，测试期间两房间的室内温度由空调控制保持相同，因此两房间的空调耗电量之差即为消除了外墙影响的屋顶绿化节电效果。图2为绿化屋顶与对比屋顶相比每天节省的空调用电量情况，1个月期间绿化屋顶共节省电量近60 kWh，平均每天节省电量约2 kWh，单位面积屋顶绿化在夏季空调期间平均每天节电0.1 kWh左右。图1测试期间室外气温变化范围 图2屋顶绿化每天节电量2.2节电量相关性分析屋顶绿化节电量的多少与气候变化有关。取10天（2008）的节电量与气候参数进行相关性分析，以每日的节电量和每日的气候参数平均值为相关变量，得到屋顶绿化节电量与太阳辐射强度的相关系数为0.81，与室外气温的相关系数为0.70，说明天气越热，屋顶绿化的节能效果越好。屋顶绿化能够减少房间空调耗电量是因为减少了屋顶进入室内的热流量，因此耗电量和热流量两者存在必然关系。同样取10天的数据进行相关性分析，以每日两房间空调耗电量差和两屋顶热流差的平均值为相关变量，得到两者相关系数为0.86，说明屋顶绿化的隔热程度直接影响节能效果。2.3隔热分析和讨论为了估计屋顶绿化的隔热效果，选择测量期间的连晴4天（2000）的数据进行分析。图3图6为4天的气候参数、室内温度、屋顶内表面温度和热流的变化。可见在同样的室外气候和同样的室内空调控制下，两房间的室内温度和屋顶内表面各参数都有不同程度的差别，表1为测量数据平均值。下面从室内热环境和节能两方面来讨论。从室内热环境来说，室内温度和屋顶内表面温度是两个重要参数。从室内温度对比图4来看，尽管两房间温度设置相同，但绿化屋顶的房间温度更稳定，温度波幅为1.1，而对比屋顶的房间温度波幅为2.2，两者相差一倍。从屋顶内表面温度对比图5来看，屋顶绿化的优势非常明显。绿化屋顶内表面温度平均值为26.0，而对比屋顶内表面温度平均值为29.3，两者相差3.3；绿化屋顶内表面温度波幅仅为0.9，而对比屋顶内表面温度波幅为6.5，两者相差7倍。因此屋顶绿化对于空调房间的舒适性有较大的提高。从节能来说，屋顶内表面传热密度大小直接影响空调能耗。从屋顶内表面热流对比图6可以看出，不论是平均值还是波动幅度，差别都很大。两个屋顶的热流平均值分别为6.9W/m2和26.6 W/m2，两者相差73%；两个屋顶的热流波幅分别为6.9W/m2和37.9 W/m2，绿化屋顶热流波动不及对比屋顶的1/5。这说明屋顶绿化不仅减少了空调用电量，还降低了用电负荷，对削减夏季用电高峰有重要意义。图3 气候参数 图4室内气温图5屋顶内表面温度 图6屋顶进入室内的热流表1、测量数据平均值测量参数室外空气温度（）室内空气温度（）屋顶内表面温度（）屋顶内表面热流（W/m2）屋顶热流减少率（%）绿化屋顶30.825.026.06.973对比屋顶25.429.326.23. 热工参数上面通过测量得到的屋顶绿化的热环境和节能效果都是基于当时当地的气候条件，不能直接用于屋顶节能设计，而应提炼成屋顶节能设计参数，一般采用当量热阻表示。屋顶绿化当量热阻就是与其等效的保温屋顶热阻，因此采用测量数据计算时一般参照围护结构热阻现场测量方法。在现场测量评价中，围护结构热阻通常采用围护结构两侧表面温度差除以热流的方法计算，即 （1）式中为围护结构热阻（m2.K/W）；为围护结构外表面平均温度（）；为围护结构内表面平均温度（）；为围护结构内表面平均热流（W/m2）。采用上面（1）式计算绿化屋顶当量热阻时，内表面温度和热流可取测量值，外表面温度如何取值有待探讨。目前在屋顶绿化当量热阻计算中通常取绿化植物下面的土层表面温度作为计算的外表面温度7，这其实是忽略了绿化植物的作用，低估了屋顶绿化的隔热能力。当量热阻的含意应该是把绿化屋顶的隔热效果与同气候环境下的保温屋顶相等，然后取保温屋顶的热阻作为绿化屋顶的热阻，因此应该取保温屋顶外表面温度来计算当量热阻。由于实际测量是采取的对比实验，对比屋顶的热阻提高了即为保温屋顶，因此保温屋顶外表面温度可近似取无绿化的对比屋顶外表面温度测量数据。采用上述的4天测量数据计算时，得到无绿化的对比屋顶热阻为0.2 m2.K/W，绿化屋顶当量热阻为1.2 m2.K/W，因此包括植物和土层在内的绿化层的当量热阻为1.0 m2.K/W，相当于附加了40mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料或200mm厚的加气混凝土。可见屋顶绿化是一种高效节能技术。4. 结语上面的试验和分析说明屋顶绿化可以有效地改善一般钢筋混凝土屋顶的热工性能。在上海夏季气候条件下，采用绿化可使屋顶内表面平均温度降低3左右，内表面温度波幅降低80%以上，可使屋顶传入室内的热流量减少70%以上，绿化的附加当量热阻达到1.0m2.K/W左右，从而有效改善室内热环境、减少房间空调能耗。屋顶绿化不仅节省空调运行能耗，还具有全寿命周期节能和环保的优势。与一般建筑隔热材料相比，绿化材料的生产不消耗能源，并且可以重复使用，绿化垃圾容易自然降解。如果把绿化材料与城市废弃物资源化利用结合起来，将使城市建筑节能走上可持续发展的循环经济道路。 致谢：本实验得到了上海市农业科学院生态环境保护研究所赵定国高级农艺师、上海世源屋顶绿化有限公司薛伟成高级工程师等的大力帮助，在此表示衷心感谢。参考文献1赵定国，薛伟成，轻型屋顶绿化的降温效果，上海农业学报，2006，22（1）：53-552 唐鸣放，杨真静，李莉，自然状态草地式屋顶绿化隔热特性分析，暖通空调，2007(3)：1-43 M. 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