绿化屋顶室内热环境研究

杨真静,唐鸣放,郑澍奎

(1.重庆大学 建筑城规学院,重庆 400045;2.西华大学 建筑与土木工程学院,成都 610039)

室内热环境一直以来就是人们对室内环境关注的焦点,在夏季炎热地区屋顶层尤其重要[1-3],因为屋顶构件不同于建筑的其他构件,其面积大,受阳光照射时间长,导致屋顶内表面温度持续高温,单纯依靠空调设备对房间降温,不仅消耗大量能源,使本已严重的城市热岛效应愈演愈烈。

屋顶绿化作为一种生态节能措施已得到了广泛的认同,它能有效改善城市环境,降低屋顶内表面温度,减少建筑能耗,减少地表径流,国内外在这方面也做了大量的研究[4-10],但大多数研究是基于建筑节能角度或是基于屋顶绿化对建筑外部热环境的改善,而作为建筑内部热环境指标之一的热舒适性往往被忽略了,这对绿化屋顶室内热环境评价是不全面的,另一方面,现在新建建筑都进行了节能设计,屋面因增加了保温层而热阻大增,同样也有效降低了屋顶内表面温度,但屋顶绿化由于其隔热机理极其复杂,是传热、传湿、相变耦合的综合过程[11],与单纯传热的保温材料屋顶有较大区别,与保温屋顶不是简单的等效热阻关系。因此,该研究就以实测与计算分析相结合的方法来研究绿化屋顶与传统屋顶、等效保温材料屋顶在同样室外热气候下室内热环境的差异。

1 实验测试

该研究实测上海世源屋顶绿化有限公司屋顶,如图1,4间开间进深相同的一层建筑房间,选取位于中间的房间2、房间3进行绿化对比研究,房间3为绿化屋顶,采用加气混凝土种植槽种植景天科佛甲草,房间2、房间3墙体及屋顶构造如图2。

图1 实测模型平面

图2 实测模型构造图

房间2和房间3均为空调房间,2个房间的空调的购置时间和型号完全相同。测量内容为室外空气温度t e、太阳辐射强度、有无绿化屋顶室内空气温度t a、t a0,有无绿化屋顶内表面温度 t si、t si0,有无绿化屋顶热流q、q0,数据采集间隔时间为30 m in。测量时间为2007年8月7日-8月28日,其中前面10 d 2房间开空调,室内温度设置相同;后面10 d 2房间关闭空调,室内温度为自然室温。

2 有无绿化屋顶室内热环境分析

室内热环境是由空气温度、相对湿度、气流速度和壁面平均辐射温度4种参数综合形成,以人体舒适感为标准进行评价的。人体与周围环境之间保持热平衡,是人舒适感的首要条件,人与环境之间的热平衡关系由下式表示：

△q＞0时,体温上升,人感觉热;△q＜0时,体温下降,人感觉冷。在夏季,要获得好的热舒适感就必须控制人体的换热量。控制室内空气温度常常作为最简单、最方便的手段,但却不完善,因人体热感觉是前述4种因素的综合,如在相同的空气温度下,壁面温度由于对人体的辐射热也会带来不适感,因此,在该实验中选取了最直接的屋顶内表面温度和综合的热舒适度来比较其室内热环境。

在开启空调的10 d测试期间,选取其中连晴4 d的测试数据来分析2个房间室内热环境的差别。

2.1 屋顶内表面温度

所选取测试的4 d时间连晴无雨,平均室外气温为30.8℃,平均太阳辐射为256.7W/m2,植物生长良好,房间2无绿化屋顶和房间3绿化屋顶的室内平均温度分别为25.0℃和25.4℃,均控制在舒适范围,2个测试房间除屋顶之外的围护结构工况相当,则对室内热环境的影响差别主要来源于屋顶工况的不同导致屋顶内表面温度的差异,结果表明无绿化屋顶内表面温度呈较大的周期波动(图3),最高温每天均出现在下午18：00左右,最高值为33.6℃,平均值为29.3℃,已经超过了舒适范围,温度波动达7.6℃,而绿化屋顶内表面温度相对稳定,最高值为26.9℃,平均值为26℃,波动仅仅只有1.6℃,绿化屋顶将无绿化屋顶的内表面平均温度降低了3℃,波动值降低达80%。

进入2测试房间的热负荷差异来自于屋顶,2对比屋顶的热流从图4中可以看出,进入绿化屋顶室内的热流明显低于无绿化屋顶,且没有大的峰值和低谷值,平均热流密度为6.94W/m2,无绿化屋顶传入室内的热流密度为绿化屋顶的3.78倍。而室内空气温度2测试房间基本相同,可见无绿化房间空调耗了更多的能来消解这部分热量,也有研究表明有绿化屋顶的节电效果能达到0.106 6 kWh/(d◦m2)。[12]

图3 有无绿化屋顶内表面温度

图4 有无绿化屋顶热流

2.2 室内热舒适评价

2个测试房间因为屋顶工况的不同,导致室内舒适性指标会有较大差异,评价室内热环境的指标很多,研究采用Fanger教授的热舒适方程作为计算模型,因为PMV指标(Predicted Mean Vote)是至今最全面的热环境评价指标,已被编入国际标准ISO 7730[13],中国现行的《采暖通风与空气调节设计规范》(GB 50019-2003)也明确室内的热舒适性按PMV指标来确定[14],PMV指标综合了4个室内气候参数与2个人体参数,室内气候参数为室内空气温度、湿度、空气流速,内表面辐射温度、人体参数为人体新陈代谢率和服装热阻,计算式如下：

式中：M为人体新陈代谢率,W/m2;W 为外作功,一般取值为0;P a为水蒸汽分压力,P a;t a为室内空气温度,℃;fcl为穿衣服面积与体表面积的比值;该值通过服装热阻计算所得;h c为对流放热系数,W/m2◦℃,由室内温度和服装热阻计算而得为平均辐射温度,℃。

采用PM V来评价绿化屋顶与无绿化屋顶的室内热环境时,室内空气温度取各房间的实测值,平均辐射温度取室内各表面温度的平均值。其中屋顶内表面温度取实测值,内墙和地面温度近似取为室内空气温度,外墙内表面温度根据室内温度和室外气候参数测量数据计算得到。公式(2)中的其它参数根据国际标准ISO 7730(第2版,1994-12-15)[13],结合试验测试取值如表1：

表1 计算参数

通过公式(2)的动态计算,得到有无绿化屋顶室内舒适性PMV值,绿化屋顶室内PMV平均值为0.05,无绿化屋顶平均值为0.24,从平均值来看,均在舒适范围内,但从1 d PMV值变化曲线(图5)可以看出来看,无绿化屋顶的室内PMV值有较大波动,从每日中午开始,随着室外温度的升高,PMV值逐渐走高,到20：00达到峰值为0.52,之后逐步降低,最大振幅为0.29,绿化屋顶室内PMV值全天比较平稳,波动范围很小,在平均值的上下波动,最大振幅为0.07,仅为无绿化屋顶的1/4。表明尽管两个测试房间室内空气温度比较一致,但由于无绿化屋顶的烘烤导致人体不均匀受热,人的舒适度变化也是比较明显的。

图5 有无绿化屋面室内PMV曲线

3 绿化屋顶的等效屋顶模拟

3.1 等效屋顶的建立

仍以上面分析的连晴4 d的测量数据为依据,将屋顶的传热状态看成是周期传热。对于无绿化的屋顶,根据已测得的热流与屋顶内外表面温度,由公式(3)得到屋顶热阻为0.20 m2◦K/W,这与实际由图2(a)屋面构造得到热阻也大致相当。

式中：R为屋顶热阻,m2◦K/W为屋顶外表面温度平均值,℃为屋顶内表面温度平均值,℃为屋顶热流平均值,W/m2。

上面的屋顶热阻计算式(3)也可以写成以室外综合温度为室外计算参数的形式,即：

当屋顶上增加了保温层,并使屋顶的隔热效果(即内表面温度、热流)与绿化屋顶相同时,便得到了等效屋顶。因此等效屋顶的热阻用(4)式计算时,其中的内表面温度和热流应取绿化屋顶的测量值,而室外综合温度不变,与没有增加保温层时的屋顶相同,可以利用(3)式和(4)式得出屋顶室外综合温度。

采用上面方法计算得到等效屋顶的热阻为1.33 m2◦K/W,扣除屋顶本身部分,屋顶上增加的保温层的热阻为1.13m2◦K/W。

选用目前节能设计中常采用的保温材料膨胀聚苯板[15],其材料参数为：干密度 ρ=30 kg/m3;导热系数λ=0.042W/(m◦K);比热 c=1.38 kJ/(kg◦K),厚度为0.055m,因此绿化屋顶的等效保温材料屋顶得以建立。

3.2 屋顶内表面温度比较

仍以开启空调期间的室内温度和室外气候参数为边界条件,采用有限差分法计算得到等效屋顶的动态内表面温度计算值t si′,选取连晴4 d的日平均值进行比较,见表2。可见等效屋顶内表面温度平均值与绿化屋顶基本相当,因此在这种情况下用等效屋顶代替绿化屋顶是合理的。

表2 屋顶内表面平均温度及气候参数

3.3 屋顶内表面温度与室内温度的关系

等效屋顶与绿化屋顶就室内热环境而言,因其围护结构其他部位工况都相同,差别仅在于屋顶做法的不同,因此最直接的差异表现在屋顶内表面温度上。下面保持室外气候条件不变,改变室内温度来观察2种屋顶内表面温度变化的异同。

对于等效屋顶,以开启空调期间的连晴4 d的室外气候参数为边界条件,通过设置不同的室内温度来分别计算内表面温度,取平均值得到等效屋顶内表面温度与室内温度的关系。对于绿化屋顶,在房间开启和关闭空调的2段测量期间室内温度不同,因此可以在2段测量期间各选取室外气候条件相近的连晴4 d的室内温度和内表面温度平均值。所选取的2段测量期间的室外平均气温分别为30.8℃和 31.0℃,平均太阳辐射强度分别为258W/m2和 257W/m2。

把2种屋顶的内表面温度与室内温度的关系用图6表示,可以看出,当室内温度在 25℃的时候,绿化屋顶与等效屋顶内表面温度是相当的,但当室内温度升高时,绿化屋顶与等效屋顶内表面温度都开始升高,但升高得并不同步,等效屋顶内表面温度升高的速度快于绿化屋顶,因此当室内温度从25℃提高到28℃时,绿化屋顶的内表面温度就会低于等效屋顶,说明这时绿化屋顶对室内热环境的效果好于等效屋顶,这也说明等效屋顶不能完全等效于绿化屋顶,即绿化屋顶对室内热环境的效果不能完全用保温屋顶代替。

图6 不同室内温度的屋顶内表面温度变化

4 结论

1)对于建筑顶层房间,即使都采用空调控制室温使2对比房间室内空气温度基本一致,但绿化屋顶与非绿化屋顶在室内热舒适性指标上也会有很大的不同,绿化屋顶室内PMV平均值比无绿化屋顶低0.2,波动幅度仅为无绿化屋顶的1/4,表明绿化屋顶室内热舒适性更好。

2)在室内温度为25℃时得到的绿化屋顶的等效屋顶,当室内温度高于25℃以后将不再与绿化屋顶等效,数据表明绿化屋顶的室内热环境效果好于等效屋顶,且随着室内温度的增加,绿化屋顶的这种优势表现得更加明显。

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