不同属性蓄水屋面的气候适用性研究

李宁

（河南科技大学建筑学院，河南洛阳 471023）

不同属性蓄水屋面的气候适用性研究

李宁

（河南科技大学建筑学院，河南洛阳 471023）

借助风洞试验台控制实现多种温湿度气候条件，分别研究50、100、150 mm三种深度的蓄水屋面及具有0、5%、10%水面反射物覆盖率的蓄水屋面在不同工况条件下的被动蒸发换热状况，通过热湿特性参数的分析探讨两者的气候适用性。结果显示：低温中湿（25℃、60%）和中温低湿（30℃、40%）环境下，100 mm深蓄水池具有较强适用性；低温高湿（25℃，80%）和中温中湿（30℃，60%）环境下，蓄水深度与蒸发降温效果关联性较弱。水面设置反射物在低温（25℃）和高温（35℃）环境均有助于降低空调负荷，且高温时较大覆盖率效果更显著。

蓄水屋面；被动蒸发冷却；适用性；风洞；热湿特性参数

0 引言

随着城市化进程的加剧，随之而来的“热岛效应”、“温室效应”等问题已刻不容缓。建筑作为能耗大户，必须积极寻求有效的人与自然和谐发展之路，因此，各种“绿色”技术应运而生，而被动式手段为各国学者广泛认同并大力提倡。蓄水屋面便是其中一项，它利用水体的被动蒸发冷却特性达到改善室内热舒适和降低建筑能耗的目的。韩如冰等[1]针对陶粒混凝土蓄水屋面砖内部最佳蓄水深度进行了探讨；还有对蓄水池中低发射率材料最佳设置位置的研究[2]；有专门针对600 mm深蓄水屋面展开的深入讨论[3]；也有对多种屋顶水池被动冷却系统热传递状况的比较分析[4-5]；有通过获得浅层敞开式蓄水屋面典型季节的蒸发换热系数和换热变化规律的实测研究[6]；也有对带有水面遮蔽物的屋面蓄水池的蒸发冷却效应进行的理论分析和计算[7]。

可见，各国学者的研究范围相当广泛，但对蓄水屋面自身属性，诸如蓄水深度、水面反射性物质覆盖率及水面污染程度等方面的气候适用性缺乏关注。本文尝试对前两类问题略作探讨，实验研究多种温湿度环境条件下不同水深和不同水面反射体覆盖率蓄水屋面的热湿传递过程，通过比较分析，归纳出与不同气候条件相适宜的蓄水池深度及覆盖率。

1 实验

本研究利用华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室中的风洞试验台开展。该风洞通过对环境温度、相对湿度、风速和太阳辐射等4个参数的调控实现所需的各种稳态、动态环境条件。现行有效的风洞控制参数校准结果见表1，总体控制精度达到实验要求。

表1 实验台各环境参数控制精度表

屋面蓄水池深度一方面关系到屋面荷载，另一方面影响着被动蒸发冷却效果，因此合理选择蓄水深度尤为重要。本实验将自来水盛于不锈钢金属槽内进行测试，每个工况水样本均现取现用，不重复利用。选择平面尺寸为400 mm×400 mm，高度分别为50、100和150 mm的3种实验槽。为防止实验中金属槽受到辐射灯加热升温，进而与水体产生热量交换影响蒸发，在槽底部及周边用挤塑乙烯板密封绝热，见图1。实验设定了4种工况：低温中湿（25℃，60%）、低温高湿（25℃，80%）、中温低湿（30℃，40%）、中温中湿（30℃，60%），每个工况同时放入2种不同深度的水试件测试。

图1 绝热实验槽

研究水面反射体是从工程实际问题着眼，研究中浅色漂浮物由剥离的塑料泡沫颗粒代替，摈弃那些不规则形，从中挑选出完整的多面球体颗粒用于实验，见图2。将它们按照粒径分为大中小3组，每组任意抽取10粒，进而求得10个的平均值来代表该组的粒径，则大中小3组粒径依次为7.08、5.98和4.18 mm。实验时3组按1∶1∶1的数量比例捡取。该组实验设定6种环境工况：低温低湿、低温中湿、低温高湿、高温低湿、高温中湿、高温高湿。反射体覆盖率水平3个：0、5%和10%。每个工况同时放入2种不同覆盖率的水试件测试。

图2 塑料泡沫颗料

2 结果与分析

从减少室内得热量角度，应选取试件下表面热流数据进行分析，因其直接反应流入流出室内的热流量多少，同时决定与室内辐射换热的大小。试件下表面热流采用平板热流计测量。规定热流从上往下传递为正，反之，从下往上为负。

2.1 不同水深的气候适用性

本组实验探讨不同蓄水深度的适用性。环境温度设定25、30℃两档；湿度40%、60%、80%三档；风速为0.5～3.0 m/s；辐射为0～800 W/m2。

2.1.1 低温中湿

图3为低温中湿（25℃、60%、0.5～1.5m/s、0～400W/m2）环境下100和150 mm试件的热流变化。结果表明，两者差别显著。150 mm深的热流方向始终向下，热流传向室内，而100 mm深的热流方向基本始终向上，热流从室内往外传。从波动程度来看，前者波动较小，热流在0.6～3.7 W/m2；后者波动剧烈，热流在-19.8～0.7 W/m2。说明对于低温中湿环境，水层太深反而不利于屋面降温，而水层浅一些虽然热流波动较大，但能够保证热量向外流动，可有效带走室内热量，故100 mm深度具有较好适用性。

图3 低温中湿不同深度水试件下表面热流曲线

2.1.2 低温高湿

图4为低温高湿（25℃、80%、1.5～3.0m/s、400～800W/m2）条件下50和150 mm试件的热流变化情况。可以发现，两者传热方向一致，均为由室外传向室内，且热流波动范围也相近，前者为0.8～3.4 W/m2；后者略大，为0.6～3.6 W/m2。波动频率上，实验初期50 mm深水槽的波动较慢，后期逐渐与150 mm深水槽接近。因此，从实验结论来看，水层浅一点或深一点的蓄水池在低温高湿环境下适用性相当，结合实际情况考虑，蓄水层下一般为实体屋面材料，浅水池可能会被太阳辐射穿透直接加热屋面，因此，深一点可有效避免辐射透射。

图4 低温高湿不同深度水试件下表面热流曲线

2.1.3 中温低湿

图5为温低湿（30℃、40%、0.5～1.5 m/s、400～800 W/m2）环境下50和100 mm试件的热流变化。由图5可以看出，50 mm深的热流方向始终向下，热流传向室内，100 mm深的热流方向随时间而变，整体波动情况较50 mm深的试件明显，在每个波动周期中，大部分时间热流向室外传递，少部分时间热流向室内传递。到了实验后期，大约6.5 h之后，热流开始保持向下，并有逐渐增大的趋势，亦即100 mm深的水槽当水还较深时，热流以向室外传递为主，随蒸发进行水层变浅，热流逐渐改为向室内传递。因此，总体来看，在及时补水的情况下，100 mm深的试件在中温低湿条件下更具有降温优势。

图5 中湿低湿不同深度水试件下表面热流曲线

2.1.4 中温中湿

图6为中温中湿（30℃、60%、1.5～3.0m/s、400～800W/m2）条件下50和150 mm试件的热流变化情况。由图6可以看出，两者的热流基本都围绕3.5 W/m2波动，主体差别不大，但波动状态有所不同。50 mm浅水层的波动稍小，热流在2.4～4.6 W/m2；而150 mm深水层的波动稍大，热流在1.6～4.6 W/m2。因此，总体来看，对于中温中湿的情况水层深浅影响不大。

2.2 不同水面反射体覆盖率的气候适用性

本组实验关注漂浮于水面的反射体不同覆盖率的气候适用性。环境温度设定25、35℃两档；湿度40%、60%、80%三档；风速为0.5～3.0 m/s；辐射为0～800 W/m2。

2.2.1 低温低湿

低温低湿（25℃、40%、0.5～3.0 m/s、0～800 W/m2）工况下，干净水面和覆盖率为5%的水面比较，前者在实验周期内，传热方向先向外后向内，而后者基本均为向外传递，虽然热流波动相对较大，但能保证热量不传向室内。因此，在低温低湿环境条件下，蓄水面设置少量的浅色漂浮物能够有效减少室内得热量，有利于获得更好的室内热环境。

2.2.2 低温中湿

低温中湿（25℃、60%、0.5～1.5 m/s、0-400 W/m2）工况下，覆盖率为5%和10%的水面蒸发情况差异显著，5%覆盖率的内表面热流值为负值，热流始终向外传递，但热流波动较明显，而10%覆盖率的内表面热流值虽波动较小，但始终为正值，热流一直向室内流动。因此，对于低温中湿情况来说，漂浮物覆盖率不宜大。

2.2.3 低温高湿

低温高湿（25℃、80%、1.5～3.0 m/s、400～800 W/m2）工况下，洁净水面和10%覆盖率水面内表面热流均为由外向内传递，波动情况也很类似，洁净水面波动范围略小，可见，水面洁净与存在一定浅色漂浮物时在低温高湿环境下对传热的影响不大。

2.2.4 高温低湿

高温低湿（35℃、40%、1.5～3.0 m/s、0～400 W/m2）工况下，洁净水面与5%覆盖率水面的蒸发降温效果相比，前者内表面热流波动较小，方向恒定，由外向内传递。后者实验最初1 h内波动较大，热流方向为由内往外传递，之后反向，变为向内传递，但传递的热流量一直少于洁净水面。可见，在高温低湿条件下，蓄水屋面设置少量浅色漂浮物有利于减少向室内的传热量。

2.2.5 高温中湿

高温中湿（35℃、60%、0.5～3.0 m/s、400～800 W/m2）工况下，5%和10%覆盖率水面在蒸发过程中两者内表面热流均为正值，热量均由室外传向室内，但前者的热流值始终大于后者，且波动较大。因此，在高温中湿条件下，水面覆盖较多浅色漂浮物可以有效降低传入室内的热量。

2.2.6 高温高湿

高湿高湿（35℃、80%、0.5～1.5 m/s、0～800 W/m2）工况下，洁净水面和10%覆盖率水面的实验研究显示，洁净水面内表面热流波动有主导方向的变化，开始以向外传递为主，后变为向内传递；而10%覆盖率的水面一直保持内外交替的传热方向，且向外传递的热量多，向内传递的热量少，可见，在高温高湿条件下，10%浅色漂浮物覆盖率的蓄水屋面更具降温优势。

3 结论

蓄水屋面自身属性的不同影响着被动蒸发冷却效果，蓄水深度和水面是否设置反射物及其覆盖率都值得深入探讨。从工程实际出发，尤其需要考虑适用于不同地区夏季室外气候条件的属性特征。本文在环境温度分别为35、30、25℃与环境相对湿度80%、60%、40%的多种组合中，研究得到如下结论：

（1）低温中湿和中温低湿环境下，100 mm深蓄水池既不过分增加屋面荷载，又能有效减少进入室内热量，因而具有较强适用性；低温高湿和中温中湿环境对蓄水池的深度选择并不挑剔，可以结合其它因素综合考虑决定。

（2）无论低温还是高温环境，水面设置浅色反射体一般均对室内热环境的营造产生积极作用，尤其高温条件，反射物覆盖率相对大些效果更显著。

[1]韩如冰，徐志茂，卿玉涛，等.蓄水深度对蓄水屋面冬季保温效果的影响研究[J].制冷与空调，2015，29（5）：502-504.

[2]Artemisia Spanaki，Dionysia Kolokotsa，Theocharis Tsoutsos，et al. Theoretical and experimental analysis of a novel low emissivity water pond in summer[J].Solar Energy，2012，86（11）：3331-3344.

[3]罗世武.多功能刚性深蓄水屋面[J].建筑技术，1985（5）：5-8.

[4]Ayyoob Sharifi，Yoshiki Yamagata.Roof ponds as passive heating and cooling systems：A systematic review[J].Applied Energy，2015，160：336-357.

[5]Danyal Sabzi，Pegah Haseli，Mehdi Jafarian，et al.Investigation of cooling load reduction in buildings by passive cooling options applied on roof[J].Energy and Buildings，2015，109：135-142.

[6]杨晚生，钟桃丽，郭黄欢，等.浅层敞开式蓄水屋面的蒸发换热特性研究[J].新型建筑材料，2013（6）：40-44.

[7]Runsheng Tang，Etzion Y.Cooling performance of roof ponds with gunny bags floating on water surface as compared with a movable insulation[J].Renewable Energy，2005，30（9）：1373-1385.

Study on the climate applicability of different attributes of water-ponding roof

LI Ning
（School of Architecture，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，China）

With wind tunnel laboratory control to achieve various temperature and humidity conditions，three kinds of roof reservoir deep about 50，100，150 mm and water surface reflector coverage about 0，5%，10%of roof reservoir were studied respectively.The climate applicability of both was discussed by analyzing the thermal and moisture parameters.Results showed that under the environment of low temperature moderate humidity（25℃、60%）and moderate temperature low humidity（30℃、40%），100 mm deep reservoir has strong applicability；And in low temperature high humidity（80%）and moderate temperature and humidity environment（30℃，60%），water depth and evaporation cooling effect correlation was weak.On the other hand，set water surface reflector in both low temperature（25℃）and high temperature（35℃）environment are all helpful to reduce air conditioning load，and larger coverage has more significant influence on high temperature condition.

water-ponding roof，passive evaporation cooling，applicability，wind tunnels，thermal and moisture parameters

TU111.2

A

1001-702X（2016）07-0068-04

国家自然科学基金项目（51208182）

2015-12-03

李宁，女，1982年生，河南洛阳人，副教授，博士研究生，主要研究建筑热环境与节能方向。