屋顶绿化对室外空气净化作用及室内热舒适影响

席仁静，狄育慧，郑　松，刘　洋 （西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西　西安　710048）

目前我国屋顶绿化发展很不充分，没有形成完善的体系，基础性研究不足。本文结合目前我国雾霾频发、空气品质差的实际情况，测试研究了冬季西安地区屋顶绿化空气的净化效果，同时探索了屋顶绿化对室内热环境的影响及其节能意义。

1　冬季绿化屋顶对室外空气净化作用

绿化屋顶有一定滞尘效果。近些年，西安地区雾霾越来越严重，严重威胁到了市民的日常生活和健康。本课题选取了西安市一栋四层商业建筑的绿化屋顶作为研究对象，从10：00～17：00 对其进行了连续测试。

1.1　研究对象建筑简介

所选择的对象建筑位于街道旁边，北面是高层住宅区，南面是临街商业及住宅建筑群，有一条东西走向的街道，车流量较大，街道对面也是高层商业住宅楼，具体如图1 所示。

图1　测试目标建筑位置详图

测试的屋顶面积达到 2 900 m2，共布置了 A、B、C共 3 个区 12 个测试点。所用的测试仪器是美国 Me Tone公司的 831 PM2.5 粉尘测试仪，最小测量粒径为 0.3 μm，精度很高。测试当天有北风和西北风，平均风速为1.1 m/s，受来风影响，屋顶气流由北向南、从 A 区到 C区流动，同时 C 区测试点在屋顶的南侧女儿墙附近，会受到街道上升气流的影响。因此以屋顶中间 B 区的 4 个测试点数据评价绿化屋顶净化后的空气品质；A 区测试点在来风侧，测试的数据评价未净化空气的质量；C 区测试点的空气由净化后的空气和街道上升气流混合而成，作为参考。

1.2　测试数据分析

每个时刻以 A 区、B 区、C 区每行 4 个测试点的数据平均值分别作为评价未净化空气、净化空气、混合空气的指标，计算所得 PM2.5 和 PM10 的值如图2、图3 所示：

图2　A 区、B 区、C 区各时刻 PM2.5 浓度对比图

由图2 可以看出，B 区曲线明显低于 A 区与 C 区，表明绿化屋顶有一定的净化空气效果，C 区的曲线在 A 区与B 区之间，高于 B 区，是因为街道上来往汽车排放的尾气使街道空气 PM2.5 浓度较高。对 C 的 4 个测试点测试，数据显示 C 区侧气流速度在 0.2～0. 9 ms 之间，街道上升的气流与净化过的气流在测试点 C 区附近混合，故 C 区的PM2.5 浓度有一定的提高。在 15∶00 降了大约半小时的小雨(地面微湿)，而 3 个区 PM2.5 浓度有了明显的降低，由此看来，降雨是提高空气品质最直接有效的方法。

计算图2 各个时刻 A 区与 B 区的 PM2.5 浓度的平均值， A 区 PM2.5 浓度平均值为 916.39 μg/m3，B 区为900.06 μg/m3，相差 16.33 μg/m3，PM2.5 浓度降低了1.8%。测试数据显示绿化屋顶在冬季有一定的空气净化能力，但是对重度雾霾天气来说，改善效果有限，因此治理雾霾关键要从源头治理。

图3 显示 B 区的 PM10 的浓度低于 A 区与 C 区，A 区 PM10 浓度平均值为 1 355.26 μg/m3，B 区为1324.12 μg/m3，减少了 31.14 μg/m3，相当于 A 区浓度降低了2.3%。

图3　A区、B区、C区各时刻PM10浓度对比图

但是和图2 对比不同的是，C 区 PM10 的浓度最高，其浓度曲线在 A 区之上，这与街道上升气流的空气品质有关。根据参考文献[1]数据计算，小型汽车尾气的 PM10 的综合排放因子是 PM2.5 的综合排放因子的 1.76 倍，因此受汽车尾气影响的街道上升气流的 PM10 的浓度较高，C区的 PM10 浓度就也明显增高。

1.3　绿化屋顶净化效果分析

通过对测试数据分析，冬季绿化屋顶 PM2.5 浓度降低了 1.8%， PM10 浓度降低了 2.3%，净化效果并不理想。原因如下：首先是西安冬季污染严重，屋顶植物表面已经滞留大量粉尘，净化能力已经趋于饱和。其次是冬季多数植物枯萎，使屋顶净化能力明显下降。最重要的是绿化屋顶本身的净化能力有限。绿化屋顶是通过植物的吸附净化作用滞留粉尘，是一种自然净化方式，即使花园式绿色屋顶的年滞尘量也很有限。

本次测试是在西安 12 月份雾霾最严重的一天，对对象建筑的测试显示，屋顶周边的 PM2.5 浓度甚至超过了1 000 μg/m3，而在西安其他地区的测试，PM2.5 浓度基本在 600～850 μg/m3之间，明显低于对象建筑周边环境。这与对象建筑所处的具体地理位置有关。对象建筑周围都是高层建筑，建筑密集，通风不畅，排污能力不足。中间有车流量较大的一条街道，街道两边的商业建筑以餐饮业为主，会排放大量的油烟。这都造成对象建筑周围环境的空气品质差。这也反映了城市规划的重要性。在城市规划中要综合考虑到建筑性质、建筑用途、建筑布局、建筑室外风场等，尤其在建筑密集的城市中心地区，要结合自然气候条件创造通风顺畅、空气品质好的室外环境。

2　对室内环境和热舒适影响

2.1　对室内环境影响

近些年很多学者做了屋顶绿化对建筑室内环境的调节作用的相关研究。例如，西安工程大学的蒋婧通过 Energy Plus 软件模拟得到了西安地区夏季绿化屋顶与普通屋顶的内表面温度差最大可达到 1.53 ℃，室内温度相差可达到1.01 ℃ 的结论[2]。河北工程大学的吴金顺通过实际测试发现绿化屋顶与普通屋顶相比，室内屋顶温度、墙体温度、门及窗的温度都有不同程度的降低[3]。屋顶绿化后，室内的温度 ta、水蒸气分压力 pa、室内平均辐射温度 tr都有一定的改变，显然室内的热舒适和空调负荷因此受到影响。

2.2　对室内热舒适影响

热舒适是人们对环境的主观感受，是一个涉及生理学、传热学、心理学多学科，年龄、性别、季节、生活环境等多因素影响的复杂的学术问题。Fanger 的 PMV-PPD 指标仍是目前人们普遍认可的基本理论。Fanger 提出的人体热感觉与人体热负荷之间的实验回归公式如式(1)所示[4]：

式中：M——人体新陈代谢率，W/m2；

W——人体所做的机械功，W/m2；

Pa——人体周围空气的水蒸气分压力，Pa；

ta——室内环境空气温度，℃；——室内平均辐射温度，℃;

tcl——衣服外表面温度，℃;

hc——对流换热系数，W/m2·℃。

由式(1)可以看出，PMV公式中包含了相关的热舒适变量。前文分析屋顶绿化后，热舒适也会受到影响，因此以PMV-PPD 指标评价屋顶绿化后室内热舒适的情况。

在夏季，人们基本穿短裤、T恤等衣服，热阻一般为0.5 clo。在室内，人们一般为静坐状态，对外做功认为 0，人体的能量代谢率选择为站着休息的值 70 W/m2。测试时门窗紧闭，空气流速很小，选择 0.1 m/s。分析吴金顺在 7月 20 日、21 日，8 月 18 日 10：00～24：00 的测试数据研究屋顶绿化对室内热舒适的影响。根据测试的室内温度、相对湿度等，代入相关公式计算出室内水蒸气分压力和平均辐射温度。根据式(1)运用 Mat lab 编程计算出相应的 PMV值。把 PMV 计算值及其对应的平均室内温度进行线性回归分析，得到绿化屋顶和普通屋顶的平均热感觉 PMV 和室内温度的关系曲线，如图4、图5 所示。

图4　普通屋顶房间 PMV 与室内温度的关系曲线

图5　绿化屋顶房间 PMV 与室内温度的关系曲线

如图4 和图5 所示，两种屋顶 PMV 与室内温度的拟合结果为：

普通屋顶房间：PMV=0.3990 t-11.196，R2=0.908 7；

绿化屋顶房间：PMV=0.3908 t-11.140，R2=0.959 7。

相关系数 R2值均大于0.9，表示拟合准确，求出预测的中性温度分别为 28.06 ℃ 和 28.51 ℃。室内平均温度分别为 31.72 ℃ 和 30.53 ℃。屋顶绿化不仅降低了室内温度，而且使中性温度提高了 0.45 ℃。计算普通屋顶房间的 PMV 平均值为 1.46，绿化屋顶房间的 0.79，降低了45.8%。

ISO 7730 对 PMV-PPD 指标的推荐值为：PPD≤10%，即 -0.5≤PMV≤0.5。则普通屋顶房间的舒适温度为 26.81 ℃≤ta≤29.31 ℃，绿化屋顶房间的舒适温度为 27.23 ℃≤ta≤29.79 ℃。绿化屋顶房间的舒适温度明显高于普通房间。以上分析证明，屋顶绿化降低了室内温度，增加了湿度，提高了中性温度，极大改善了室内的热环境，提高了舒适度。

3　屋顶绿化节能分析

前文分析了屋顶绿化后，降低室内温度，同时提高了中性温度，计算得到屋顶绿化建筑的室内空气温度与室内中性温度差值为 2.02 ℃，而一般屋顶为 3.66 ℃。根据参考文献[5]，选取维护结构内表面换热系数为 8.7 W/(m2·℃),分别以中性温度作为室内温度，根据各围护结构内表面的温度，计算得到普通屋顶的围护结构热负荷为 3 161.17 W，绿化屋顶的维护结构热负荷为 1 080.65 W，降低了65.8%。

根据式(1)，在影响人体热舒适的变量中，人们可以实现改变和影响，并且技术手段比较成熟的是对温度和风速的控制。可以通过遮阳、隔热、立体绿化等多种技术实现室内温度和平均辐射温度的小幅度降温，可以通过自然通风、风扇等实现对风速在一定范围内的控制。在屋顶绿化的基础上，研究室内风速提高至 0.5 ms 和室内温度降低 1 ℃、辐射温度降低 0.5 ℃ 两种情况下，室内的热环境状况，并分析节能效果。拟合得到的 PMV 与室内温度的关系如图6 和图7 所示。

图6　室内风速 0.5 m/s 时屋顶绿化房间 PMV 与室内温度关系曲线

如图6 所示，拟合关系为：

PMV=0.662 2 t-20.364，R2=0.985 3。

相关系数 R2＞0.9，证明拟合准确。求得中性温度为30.75 ℃，根据 ISO 7730 对 PMV-PPD 推荐指标，房间的热舒适温度范围为 30 ℃≤ta≤31.91 ℃，而绿化屋顶室内的平均温度为 30.53 ℃，所以此时房间已经满足舒适性要求，不需要使用空调。

图7　室内温度降低 1 ℃、辐射温度降低 0.5 ℃时屋顶绿化房间 PMV 与室内温度关系曲线

如图7 所示，拟合关系为：

PMV=0.253 2 t-7.140，R2=0.907 8。

相关系数 R2＞0.9，证明拟合比较准确。求得中性温度为 28.2 ℃，据 ISO 7730 对 PMV-PPD 推荐指标，房间的热舒适温度范围为 26.22 ℃≤ta≤30.17 ℃。选取维护结构内表面换热系数为 8.7 ,根据各围护结构内表面的温度，分别以中性温度作为室内温度，计算得到此时绿化屋顶房间的维护结构热负荷为 872.42 W。在屋顶绿化基础上，若室内温度再降低 1 ℃、平均辐射温度降低 0.5 ℃，室内围护结构热负荷又降低了 19.3%。

以上的分析表明了屋顶绿化可以降低室内的温度和平均辐射温度，提高相对湿度及其稳定性，使室内环境更加舒适，且提高了中性温度，而以中性温度为室内温度计算，节能效果非常可观。在图8 中统计普通屋顶、绿化屋顶、降低室内温度 1 ℃ 及降低平均辐射温度 0.5 ℃、室内风速为 0.5 m/s 的绿化屋顶 4 种状况(对应图中系列系列 1、系列 2、系列 3、系列 4)的围护结构热负荷和室内平均 PMV 值，分析屋顶绿化对室内热舒适的影响，探究节能技术方案。

图8　四种情况下围护结构热负荷和室内平均 PMV 值分布图

如图8 所示，系列 1 和系列 2 的对比反映了屋顶绿化既能提高室内的热舒适，又降低了围护结构热负荷，节能效果明显。当通过立体绿化、隔热等措施使室内温度降低 1℃，平均辐射温度降低 0.5 ℃ 时，热舒适有了进一步的改善，如系列 3。当绿化屋顶的室内风速提高到 0.5 m/s 时，各个时刻的 PMV 平均值达到 -0.15，室内已经满足舒适要求，不需要空调制冷。

以上分析显示了屋顶绿化是很有效的被动式节能方案，可以降低室内温度，从而降低空调负荷，减少空调费用。同时，室内风速对室内环境的热舒适影响很大，可以通过自然通风，改善室内气流组织，提高舒适性。在夏季室外温度较高时，可以采取风扇和空调结合的方式改善室内环境。当通过立体绿化及其他隔热方案降低室内温度和平均辐射温度时，也会改善室内环境的舒适性，相应减少空调负荷。

4　结　语

屋顶绿化可以降低室内温度、平均辐射温度，增加湿度和提高中性温度，从而改善房间的热舒适性，减少维护结构的空调负荷。屋顶绿化虽然不能根本改善目前西安市雾霾频发、空气污染严重的情况，但是对空气仍有一定的净化作用，可以改善空气的品质。西安市治理雾霾关键要从源头治理，同时在城市规划中要注意建筑的风环境，建筑密集、通风不畅往往使污染物聚集，严重影响空气品质。

参考文献：

[1]徐伟嘉,李红霞, 黄建彰,等.佛山市机动车尾气颗粒物PM2.5的排放特征研究[J]. 环境科学与技术,2014(03)：152-158+173.

[2] 蒋婧. 绿色建筑屋顶的被动式蒸发冷却技术研究[D].陕西西安：西安工程大学,2013.

[3]吴金顺. 屋顶绿化对建筑节能及城市生态环境影响的研究[D].河北邯郸：河北工程大学,2007.

[4]朱颖心,张寅平,李先庭 等.建筑环境学[M].3版. 北京：北京建筑工业出版社,2010.

[5]贺平,孙刚,王飞,吴华新.供热工程(第四版) [M].4版. 北京：北京建筑工业出版社,2009.