植物对绿化屋顶热工性能影响的模拟研究

徐晓莹 付海明

东华大学环境科学与工程学院

国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心

0 引言

城镇化是经济社会发展的必然选择，但城镇化也带来了一系列问题。如城市热岛、城市内涝等。大力发展城市绿化可以缓解城市热岛效应，且城市绿化率与城市热岛效应成反比[1]。绿化屋顶的应用可以很好的增加城市绿化率，而且绿化屋顶不会占用城市土地使用面积。绿化屋顶还能加强雨水管理，减少雨水径流，延长屋顶的寿命，提升建筑节能效益[2-4]。研究中表明绿化屋顶可以将通过屋顶的热量传输减小77%[5]。绿化屋顶的表面温度要比普通屋顶的表面温度更低，温度振幅更小[6]。绿化屋顶上植物叶面积指数越大的屋顶温度越低，缓解潜力更高[7-8]。绿化屋顶可以很好的改善建筑室内热环境，改善建筑物的能源性能[9-10]。

本文主要就植物对绿化屋顶热工性能影响的问题采用简化绿化屋顶建模，用Fluent 软件模拟探讨植物冠层叶面积的指数（LAI）和风速（v）对绿化屋顶的影响。

1 三维绿化屋顶模型及边界条件

1.1 模型的建立

本文将庞大的绿化屋顶简化为一个三维的绿化屋顶模块，在模型的内部添加可定义的植物冠层结构参数，土壤结构，以及屋顶围护结构，模拟时忽略了土壤潜热的影响。植物冠层是在微观尺度上建立的，植物叶片大小是为直径为3 cm 的近似圆形结构，是气流不可穿过的实体结构。模型的建立在Auto CAD 中完成的。

当空气流进和流出植物冠层，植物冠层内的参数会发生变化，为了尽可能准确地了解和分析这种变化，稳定流域，在土壤层上方设置了高度为80 cm 的流域。由于本文研究的主要重点为垂直方向上的参数变化，因此在设计流域时将流域在水平方向上的大小与土壤层和屋面结构层一致。具体模型如图1 所示。植物冠层的结构参数，本文中指叶面积指数（LAI），是通过改变叶片的大小和数量来控制。根据植物叶片生理形态，模型中叶片角度共有3 种，分别为-30°、0°、30°，分别占比27.6%、40.8%、31.6%。此次共建立了6 个模型，分别为model1（LAI=0.49）、model2（LAI=0.98）、model3（LAI=1.96）、model4（LAI=2.94）、model5（LAI=3.92）、model6（LAI=4.9）。

图1 绿化屋顶模型图

1.2 边界条件

模型主要分为一个流域和两个固体区域。流域入口的边界条件设置为速度入口（velocity-inlet），流速分别设为0.05 m/s、0.3 m/s、1 m/s、3 m/s，来流温度为303.15 K。流域出口的边界条件设置为压力出口（pressure-outlet），出口压力设为0 Pa。流域的前后上面设置成对称边界条件（symmetry）。在固体区域中，植物叶片表面和土壤层上表面设置为无滑移边界条件（wall）。流域空间设为内部条件，土壤层和屋面结构成均设置成固体内部（interior）。其余四周表面设置成对称边界条件（symmetry）。屋面下表面设置为wall 边界，设为对流边界条件，恒流空气温度为26 ℃，表面换热系数为7.7 W/(m2·K)。叶片温度根据叶片能量平衡方程计算得到，具体参看表1。

表1 植物叶片温度

2 数值计算方法

1）辐射模型。在FLUENT 软件中共包含了5 种辐射模型：DTRM，P1，Rosseland，DO 和S2S。本文既是采用的DO 模型中Solar Ray Tracing 模型，太阳辐射角度为数据库中上海地区7 月21 日下午13:00 的太阳辐射角度。太阳辐射强度为800 W/m2。

2）工况设置。本文中有6 个模型，分别为model1（LAI=0.49）、model2（LAI=0.98）、model3（LAI=1.96）、model4（LAI=2.94）、model5（LAI=3.92）、model6（LAI=4.9）。4 种风速，分别为0.05 m/s、0.3 m/s、1 m/s、3 m/s。共有24 组数据。

3 结果与分析

根据图2、图3 可以看出六种模型中在流场分布上有着相似的变化趋势，在植物叶片的作用下，使得气流速度进入植物冠层后逐渐减小。气流在进入冠层后，在植物叶片后形成涡流区，叶面积指数越大的植物冠层中的涡流越复杂，速度分布也越复杂。距离土壤表面越近的植物冠层，受土壤表面粗糙度的影响，冠层内的风速偏低。气流在远离植物冠层的上部流域风速会逐渐趋于稳定，且随着沿x 方向的流动，x 的值越大，在远离植物冠层稳定流速所需的z 方向高度越高。叶面积指数越大的植物冠层，在同x 值下，稳定流速所需要的z 方向高度距离越长。

图2 同风速不同模型中轴线处速度曲线

图3 不同风速同一模型中轴线处速度曲线

图4 温度分布云图（LAI=2.94，v=1 m/s）

图4 显示的model4（LAI=2.94）在风速为v=1 m/s时沿高低方向上温度分布云图和土壤上表面的温度分布云图。受太阳辐射以及屋顶下表面空气的影响，在垂直方向上，土壤上表面温度较高，然后向下温度逐渐降低。在土壤上表面的温度分布云图中可以看出，由于植物层的影响，使得土壤上表面出现了斑点状的局部低温或高温的现象。图4（b）中y=0 附近的局部高温是由于太阳辐射角的原因，使得高温处没有植物的覆盖，而直接接受太阳辐射，这都说明了植物层的存在可以更好地对屋顶起到保温隔热的作用。

图5 和图6 分别表示的是植物冠层的叶面积指数以及风速对绿化屋顶热环境的影响。由图可以看出，在太阳辐射强度为800 W/m2时，绿化屋顶整体温度随着植物冠层叶面积指数的增大而减小，随风速的增大而减小。因太阳辐射强度较大时，植物叶片温度会高于空气温度，冠层温度也高于空气温度，此时若风速较大，来流会对冠层和土壤上表面起到降温作用，使得土壤上表面温度反而越低。在图5 中还可以看出，叶面积指数为3.92 和4.9 时，土壤上表面温度的降低不再明显，因此可以看出，无限增大植物冠层叶面积指数不能无限降低绿化屋顶的温度。植物冠层叶面积有一个最优值，在提供最大隔热降温效应的同时还不会额外增加屋顶载荷。在图6 中z=0.4m 处出现了温度突变点，是由于取点取到了叶片温度所致，可以看出图中突变点的温度值与表1 数值相同。

图5 不同模型同风速（v=3 m/s）下沿高度方向温度图

图6 不同风速同模型（LAI=2.94）下沿高度方向温度图

4 结语

本文为研究植物种植对绿化屋顶的影响，建立了一个简化的绿化屋顶模型，利用计算流体力学的技术进行数值模拟求解。模拟时利用了太阳辐射模型，模拟在太阳辐射的情况下，不同流速、不同植物冠层叶面积指数时，植物冠层的流场分布以及绿化屋顶的热表现。研究结果表明叶面积指数（LAI）和风速（v）越大的植物冠层中的涡流越复杂。叶面积指数越大的植物冠层，稳定流速所需要的高度距离越长。植物冠层对绿化屋顶有很好的隔热降温作用。绿化屋顶整体温度随着植物冠层叶面积指数的增大而减小，随风速的增大而减小，但植物冠层叶面积指数存在最优值，使得隔热降温效果较好的同时，尽可能降低屋顶载荷。