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1、屋顶绿化对建筑能耗的影响分析机械学院 徐之锐 1020030128摘要：建筑能耗在我国社会商品能源总消耗量中所占的比例越来越大，随着城市化进程的不断发展，建筑能耗己逐步超过能源总消耗量的30。在大量的建筑中，屋顶是建筑物外围护结构表面所占面积较小的部分，但其所造成的室内外温差传热耗热量却大于任何一面外墙。本文用冷负荷系数法对一间普通房间的屋顶进行了负荷计算，对比了绿化屋顶和裸露屋顶对房间冷负荷的影响。说明了屋顶绿化的节能意义和生态意义。关键字: 屋顶绿化 能耗 负荷 建筑节能1 引言全球能源短缺和气候变暖正日益严重地捆扰着现代社会。尤其在能源消耗密集的大城市，这个问题更加严重。而能源消耗在很大
2、程度上用在了采暖空调设备上。城市中的空调废热又引起环境温度升高，环境温度升高势必要求更多的降温，又造成更多废热使环境温度进一步升高。这样就产生了恶性循环。同时，城市热岛现象的存在使城市全年内温度一般都比周围农村高。其中一个原因，就是城市缺少蒸发表面。我们知道，通过蒸发，大量太阳的辐射热量都可以转化为不引起温度升高的潜热。其中，改善城市生态环境非常重要的手段是城市绿化1。城市的土地面积是有限的,因此城市绿化最大的难题是城区缺少土地,城市的建筑用地和绿化用地的矛盾已经显现出来。而屋顶绿化能够解决这个问题,这种技术的主要特点是:在不利用土地的情况下进行植物的种植,从而改善城市的生态环境,使城市化进程
3、和城市生态环境建设同步进行。联合国环境署的研究表明,如果一个城市的屋顶绿化率达70%以上,城市上空二氧化碳的含量将下降80%,热岛效应就会基本消失2。 屋面能耗在顶层用户围护结构能耗中所占的比例为 2040，可见，屋面作为围护结构的一部分是建筑能耗的重要环节，做好屋面的节能工作对整个建筑的节能具有重要意义。屋顶绿化是生态化的建筑节能措施，也是降低建筑能耗（顶层用户）的有效途径；屋顶绿化对提高建筑能效有明显的效果，对缓解地球的“温室效应”和城市“热岛效应”具有积极的作用，同时，能改善城市生态环境，为城市居民提供一个健康舒适的环境。屋顶绿化对改善人们居住环境、提高生活质量及降低建筑能耗具有十分重要
4、的现实意义。屋顶绿化已有近2 000年的历史,古代世界七大奇迹之一的“空中花园”即是其典型代表。屋顶绿化首先在欧洲兴起,随之在美洲也逐步发展起来。德国是近代最早对屋顶绿化进行深入研究的国家之一。1867年，建筑师比兹卡尔在巴黎的世界博览会上展现了他创作的“屋顶花园”的模型。 自此以后， 德国开展了关于“建筑物大面积植被化”的探讨和研究。柏林从 1920 年起已经完成了大约 2000 个屋顶的植被工程。1927 年在柏林的卡斯达特超市连锁百货公司的 4000 平方米屋顶上创造了当时世界上最大的屋顶花园。目前“建筑物大面积植被化”的科研开发和技术成果中，大约有 90%都是德国专利。 20 世纪美国
5、开屋顶绿化先河的是一位风景建筑师，1959 年，他以开拓者的精神在加利福尼亚州奥克兰市一座 6 层楼的顶部建造了一个景色秀丽的空中花园。 20 世纪 80 年代，欧美国家的屋顶绿化形式由原来的群落式扩展到草地式，种植屋顶由平屋顶扩展到坡屋顶。草地式屋顶绿化具有造价低、维护简易等优点，从而成为城市里适宜大面积发展的重要屋顶绿化形式。与此同时，德国、西班牙、日本等国对适于薄层基质、综合抗逆性强的景天科多肉类植物进行了研究，并选出了40 多种适于草地式屋顶绿化的植物材料，为进一步推广屋顶绿化打下了良好的基础。目前,屋顶绿化已成为高水平绿化的标志之一。许多发达国家已经进入了屋顶绿化的快车道。我国从20
6、世纪60年代开始对屋顶绿化进行研究,四川省最早开展屋顶绿化虽然我国的屋顶绿化已取得了一定的成果,但距发达国家的水平还有很大差距,现在仍处于起步阶段。 2 绿化屋顶的负荷计算理论依据2.1 屋顶植被能量转换机理当白天太阳光照射到楼宇屋顶时，由于覆盖在其上的绿色植被的存在，使建筑物得热减少。因为阳光照射到绿叶表面上，一部分太阳光被叶片反射，一部分被叶片吸收，还有一部分透过叶片之间的空隙射到墙面上。其中被叶片吸收的太阳辐射，从能量平衡角度来看，又被分解为三部分：植物光合作用所需能量；植物呼吸水分蒸腾蒸发所耗能量和植物吸收太阳辐射后叶片温度升高，与墙面、天空辐射换热以及与周围空气对流换热。与无绿叶覆盖
7、的裸露墙面相比，降低建筑物得热是有利的。夜间时，天空背景温度很低，由于叶片位于墙面与天空背景之间，墙面不能直接与天空辐射散热，与无绿叶覆盖的裸露墙面相比，显然叶片增加了散热热阻，这对降低建筑物得热不利。总体而言，相当于整个建筑物热惯性变大，对温度起到削峰填谷的作用。并且由于植物的光合作用和对水分的蒸腾作用，使得一部分太阳辐射没有直接引起温度的升高，而转变为植物的生长所需的能量和环境中的潜热。因而，绿色植物还是起到了降温的效果。整个过程的能量方程如下：植被能量平衡3 R+LR+E+C+OT = 0R(Radiation)太阳辐射被植物吸收的量；LR(Long wave Radiation)植物与
8、环境的互辐射量；E(Evaporation)蒸发作用的潜热量；C(Convection)植物和环境的对流换热量；O(Others)其他，如代谢热、存储的能量，可忽略不计。裸露墙体得热：q = hout (tf - tw) + aI - QLhout围护结构外表面对流换热系数，W/m2C;tf室外空气温度，C；tw屋顶壁面温度，C；a屋顶对太阳辐射的吸收率；I太阳辐射的强度，W/m2；QL屋顶与环境的长波辐射换热量，W/m2。其中假设屋顶与周围建筑不存在长波辐射，而只与天空进行长波辐射，则：QL = ews (Tw4- Tsky4)e w屋顶对长波辐射的吸收率；Tw屋顶壁面温度，K；Tsky有效
9、天空温度，K；s斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.67510-8 (W/m2K4)。绿色植被覆盖墙体得热：q = hout (tf - tw) + (1 - x) aI - QL hout围护结构外表面对流换热系数，W/m2C;tf室外空气温度，C；tw屋顶壁面温度，C；x植被在屋顶的覆盖率；a屋顶对太阳辐射的吸收率；I太阳辐射的强度，W/m2；QL屋顶与环境的长波辐射换热量，W/m2。其中假设屋顶与周围建筑不存在长波辐射，而只与天空和植被进行长波辐射，若假设植被完全覆盖，x = 1，则：QL = ews (Tw4- Tplant4)。e w屋顶对长波辐射的吸收率；Tw屋顶壁面温度，K；Tplant植被
10、温度，K；s斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.6710-8 (W/m2K4)。以上各计算式中，有效天空温度的计算式如下：Tsky = 0.9Td4-(0.32-0.026) (0.30+0.70S)T041/4Td地表温度，K；T0地面1.5-2.0m处气温，K；ed以毫巴表示的水蒸气分压力，mbar；S日照百分率。2.2 绿化屋顶负荷计算方法对屋顶绿化建筑节能特性的研究首先要研究当地的气象参数的变化规律及其对建筑内部自然室温分布的影响，除此之外就是要对另外一个重要指标建筑冷负荷进行研究。建筑冷负荷是确定空调系统送风量和空调设备容量的基本依据之一，也是衡量建筑隔热保温及节能特性的重要指标。所谓建筑冷负荷
11、即：为了维持室温恒定，空调设备在单位时间内必须自室内空气取走的热量，即在单位时间内必须向室内空气提供的冷量。与之相关的另一个概念得热量是指在某一时刻由室外和室内热源散入房间的热量的总和。根据性质的不同，得热量可分为潜热和显热两类，而显热又包括对流和辐射热两种成分。1946年美国的C.O.Mackey和 L.Wight 提出的用当量温差法和 50年代初苏联A.T. 等人提出的用谐波分解法计算通过建筑围护结构所引起的冷负荷的计算方法，两者共同的缺点是对得热量和冷负荷未加区分，即认为两者是一回事,所以其计算出的空调冷负荷量往往偏大。1968年加拿大 D.G. Stephenson和 G.P. Mit
12、alas提出反应系数法以后，掀起了革新负荷计算方法的研究。其基本特点是，把得热量和冷负荷的区别在计算方法中体现出来。1971年 Stephenson和 G.P. Mitalas又用 Z传递函数改进了反应系数法，并提出适合于手算的负荷系数法。我国在 7080 年代开展了新计算方法的研究，1982年经原城乡建设环境保护部主持、评议通过了两种新的冷负荷计算方法：谐波反应法和冷负荷系数法4。 本文的绿化屋顶将使用冷负荷系数法对比计算。冷负荷系数法是在传递函数法的基础上，为方便在工程中手算而建立起来的一种简化计算方法。由于传递函数法在计算由墙体、屋顶、窗户、照明、人体和设备的得热量或冷负荷时需要知道计算
13、时刻以前的得热量或冷负荷，是一个递推的计算过程，需要用计算机计算，为了便于手工计算，通过引入瞬时冷负荷计算温度和冷负荷系数的方法来简化。温差传热通过外墙或屋面引起的逐时冷负荷按下式计算： CL=Kq Fq (t1+tdtns) （ W ） 式中：Kq外墙或屋面夏季传热系数W/(m2)； Fq外墙或屋面面积（m2）；t1外墙或屋面冷负荷计算温度（）；td外墙或屋面冷负荷计算温度地点修正值（）；tns夏季室内设计温度（）。3 绿化屋顶负荷对比计算本文选取两间同样构造和大小的房间，进行对比计算，以对绿化屋顶进行能耗影响分析。如图1，计算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
14、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。选取计算地点为上海，为典型的夏热冬冷地区。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7.03.5 m2。屋顶构造为钢筋混凝土空心板和防水保护层，总厚度为150mm，壁厚d为50mm，混凝土土板100mm，屋顶为III型屋顶。传热系数为0.73W/（m2*k），传热热阻为1.37（m2*k）/W5。而附加绿化层的传热热阻为1.0（m2*k）/W，绿化屋顶的中传热阻为2.37（m2*k）/W，传热系
15、数为0.42 W/（m2*k）6。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。两房间设计的空调工况一样，都是26，相对湿度为55%。 图1，绿化屋顶构造 图2，屋顶结构层采用冷负荷计算法如下，分别为裸露屋顶和绿化屋顶的负荷计算数据：通过以上的计算比较，对于上海的这间计算房间，由屋顶而产生的最大瞬时冷负荷是在晚上21点的时候。裸露屋顶的计算冷负荷为447.125W，绿化屋顶的计算冷负荷为257.25W。相对节能率最大为（447.125-257.25）/447.125=42.5%。则单位面积的节能量最大为（447.125-257.25）/24.5=7.75W/ m2。4 绿化屋顶对室内外环境的影响4.1 改善室内温度状况屋顶绿化可以直接降低屋顶内、外表面的温度，屋顶内外表面温度的下降，可以直接改善室内温度状况，减轻高温屋面对室内人员的辐射，提高室内环境的舒适度。绿化屋顶与普通屋顶外表面的温度最大可相差20-30，屋顶内表面温度最大可相差4左右7。屋顶绿化在夏季对屋
