佛甲草和輕型種植土屋面模塊隔熱性能對比研究
2014-04-21 10:10:46王璋元楊晚生
新媒體研究 2014年5期
王璋元+楊晚生
摘 要 屋面蒸發制冷的技術可以讓屋面傳遞的熱量降低，進而改善屋里的熱環境，減少消耗的建筑能量，在生態環境的改善以及能源節約方面都有很好的效果。筆者借助研制的小型風洞實驗裝置，分別對佛甲草跟輕型種植土模塊的隔熱性能做了研究，希望能給建筑屋面被動式蒸發制冷的隔熱原理和工程應用提供數據和理論支撐。
關鍵詞 屋面模塊；佛甲草；輕型種植土；隔熱性能；對比研究
中圖分類號：TU57+6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0057-02
建筑的蒸發制冷技術就是建筑表層含有的水分在自然的情況下產生蒸發，然后從建筑物里面吸收熱量，最后達到建筑冷卻的效果。根據應用方式此技術可以分為多種屋面，如蓄水屋面、植被屋面等。其中，植被屋面因其優越的改善室內熱環境及城市生態性能，近年來在建筑中運用越來越廣泛。本文通過在小型風洞裝置控制實驗的環境參數下，建立實驗平臺并設計模塊，研究佛甲草模塊的隔熱特性，并與輕型種植土模塊進行對比分析。
1 實驗方法跟儀器
1.1 風洞裝置實驗
本文中的風洞裝置由兩部分構成：空氣調節模擬實驗臺和風洞。
空氣調節模擬試驗臺通過對空氣進行溫濕度調整，直至達到需要的實驗標準。此裝置還配備有電壓調節器，以此來對風量進行調控；空氣預熱器和再熱器，用來對空氣進行溫度控制；噴水室，用來對空氣進行降溫及濕度處理。
風洞由軟接頭、鋁合金風道和風機組成。在風洞中間位置設置太陽輻射模擬燈，其正下方處放置測試模塊（即佛甲草或輕型種植土模塊）。在風洞裝置的出口處配有軸流風機兩臺。在風洞裝置的里面也配有熱電偶溫度測點，以便對風洞裝置里面空氣溫度的變化進行觀測。
1.2 測試模塊
輕型種植土模塊尺寸為60 cm×60 cm×10 cm，在其底部有高度為2.5 cm左右的覆蓋有土工布的蓄排水板。土工布上面還有輕型種植土，厚度為6.5 cm左右。整個干模塊的重量為10.09 kg。模塊側面及底部采用5 mm厚擠塑聚苯板，以減少熱損失。
佛甲草模塊是在輕型種植土模塊基礎上種植佛甲草，其構造和材料與輕型種植土模塊一致。
1.3 實驗測試儀器及方法
風洞內及模塊內部溫度變化情況的收集使用的是金艾聯電子科技有限公司的JK-16U多路溫度巡檢儀，溫度變化情況的收集時間為1個小時。溫度測點使用的是鎳鉻-鎳硅熱電偶。風洞裝置里面空氣濕度的測量使用的是銀都科技有限公司生產的YD-HT2X808J型溫濕度記錄儀。
2 實驗結果及分析
實驗主要就模塊內表層溫度、外表層溫度、溫度降低的特點三個方面進行對比，研究佛甲草（FM）跟輕型種植土（QM）兩者的隔熱性能情況。
2.1 環境參數分析
實驗首先在無太陽輻射條件下研究輕型種植土與佛甲草模塊的隔熱性能。入口段環境溫度平均值為46.5℃，相對濕度平均值為38.8%，模塊初始含濕量為30%。實驗接著在300 W/m2太陽輻射情況下開展，入口處的平均環境溫度為36.6℃，平均濕度為50.4%，含濕量為30%。所得的環境溫度和相對濕度實驗數據見表1。
從表分析得出，在有無太陽輻射條件下，兩模塊入口段五天實測的環境溫度和相對濕度基本保持恒定，滿足實驗要求。
2.2 模塊內外表面溫度
模塊內、外表層的溫度高低可以分析出模塊在傳熱時的峰值情況。有太陽輻射和沒有太陽輻射的情況下模塊內表層跟外表層溫度情況如表2。
分析表中連續5天的實測數據可得出：
1）無太陽輻射條件下，QM內表面最高溫度的波動在29.8℃-30.9℃之間；FM內表面最高溫度的波動在28.9℃-30.2℃之間。兩模塊內表面最高溫度的最大差值達1.7℃。QM外表面最高溫度的波動在31.5℃-33.7℃之間；FM外表面最高溫度的波動較小，在30.1℃-31.2℃之間。兩模塊外表面最高溫度的最大差值達3℃。
2）有太陽輻射條件下，QM內表層的溫度在32.1℃-33.3℃之間浮動；FM內表層的溫度在30.8℃-31.6℃之間浮動。QM外表面最高溫度的波動在50.4℃-54.6℃之間變化；FM外表面最高溫度的波動小，在47.6℃-50.8℃之間。
通過以上實驗結果得出：不管是在有輻射的情況下還是沒有輻射的情況下，隔熱模塊內表層跟外表層的溫度浮動范圍相似。也就是說，含濕量同樣為30%的情況下，佛甲草模塊跟輕型種植土模塊內外表層的溫度浮動相比要小一些。
2.3 溫度降低的特征分析
2.3.1 溫度波動幅度
溫度的波動幅度可以顯現模塊的穩定性。測試期間，模塊內外表面溫度波幅變化情況見表3。
對表中模塊內外表面溫度波幅進行分析，其結果如下：
1）無太陽輻射條件下，FM的內表面溫度波幅變化小，在0.5℃-0.8℃范圍內浮動，表示佛甲草模塊的隔熱性能要相對穩定一些；QM內表層溫度波動幅度基本上在0.7℃-1.3℃。所以，佛甲草模塊跟輕型種植土模塊相比，如果是具有一樣的含濕量，前者內表層溫度的波動幅度要相對小一些。
2）有太陽輻射條件下，FM的內表面溫度波幅在0.3℃-0.7℃之間，非常穩定；QM的內表面溫度波幅在0.7℃-1.2℃之間。相對較穩定輻射條件下，FM的內表面溫度波幅變化明顯小于QM。
2.3.2 溫度峰谷差
有無太陽輻射條件下，模塊的內、外表面溫度峰谷差變化情況見表4。
模塊的內、外表面溫度峰谷差分析如下：
1）在無太陽輻射條件下，FM內表面溫度峰谷差最大值為1.2℃，最小值為0.8℃；QM內表面溫度的平均峰谷差為1.3℃，最大值為1.6℃，最小值為1.0℃。FM的外表面溫度平均峰谷差為0.9℃，QM外表面溫度平均峰谷差為1.5℃。
2）在有太陽輻射條件下，FM內表面溫度峰谷差最大值為1.2℃，最小值為0.7℃；模塊QM內表面溫度的平均峰谷差為1.3℃，最大值為1.6℃，最小值為1.0℃。FM的外表面溫度平均峰谷差1.4℃，QM外表面溫度平均峰谷差為2.3℃。
綜上所述，佛甲草模塊跟輕型種植土模塊兩者如果是一樣的含濕量，前者的溫度峰谷差相對較小，也就是說佛甲草模塊的隔熱性能和熱穩定性要強一些。
3 結束語
本文通過在小型風洞裝置控制實驗的環境參數下，建立實驗平臺并設計模塊，研究佛甲草模塊和輕型種植土模塊的隔熱性能，并進行對比分析。此次實驗給建筑屋面被動式植被模塊的隔熱原理剖析和工程的實際應用提供了數據和理論支撐。
基金項目
廣東省自然科學基金面上項目（S2013010011674和S2013010013536）；中國博士后科學基金第六批特別資助項目（2013T60790）；中國博士后科學基金第52批面上資助項目（2012M521576）；廣東工業大學校博士啟動基金（12ZK0380）；住房和城鄉建設部科技項目（2011-k1-28）；亞熱帶建筑科學國家重點實驗室開放基金項目（2011KB22）；廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室項目（2011048）。
參考文獻
[1]夏佳元.佛甲草在屋頂綠化建設中的應用效果初探[J].湖南林業科技，2007（03）.
作者簡介
通訊作者：王璋元（1986-），女，山東省濰坊市人，博士（后）、講師，主要從事可持續能源技術研究。endprint
摘 要 屋面蒸發制冷的技術可以讓屋面傳遞的熱量降低，進而改善屋里的熱環境，減少消耗的建筑能量，在生態環境的改善以及能源節約方面都有很好的效果。筆者借助研制的小型風洞實驗裝置，分別對佛甲草跟輕型種植土模塊的隔熱性能做了研究，希望能給建筑屋面被動式蒸發制冷的隔熱原理和工程應用提供數據和理論支撐。
關鍵詞 屋面模塊；佛甲草；輕型種植土；隔熱性能；對比研究
中圖分類號：TU57+6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0057-02
建筑的蒸發制冷技術就是建筑表層含有的水分在自然的情況下產生蒸發，然后從建筑物里面吸收熱量，最后達到建筑冷卻的效果。根據應用方式此技術可以分為多種屋面，如蓄水屋面、植被屋面等。其中，植被屋面因其優越的改善室內熱環境及城市生態性能，近年來在建筑中運用越來越廣泛。本文通過在小型風洞裝置控制實驗的環境參數下，建立實驗平臺并設計模塊，研究佛甲草模塊的隔熱特性，并與輕型種植土模塊進行對比分析。
1 實驗方法跟儀器
1.1 風洞裝置實驗
本文中的風洞裝置由兩部分構成：空氣調節模擬實驗臺和風洞。
空氣調節模擬試驗臺通過對空氣進行溫濕度調整，直至達到需要的實驗標準。此裝置還配備有電壓調節器，以此來對風量進行調控；空氣預熱器和再熱器，用來對空氣進行溫度控制；噴水室，用來對空氣進行降溫及濕度處理。
風洞由軟接頭、鋁合金風道和風機組成。在風洞中間位置設置太陽輻射模擬燈，其正下方處放置測試模塊（即佛甲草或輕型種植土模塊）。在風洞裝置的出口處配有軸流風機兩臺。在風洞裝置的里面也配有熱電偶溫度測點，以便對風洞裝置里面空氣溫度的變化進行觀測。
1.2 測試模塊
輕型種植土模塊尺寸為60 cm×60 cm×10 cm，在其底部有高度為2.5 cm左右的覆蓋有土工布的蓄排水板。土工布上面還有輕型種植土，厚度為6.5 cm左右。整個干模塊的重量為10.09 kg。模塊側面及底部采用5 mm厚擠塑聚苯板，以減少熱損失。
佛甲草模塊是在輕型種植土模塊基礎上種植佛甲草，其構造和材料與輕型種植土模塊一致。
1.3 實驗測試儀器及方法
風洞內及模塊內部溫度變化情況的收集使用的是金艾聯電子科技有限公司的JK-16U多路溫度巡檢儀，溫度變化情況的收集時間為1個小時。溫度測點使用的是鎳鉻-鎳硅熱電偶。風洞裝置里面空氣濕度的測量使用的是銀都科技有限公司生產的YD-HT2X808J型溫濕度記錄儀。
2 實驗結果及分析
實驗主要就模塊內表層溫度、外表層溫度、溫度降低的特點三個方面進行對比，研究佛甲草（FM）跟輕型種植土（QM）兩者的隔熱性能情況。
2.1 環境參數分析
實驗首先在無太陽輻射條件下研究輕型種植土與佛甲草模塊的隔熱性能。入口段環境溫度平均值為46.5℃，相對濕度平均值為38.8%，模塊初始含濕量為30%。實驗接著在300 W/m2太陽輻射情況下開展，入口處的平均環境溫度為36.6℃，平均濕度為50.4%，含濕量為30%。所得的環境溫度和相對濕度實驗數據見表1。
從表分析得出，在有無太陽輻射條件下，兩模塊入口段五天實測的環境溫度和相對濕度基本保持恒定，滿足實驗要求。
2.2 模塊內外表面溫度
模塊內、外表層的溫度高低可以分析出模塊在傳熱時的峰值情況。有太陽輻射和沒有太陽輻射的情況下模塊內表層跟外表層溫度情況如表2。
分析表中連續5天的實測數據可得出：
1）無太陽輻射條件下，QM內表面最高溫度的波動在29.8℃-30.9℃之間；FM內表面最高溫度的波動在28.9℃-30.2℃之間。兩模塊內表面最高溫度的最大差值達1.7℃。QM外表面最高溫度的波動在31.5℃-33.7℃之間；FM外表面最高溫度的波動較小，在30.1℃-31.2℃之間。兩模塊外表面最高溫度的最大差值達3℃。
2）有太陽輻射條件下，QM內表層的溫度在32.1℃-33.3℃之間浮動；FM內表層的溫度在30.8℃-31.6℃之間浮動。QM外表面最高溫度的波動在50.4℃-54.6℃之間變化；FM外表面最高溫度的波動小，在47.6℃-50.8℃之間。
通過以上實驗結果得出：不管是在有輻射的情況下還是沒有輻射的情況下，隔熱模塊內表層跟外表層的溫度浮動范圍相似。也就是說，含濕量同樣為30%的情況下，佛甲草模塊跟輕型種植土模塊內外表層的溫度浮動相比要小一些。
2.3 溫度降低的特征分析
2.3.1 溫度波動幅度
溫度的波動幅度可以顯現模塊的穩定性。測試期間，模塊內外表面溫度波幅變化情況見表3。
對表中模塊內外表面溫度波幅進行分析，其結果如下：
1）無太陽輻射條件下，FM的內表面溫度波幅變化小，在0.5℃-0.8℃范圍內浮動，表示佛甲草模塊的隔熱性能要相對穩定一些；QM內表層溫度波動幅度基本上在0.7℃-1.3℃。所以，佛甲草模塊跟輕型種植土模塊相比，如果是具有一樣的含濕量，前者內表層溫度的波動幅度要相對小一些。
2）有太陽輻射條件下，FM的內表面溫度波幅在0.3℃-0.7℃之間，非常穩定；QM的內表面溫度波幅在0.7℃-1.2℃之間。相對較穩定輻射條件下，FM的內表面溫度波幅變化明顯小于QM。
2.3.2 溫度峰谷差
有無太陽輻射條件下，模塊的內、外表面溫度峰谷差變化情況見表4。
模塊的內、外表面溫度峰谷差分析如下：
1）在無太陽輻射條件下，FM內表面溫度峰谷差最大值為1.2℃，最小值為0.8℃；QM內表面溫度的平均峰谷差為1.3℃，最大值為1.6℃，最小值為1.0℃。FM的外表面溫度平均峰谷差為0.9℃，QM外表面溫度平均峰谷差為1.5℃。
2）在有太陽輻射條件下，FM內表面溫度峰谷差最大值為1.2℃，最小值為0.7℃；模塊QM內表面溫度的平均峰谷差為1.3℃，最大值為1.6℃，最小值為1.0℃。FM的外表面溫度平均峰谷差1.4℃，QM外表面溫度平均峰谷差為2.3℃。
綜上所述，佛甲草模塊跟輕型種植土模塊兩者如果是一樣的含濕量，前者的溫度峰谷差相對較小，也就是說佛甲草模塊的隔熱性能和熱穩定性要強一些。
3 結束語
本文通過在小型風洞裝置控制實驗的環境參數下，建立實驗平臺并設計模塊，研究佛甲草模塊和輕型種植土模塊的隔熱性能，并進行對比分析。此次實驗給建筑屋面被動式植被模塊的隔熱原理剖析和工程的實際應用提供了數據和理論支撐。
基金項目
廣東省自然科學基金面上項目（S2013010011674和S2013010013536）；中國博士后科學基金第六批特別資助項目（2013T60790）；中國博士后科學基金第52批面上資助項目（2012M521576）；廣東工業大學校博士啟動基金（12ZK0380）；住房和城鄉建設部科技項目（2011-k1-28）；亞熱帶建筑科學國家重點實驗室開放基金項目（2011KB22）；廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室項目（2011048）。
參考文獻
[1]夏佳元.佛甲草在屋頂綠化建設中的應用效果初探[J].湖南林業科技，2007（03）.
作者簡介
通訊作者：王璋元（1986-），女，山東省濰坊市人，博士（后）、講師，主要從事可持續能源技術研究。endprint
摘 要 屋面蒸發制冷的技術可以讓屋面傳遞的熱量降低，進而改善屋里的熱環境，減少消耗的建筑能量，在生態環境的改善以及能源節約方面都有很好的效果。筆者借助研制的小型風洞實驗裝置，分別對佛甲草跟輕型種植土模塊的隔熱性能做了研究，希望能給建筑屋面被動式蒸發制冷的隔熱原理和工程應用提供數據和理論支撐。
關鍵詞 屋面模塊；佛甲草；輕型種植土；隔熱性能；對比研究
中圖分類號：TU57+6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0057-02
建筑的蒸發制冷技術就是建筑表層含有的水分在自然的情況下產生蒸發，然后從建筑物里面吸收熱量，最后達到建筑冷卻的效果。根據應用方式此技術可以分為多種屋面，如蓄水屋面、植被屋面等。其中，植被屋面因其優越的改善室內熱環境及城市生態性能，近年來在建筑中運用越來越廣泛。本文通過在小型風洞裝置控制實驗的環境參數下，建立實驗平臺并設計模塊，研究佛甲草模塊的隔熱特性，并與輕型種植土模塊進行對比分析。
1 實驗方法跟儀器
1.1 風洞裝置實驗
本文中的風洞裝置由兩部分構成：空氣調節模擬實驗臺和風洞。
空氣調節模擬試驗臺通過對空氣進行溫濕度調整，直至達到需要的實驗標準。此裝置還配備有電壓調節器，以此來對風量進行調控；空氣預熱器和再熱器，用來對空氣進行溫度控制；噴水室，用來對空氣進行降溫及濕度處理。
風洞由軟接頭、鋁合金風道和風機組成。在風洞中間位置設置太陽輻射模擬燈，其正下方處放置測試模塊（即佛甲草或輕型種植土模塊）。在風洞裝置的出口處配有軸流風機兩臺。在風洞裝置的里面也配有熱電偶溫度測點，以便對風洞裝置里面空氣溫度的變化進行觀測。
1.2 測試模塊
輕型種植土模塊尺寸為60 cm×60 cm×10 cm，在其底部有高度為2.5 cm左右的覆蓋有土工布的蓄排水板。土工布上面還有輕型種植土，厚度為6.5 cm左右。整個干模塊的重量為10.09 kg。模塊側面及底部采用5 mm厚擠塑聚苯板，以減少熱損失。
佛甲草模塊是在輕型種植土模塊基礎上種植佛甲草，其構造和材料與輕型種植土模塊一致。
1.3 實驗測試儀器及方法
風洞內及模塊內部溫度變化情況的收集使用的是金艾聯電子科技有限公司的JK-16U多路溫度巡檢儀，溫度變化情況的收集時間為1個小時。溫度測點使用的是鎳鉻-鎳硅熱電偶。風洞裝置里面空氣濕度的測量使用的是銀都科技有限公司生產的YD-HT2X808J型溫濕度記錄儀。
2 實驗結果及分析
實驗主要就模塊內表層溫度、外表層溫度、溫度降低的特點三個方面進行對比，研究佛甲草（FM）跟輕型種植土（QM）兩者的隔熱性能情況。
2.1 環境參數分析
實驗首先在無太陽輻射條件下研究輕型種植土與佛甲草模塊的隔熱性能。入口段環境溫度平均值為46.5℃，相對濕度平均值為38.8%，模塊初始含濕量為30%。實驗接著在300 W/m2太陽輻射情況下開展，入口處的平均環境溫度為36.6℃，平均濕度為50.4%，含濕量為30%。所得的環境溫度和相對濕度實驗數據見表1。
從表分析得出，在有無太陽輻射條件下，兩模塊入口段五天實測的環境溫度和相對濕度基本保持恒定，滿足實驗要求。
2.2 模塊內外表面溫度
模塊內、外表層的溫度高低可以分析出模塊在傳熱時的峰值情況。有太陽輻射和沒有太陽輻射的情況下模塊內表層跟外表層溫度情況如表2。
分析表中連續5天的實測數據可得出：
1）無太陽輻射條件下，QM內表面最高溫度的波動在29.8℃-30.9℃之間；FM內表面最高溫度的波動在28.9℃-30.2℃之間。兩模塊內表面最高溫度的最大差值達1.7℃。QM外表面最高溫度的波動在31.5℃-33.7℃之間；FM外表面最高溫度的波動較小，在30.1℃-31.2℃之間。兩模塊外表面最高溫度的最大差值達3℃。
2）有太陽輻射條件下，QM內表層的溫度在32.1℃-33.3℃之間浮動；FM內表層的溫度在30.8℃-31.6℃之間浮動。QM外表面最高溫度的波動在50.4℃-54.6℃之間變化；FM外表面最高溫度的波動小，在47.6℃-50.8℃之間。
通過以上實驗結果得出：不管是在有輻射的情況下還是沒有輻射的情況下，隔熱模塊內表層跟外表層的溫度浮動范圍相似。也就是說，含濕量同樣為30%的情況下，佛甲草模塊跟輕型種植土模塊內外表層的溫度浮動相比要小一些。
2.3 溫度降低的特征分析
2.3.1 溫度波動幅度
溫度的波動幅度可以顯現模塊的穩定性。測試期間，模塊內外表面溫度波幅變化情況見表3。
對表中模塊內外表面溫度波幅進行分析，其結果如下：
1）無太陽輻射條件下，FM的內表面溫度波幅變化小，在0.5℃-0.8℃范圍內浮動，表示佛甲草模塊的隔熱性能要相對穩定一些；QM內表層溫度波動幅度基本上在0.7℃-1.3℃。所以，佛甲草模塊跟輕型種植土模塊相比，如果是具有一樣的含濕量，前者內表層溫度的波動幅度要相對小一些。
2）有太陽輻射條件下，FM的內表面溫度波幅在0.3℃-0.7℃之間，非常穩定；QM的內表面溫度波幅在0.7℃-1.2℃之間。相對較穩定輻射條件下，FM的內表面溫度波幅變化明顯小于QM。
2.3.2 溫度峰谷差
有無太陽輻射條件下，模塊的內、外表面溫度峰谷差變化情況見表4。
模塊的內、外表面溫度峰谷差分析如下：
1）在無太陽輻射條件下，FM內表面溫度峰谷差最大值為1.2℃，最小值為0.8℃；QM內表面溫度的平均峰谷差為1.3℃，最大值為1.6℃，最小值為1.0℃。FM的外表面溫度平均峰谷差為0.9℃，QM外表面溫度平均峰谷差為1.5℃。
2）在有太陽輻射條件下，FM內表面溫度峰谷差最大值為1.2℃，最小值為0.7℃；模塊QM內表面溫度的平均峰谷差為1.3℃，最大值為1.6℃，最小值為1.0℃。FM的外表面溫度平均峰谷差1.4℃，QM外表面溫度平均峰谷差為2.3℃。
綜上所述，佛甲草模塊跟輕型種植土模塊兩者如果是一樣的含濕量，前者的溫度峰谷差相對較小，也就是說佛甲草模塊的隔熱性能和熱穩定性要強一些。
3 結束語
本文通過在小型風洞裝置控制實驗的環境參數下，建立實驗平臺并設計模塊，研究佛甲草模塊和輕型種植土模塊的隔熱性能，并進行對比分析。此次實驗給建筑屋面被動式植被模塊的隔熱原理剖析和工程的實際應用提供了數據和理論支撐。
基金項目
廣東省自然科學基金面上項目（S2013010011674和S2013010013536）；中國博士后科學基金第六批特別資助項目（2013T60790）；中國博士后科學基金第52批面上資助項目（2012M521576）；廣東工業大學校博士啟動基金（12ZK0380）；住房和城鄉建設部科技項目（2011-k1-28）；亞熱帶建筑科學國家重點實驗室開放基金項目（2011KB22）；廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室項目（2011048）。
參考文獻
[1]夏佳元.佛甲草在屋頂綠化建設中的應用效果初探[J].湖南林業科技，2007（03）.
作者簡介
通訊作者：王璋元（1986-），女，山東省濰坊市人，博士（后）、講師，主要從事可持續能源技術研究。endprint
