不同構造模式下屋面輕型植被模塊的熱特性研究

【摘要】本文主要研究了四種屋面輕型植被模塊（50厚佛甲草植被模塊、100厚佛甲草植被模塊、150厚佛甲草植被模塊和50厚無蓄排水板佛甲草植被模塊）的熱特性。結果表明：隨種植土厚度的增加，輕型植被模塊的隔熱性能變好，散熱性能卻惡化；通過對植被模塊底面溫度、底面傳熱熱流及升降溫速率的對比分析可以得出，100厚佛甲草植被模塊的種植土厚度最佳，輕型植被模塊的最佳含濕量為25.9%左右。

【關鍵詞】輕型生態屋面植被模塊；隔熱性能；散熱性能；對比測試

0 引言

近年來，輕型植被屋面的隔熱性能和生態環境效應引起了國內外學者的廣泛重視。日本學者S.Onmura[1]對種植土厚80mm植被屋面進行了研究，結果表明：白天植被屋面外表面溫度能夠從未設置植被的屋面60℃減少到30℃；趙定國[2]對基質厚30～50mm的綠化屋頂進行了研究，結果表明：綠化屋頂能有效降低屋面夏季高溫16℃以及室內溫度2℃；唐鳴放等人[3]在重慶對土層厚100mm的綠化屋頂做了對比試驗研究，結果顯示：屋頂綠化對降低屋頂內表面最高溫度效果非常顯著，降低平均溫度效果稍差，熱天氣有綠化屋頂內表面對空氣的總平均增溫量為無綠化屋頂的1/4左右。

本實驗建立了模擬輻射環境下的對比實驗平臺，主要從種植土厚度這一因素進行研究，以期獲得在模擬輻射環境下植被模塊的最佳種植土厚度，為植被模塊的構造優化提供理論支持。

1 實驗測試系統及方法

1.1 實驗測試系統

實驗測試系統由實驗測試模塊、支架以及測試儀器組成。四種實驗測試模塊分別為： 50mm厚有蓄排水板佛甲草植被模塊（以下簡稱模塊A）、100mm厚有蓄排水板佛甲草植被模塊（以下簡稱模塊B）、150mm厚有蓄排水板佛甲草植被模塊（以下簡稱模塊C）和50mm厚無蓄排水板佛甲草植被模塊（以下簡稱模塊D）。模塊構造及各參數測點布置如圖1所示。支架尺寸：長×寬×高為2000mm×2000mm×900mm。

圖1 模塊構造及各參數測點布置

實驗測試儀器分別為：采用PC-2WS多通道溫濕度檢測儀進行環境參數采集；模擬輻射采用4盞額定功率為1000W鹵素燈，其輻射照度采集采用JTBQ-S2太陽輻射強度測試儀；采用JTRG-Ⅱ型建筑熱工溫度與熱流自動監測儀測量模塊各部分溫度及傳熱熱流；采用HC-TSY型土壤水分監測儀和高精度電子臺秤測量模塊含濕量。

1.2 實驗測試方法

本實驗于2012/6/17～2012/7/10對不同構造模式下屋面輕型植被模塊的熱特性進行了研究分析。將4種實驗測試模塊置于相同的測試環境中，控制模擬輻射照度及模塊初始含濕量，連續加熱測試8個小時（8：30～16：30），散熱16個小時（16：30～次天8：30），從各模塊底面溫度、底面傳熱熱流、升降溫速率、含濕量等方面對比分析各模塊的熱特性。

2 測試結果及分析

2.1 環境濕球溫度和太陽輻射

2012年6月21日～25日濕球溫度波動范圍為27.9℃～28.9℃，太陽輻射強度的波動范圍為212.5W/m2～231.5W/m2。濕球溫度在28.0℃～28.7℃之間波動，模擬太陽輻射強度在216.0W/m2～225.5W/m2之間波動。表明實驗測試期間環境工況基本相同，可以進行不同構造模式下模塊的熱特性分析。

2.2隔熱性能分析

（1）與模塊B底面平均溫度38.4℃相比，模塊A平均增溫值為6.7℃，模塊D平均增溫值為2.5℃。從平均溫度效應來看，各模塊隔熱性能排序如下：模塊B>模塊C>模塊D>模塊A。模塊B和模塊C的平均隔熱效應基本接近，而模塊A的平均隔熱效果最差。出現這一現象的原因是由于隨著模塊種植土厚度的增加，模塊蓄熱能力隨之增大，從而使其底面平均溫度減小。

（2）與模塊D底面平均溫度40.9℃相比，模塊A平均增溫值為4.2℃。說明模塊A（構造模式：25mm蓄排水板+25mm種植土）的隔熱性能劣于模塊D（構造模式：50mm種植土）。

2.3傳熱熱流分析

（1）與模塊B平均傳熱熱流3.2W/m2相比，模塊A平均熱量增值為5.5 W/m2，模塊D增值為2.2 W/m2 。從平均傳熱熱流來看：模塊A>模塊D>模塊B、模塊C。從這一結果也可以解釋2.2中各模塊底面平均溫度的差異，原因是由于隨著種植土厚度的增加，模塊蓄熱占總輻射換熱的比例增大，從而使其穿過模塊的傳熱隨之減小。

（2）在加熱的初始階段模塊A傳熱熱流的上升速率遠遠大于其它三種模塊；與此同時各模塊傳熱熱流進入相對穩定的時間排序為模塊A（1h）<模塊D（5h）<模塊B、模塊C（7.5h）。說明種植土厚度的增加可以有效的減少及延緩傳熱熱流。

2.4 含濕量與升溫速率

（1）在相同的實驗測試工況下（濕球溫度27.9℃～28.9℃，輻射強度212.5W/m2～231.5W/m2）模塊C的升溫速率較模塊B低0.114～0.157℃/h，較模塊D低0.436～0.623℃/h。從升溫速率效用來看，各模塊的隔熱性能：模塊C最優，模塊B其次，模塊D最差。

（2）各模塊升溫速率η隨基質含濕量的變化規律大致相同：當模塊基質含濕量小于25.9%時，η隨含濕量的增大而減小；當模塊基質含濕量大于25.9%時，η隨含濕量的增大而增大。

2.5散放熱性能分析

（1）在實驗測試工況下（濕球溫度27.0℃～28.0℃）隨著模塊種植土厚度的增加底面溫度的最小值逐次增大。最小值與模塊A相比，模塊B增加0.9℃，模塊C增加2.7℃。說明隨著種植土厚度的增加，模塊的散熱性能逐漸惡化。

（2）降溫速率模塊A最快，模塊B次之，模塊C最慢；與升溫速率相似，模塊降溫速率在含濕量25.9%附近出現轉折，當模塊含濕量在15.2%～25.9%時，降溫速率隨含濕量的增大而增大；當模塊含濕量在25.9%～39.0%時，隨其增大而減小。即屋面輕型植被模塊的最佳含濕量為25.9%左右。

3 結論

（1）在實驗測試工況（濕球溫度28.0℃～28.7℃，輻射強度216.0W/m2～225.5W/m2）下加熱階段隔熱性能：模塊A最差，模塊D其次，模塊B與模塊C最好。各模塊底面溫度與模塊B相比，模塊A高6.7℃，模塊C高0.4℃，模塊D高2.5℃。

（2）在實驗測試工況（濕球溫度27.7℃～28.7℃）下散熱階段散放熱性能：模塊A最佳，模塊B其次，模塊C最差。說明隨著種植土厚度的增加，模塊散熱性能隨之惡化。與隔熱性能相結合可以得出屋面輕型植被模塊的最佳種植土厚度為75mm（即模塊B）。

（3）模塊基質含濕量小于25.9%時，升溫速率隨含濕量的增加而減小，降溫速率隨之增大；含濕量大于25.9%時，升溫速率和降溫速率都會隨之惡化，從而影響模塊的熱特能。

參考文獻

[1] 楊晚生 郭開華等. 模塊化植被屋面隔熱性能的實驗測試分析[J]. 新型建筑材料， 2011 （2）：34-37.

[2] 郭旭詩. 廣州佛甲草種植屋面對室內熱環境的影響研究[D]. 廣州： 華南理工大學學位論文， 2008.