屋頂綠化對室外空氣凈化作用及室內熱舒適影響

席仁靜，狄育慧，鄭　松，劉　洋 （西安工程大學 環境與化學工程學院，陜西　西安　710048）

目前我國屋頂綠化發展很不充分，沒有形成完善的體系，基礎性研究不足。本文結合目前我國霧霾頻發、空氣品質差的實際情況，測試研究了冬季西安地區屋頂綠化空氣的凈化效果，同時探索了屋頂綠化對室內熱環境的影響及其節能意義。

1　冬季綠化屋頂對室外空氣凈化作用

綠化屋頂有一定滯塵效果。近些年，西安地區霧霾越來越嚴重，嚴重威脅到了市民的日常生活和健康。本課題選取了西安市一棟四層商業建筑的綠化屋頂作為研究對象，從10：00～17：00 對其進行了連續測試。

1.1　研究對象建筑簡介

所選擇的對象建筑位于街道旁邊，北面是高層住宅區，南面是臨街商業及住宅建筑群，有一條東西走向的街道，車流量較大，街道對面也是高層商業住宅樓，具體如圖1 所示。

圖1　測試目標建筑位置詳圖

測試的屋頂面積達到 2 900 m2，共布置了 A、B、C共 3 個區 12 個測試點。所用的測試儀器是美國 Me Tone公司的 831 PM2.5 粉塵測試儀，最小測量粒徑為 0.3 μm，精度很高。測試當天有北風和西北風，平均風速為1.1 m/s，受來風影響，屋頂氣流由北向南、從 A 區到 C區流動，同時 C 區測試點在屋頂的南側女兒墻附近，會受到街道上升氣流的影響。因此以屋頂中間 B 區的 4 個測試點數據評價綠化屋頂凈化后的空氣品質；A 區測試點在來風側，測試的數據評價未凈化空氣的質量；C 區測試點的空氣由凈化后的空氣和街道上升氣流混合而成，作為參考。

1.2　測試數據分析

每個時刻以 A 區、B 區、C 區每行 4 個測試點的數據平均值分別作為評價未凈化空氣、凈化空氣、混合空氣的指標，計算所得 PM2.5 和 PM10 的值如圖2、圖3 所示：

圖2　A 區、B 區、C 區各時刻 PM2.5 濃度對比圖

由圖2 可以看出，B 區曲線明顯低于 A 區與 C 區，表明綠化屋頂有一定的凈化空氣效果，C 區的曲線在 A 區與B 區之間，高于 B 區，是因為街道上來往汽車排放的尾氣使街道空氣 PM2.5 濃度較高。對 C 的 4 個測試點測試，數據顯示 C 區側氣流速度在 0.2～0. 9 ms 之間，街道上升的氣流與凈化過的氣流在測試點 C 區附近混合，故 C 區的PM2.5 濃度有一定的提高。在 15∶00 降了大約半小時的小雨(地面微濕)，而 3 個區 PM2.5 濃度有了明顯的降低，由此看來，降雨是提高空氣品質最直接有效的方法。

計算圖2 各個時刻 A 區與 B 區的 PM2.5 濃度的平均值， A 區 PM2.5 濃度平均值為 916.39 μg/m3，B 區為900.06 μg/m3，相差 16.33 μg/m3，PM2.5 濃度降低了1.8%。測試數據顯示綠化屋頂在冬季有一定的空氣凈化能力，但是對重度霧霾天氣來說，改善效果有限，因此治理霧霾關鍵要從源頭治理。

圖3 顯示 B 區的 PM10 的濃度低于 A 區與 C 區，A 區 PM10 濃度平均值為 1 355.26 μg/m3，B 區為1324.12 μg/m3，減少了 31.14 μg/m3，相當于 A 區濃度降低了2.3%。

圖3　A區、B區、C區各時刻PM10濃度對比圖

但是和圖2 對比不同的是，C 區 PM10 的濃度最高，其濃度曲線在 A 區之上，這與街道上升氣流的空氣品質有關。根據參考文獻[1]數據計算，小型汽車尾氣的 PM10 的綜合排放因子是 PM2.5 的綜合排放因子的 1.76 倍，因此受汽車尾氣影響的街道上升氣流的 PM10 的濃度較高，C區的 PM10 濃度就也明顯增高。

1.3　綠化屋頂凈化效果分析

通過對測試數據分析，冬季綠化屋頂 PM2.5 濃度降低了 1.8%， PM10 濃度降低了 2.3%，凈化效果并不理想。原因如下：首先是西安冬季污染嚴重，屋頂植物表面已經滯留大量粉塵，凈化能力已經趨于飽和。其次是冬季多數植物枯萎，使屋頂凈化能力明顯下降。最重要的是綠化屋頂本身的凈化能力有限。綠化屋頂是通過植物的吸附凈化作用滯留粉塵，是一種自然凈化方式，即使花園式綠色屋頂的年滯塵量也很有限。

本次測試是在西安 12 月份霧霾最嚴重的一天，對對象建筑的測試顯示，屋頂周邊的 PM2.5 濃度甚至超過了1 000 μg/m3，而在西安其他地區的測試，PM2.5 濃度基本在 600～850 μg/m3之間，明顯低于對象建筑周邊環境。這與對象建筑所處的具體地理位置有關。對象建筑周圍都是高層建筑，建筑密集，通風不暢，排污能力不足。中間有車流量較大的一條街道，街道兩邊的商業建筑以餐飲業為主，會排放大量的油煙。這都造成對象建筑周圍環境的空氣品質差。這也反映了城市規劃的重要性。在城市規劃中要綜合考慮到建筑性質、建筑用途、建筑布局、建筑室外風場等，尤其在建筑密集的城市中心地區，要結合自然氣候條件創造通風順暢、空氣品質好的室外環境。

2　對室內環境和熱舒適影響

2.1　對室內環境影響

近些年很多學者做了屋頂綠化對建筑室內環境的調節作用的相關研究。例如，西安工程大學的蔣婧通過 Energy Plus 軟件模擬得到了西安地區夏季綠化屋頂與普通屋頂的內表面溫度差最大可達到 1.53 ℃，室內溫度相差可達到1.01 ℃ 的結論[2]。河北工程大學的吳金順通過實際測試發現綠化屋頂與普通屋頂相比，室內屋頂溫度、墻體溫度、門及窗的溫度都有不同程度的降低[3]。屋頂綠化后，室內的溫度 ta、水蒸氣分壓力 pa、室內平均輻射溫度 tr都有一定的改變，顯然室內的熱舒適和空調負荷因此受到影響。

2.2　對室內熱舒適影響

熱舒適是人們對環境的主觀感受，是一個涉及生理學、傳熱學、心理學多學科，年齡、性別、季節、生活環境等多因素影響的復雜的學術問題。Fanger 的 PMV-PPD 指標仍是目前人們普遍認可的基本理論。Fanger 提出的人體熱感覺與人體熱負荷之間的實驗回歸公式如式(1)所示[4]：

式中：M——人體新陳代謝率，W/m2；

W——人體所做的機械功，W/m2；

Pa——人體周圍空氣的水蒸氣分壓力，Pa；

ta——室內環境空氣溫度，℃；——室內平均輻射溫度，℃;

tcl——衣服外表面溫度，℃;

hc——對流換熱系數，W/m2·℃。

由式(1)可以看出，PMV公式中包含了相關的熱舒適變量。前文分析屋頂綠化后，熱舒適也會受到影響，因此以PMV-PPD 指標評價屋頂綠化后室內熱舒適的情況。

在夏季，人們基本穿短褲、T恤等衣服，熱阻一般為0.5 clo。在室內，人們一般為靜坐狀態，對外做功認為 0，人體的能量代謝率選擇為站著休息的值 70 W/m2。測試時門窗緊閉，空氣流速很小，選擇 0.1 m/s。分析吳金順在 7月 20 日、21 日，8 月 18 日 10：00～24：00 的測試數據研究屋頂綠化對室內熱舒適的影響。根據測試的室內溫度、相對濕度等，代入相關公式計算出室內水蒸氣分壓力和平均輻射溫度。根據式(1)運用 Mat lab 編程計算出相應的 PMV值。把 PMV 計算值及其對應的平均室內溫度進行線性回歸分析，得到綠化屋頂和普通屋頂的平均熱感覺 PMV 和室內溫度的關系曲線，如圖4、圖5 所示。

圖4　普通屋頂房間 PMV 與室內溫度的關系曲線

圖5　綠化屋頂房間 PMV 與室內溫度的關系曲線

如圖4 和圖5 所示，兩種屋頂 PMV 與室內溫度的擬合結果為：

普通屋頂房間：PMV=0.3990 t-11.196，R2=0.908 7；

綠化屋頂房間：PMV=0.3908 t-11.140，R2=0.959 7。

相關系數 R2值均大于0.9，表示擬合準確，求出預測的中性溫度分別為 28.06 ℃ 和 28.51 ℃。室內平均溫度分別為 31.72 ℃ 和 30.53 ℃。屋頂綠化不僅降低了室內溫度，而且使中性溫度提高了 0.45 ℃。計算普通屋頂房間的 PMV 平均值為 1.46，綠化屋頂房間的 0.79，降低了45.8%。

ISO 7730 對 PMV-PPD 指標的推薦值為：PPD≤10%，即 -0.5≤PMV≤0.5。則普通屋頂房間的舒適溫度為 26.81 ℃≤ta≤29.31 ℃，綠化屋頂房間的舒適溫度為 27.23 ℃≤ta≤29.79 ℃。綠化屋頂房間的舒適溫度明顯高于普通房間。以上分析證明，屋頂綠化降低了室內溫度，增加了濕度，提高了中性溫度，極大改善了室內的熱環境，提高了舒適度。

3　屋頂綠化節能分析

前文分析了屋頂綠化后，降低室內溫度，同時提高了中性溫度，計算得到屋頂綠化建筑的室內空氣溫度與室內中性溫度差值為 2.02 ℃，而一般屋頂為 3.66 ℃。根據參考文獻[5]，選取維護結構內表面換熱系數為 8.7 W/(m2·℃),分別以中性溫度作為室內溫度，根據各圍護結構內表面的溫度，計算得到普通屋頂的圍護結構熱負荷為 3 161.17 W，綠化屋頂的維護結構熱負荷為 1 080.65 W，降低了65.8%。

根據式(1)，在影響人體熱舒適的變量中，人們可以實現改變和影響，并且技術手段比較成熟的是對溫度和風速的控制。可以通過遮陽、隔熱、立體綠化等多種技術實現室內溫度和平均輻射溫度的小幅度降溫，可以通過自然通風、風扇等實現對風速在一定范圍內的控制。在屋頂綠化的基礎上，研究室內風速提高至 0.5 ms 和室內溫度降低 1 ℃、輻射溫度降低 0.5 ℃ 兩種情況下，室內的熱環境狀況，并分析節能效果。擬合得到的 PMV 與室內溫度的關系如圖6 和圖7 所示。

圖6　室內風速 0.5 m/s 時屋頂綠化房間 PMV 與室內溫度關系曲線

如圖6 所示，擬合關系為：

PMV=0.662 2 t-20.364，R2=0.985 3。

相關系數 R2＞0.9，證明擬合準確。求得中性溫度為30.75 ℃，根據 ISO 7730 對 PMV-PPD 推薦指標，房間的熱舒適溫度范圍為 30 ℃≤ta≤31.91 ℃，而綠化屋頂室內的平均溫度為 30.53 ℃，所以此時房間已經滿足舒適性要求，不需要使用空調。

圖7　室內溫度降低 1 ℃、輻射溫度降低 0.5 ℃時屋頂綠化房間 PMV 與室內溫度關系曲線

如圖7 所示，擬合關系為：

PMV=0.253 2 t-7.140，R2=0.907 8。

相關系數 R2＞0.9，證明擬合比較準確。求得中性溫度為 28.2 ℃，據 ISO 7730 對 PMV-PPD 推薦指標，房間的熱舒適溫度范圍為 26.22 ℃≤ta≤30.17 ℃。選取維護結構內表面換熱系數為 8.7 ,根據各圍護結構內表面的溫度，分別以中性溫度作為室內溫度，計算得到此時綠化屋頂房間的維護結構熱負荷為 872.42 W。在屋頂綠化基礎上，若室內溫度再降低 1 ℃、平均輻射溫度降低 0.5 ℃，室內圍護結構熱負荷又降低了 19.3%。

以上的分析表明了屋頂綠化可以降低室內的溫度和平均輻射溫度，提高相對濕度及其穩定性，使室內環境更加舒適，且提高了中性溫度，而以中性溫度為室內溫度計算，節能效果非常可觀。在圖8 中統計普通屋頂、綠化屋頂、降低室內溫度 1 ℃ 及降低平均輻射溫度 0.5 ℃、室內風速為 0.5 m/s 的綠化屋頂 4 種狀況(對應圖中系列系列 1、系列 2、系列 3、系列 4)的圍護結構熱負荷和室內平均 PMV 值，分析屋頂綠化對室內熱舒適的影響，探究節能技術方案。

圖8　四種情況下圍護結構熱負荷和室內平均 PMV 值分布圖

如圖8 所示，系列 1 和系列 2 的對比反映了屋頂綠化既能提高室內的熱舒適，又降低了圍護結構熱負荷，節能效果明顯。當通過立體綠化、隔熱等措施使室內溫度降低 1℃，平均輻射溫度降低 0.5 ℃ 時，熱舒適有了進一步的改善，如系列 3。當綠化屋頂的室內風速提高到 0.5 m/s 時，各個時刻的 PMV 平均值達到 -0.15，室內已經滿足舒適要求，不需要空調制冷。

以上分析顯示了屋頂綠化是很有效的被動式節能方案，可以降低室內溫度，從而降低空調負荷，減少空調費用。同時，室內風速對室內環境的熱舒適影響很大，可以通過自然通風，改善室內氣流組織，提高舒適性。在夏季室外溫度較高時，可以采取風扇和空調結合的方式改善室內環境。當通過立體綠化及其他隔熱方案降低室內溫度和平均輻射溫度時，也會改善室內環境的舒適性，相應減少空調負荷。

4　結　語

屋頂綠化可以降低室內溫度、平均輻射溫度，增加濕度和提高中性溫度，從而改善房間的熱舒適性，減少維護結構的空調負荷。屋頂綠化雖然不能根本改善目前西安市霧霾頻發、空氣污染嚴重的情況，但是對空氣仍有一定的凈化作用，可以改善空氣的品質。西安市治理霧霾關鍵要從源頭治理，同時在城市規劃中要注意建筑的風環境，建筑密集、通風不暢往往使污染物聚集，嚴重影響空氣品質。

參考文獻：

[1]徐偉嘉,李紅霞, 黃建彰,等.佛山市機動車尾氣顆粒物PM2.5的排放特征研究[J]. 環境科學與技術,2014(03)：152-158+173.

[2] 蔣婧. 綠色建筑屋頂的被動式蒸發冷卻技術研究[D].陜西西安：西安工程大學,2013.

[3]吳金順. 屋頂綠化對建筑節能及城市生態環境影響的研究[D].河北邯鄲：河北工程大學,2007.

[4]朱穎心,張寅平,李先庭 等.建筑環境學[M].3版. 北京：北京建筑工業出版社,2010.

[5]賀平,孫剛,王飛,吳華新.供熱工程(第四版) [M].4版. 北京：北京建筑工業出版社,2009.