植物對綠化屋頂熱工性能影響的模擬研究

徐曉瑩 付海明

東華大學環境科學與工程學院

國家環境保護紡織工業污染防治工程技術中心

0 引言

城鎮化是經濟社會發展的必然選擇，但城鎮化也帶來了一系列問題。如城市熱島、城市內澇等。大力發展城市綠化可以緩解城市熱島效應，且城市綠化率與城市熱島效應成反比[1]。綠化屋頂的應用可以很好的增加城市綠化率，而且綠化屋頂不會占用城市土地使用面積。綠化屋頂還能加強雨水管理，減少雨水徑流，延長屋頂的壽命，提升建筑節能效益[2-4]。研究中表明綠化屋頂可以將通過屋頂的熱量傳輸減小77%[5]。綠化屋頂的表面溫度要比普通屋頂的表面溫度更低，溫度振幅更小[6]。綠化屋頂上植物葉面積指數越大的屋頂溫度越低，緩解潛力更高[7-8]。綠化屋頂可以很好的改善建筑室內熱環境，改善建筑物的能源性能[9-10]。

本文主要就植物對綠化屋頂熱工性能影響的問題采用簡化綠化屋頂建模，用Fluent 軟件模擬探討植物冠層葉面積的指數（LAI）和風速（v）對綠化屋頂的影響。

1 三維綠化屋頂模型及邊界條件

1.1 模型的建立

本文將龐大的綠化屋頂簡化為一個三維的綠化屋頂模塊，在模型的內部添加可定義的植物冠層結構參數，土壤結構，以及屋頂圍護結構，模擬時忽略了土壤潛熱的影響。植物冠層是在微觀尺度上建立的，植物葉片大小是為直徑為3 cm 的近似圓形結構，是氣流不可穿過的實體結構。模型的建立在Auto CAD 中完成的。

當空氣流進和流出植物冠層，植物冠層內的參數會發生變化，為了盡可能準確地了解和分析這種變化，穩定流域，在土壤層上方設置了高度為80 cm 的流域。由于本文研究的主要重點為垂直方向上的參數變化，因此在設計流域時將流域在水平方向上的大小與土壤層和屋面結構層一致。具體模型如圖1 所示。植物冠層的結構參數，本文中指葉面積指數（LAI），是通過改變葉片的大小和數量來控制。根據植物葉片生理形態，模型中葉片角度共有3 種，分別為-30°、0°、30°，分別占比27.6%、40.8%、31.6%。此次共建立了6 個模型，分別為model1（LAI=0.49）、model2（LAI=0.98）、model3（LAI=1.96）、model4（LAI=2.94）、model5（LAI=3.92）、model6（LAI=4.9）。

圖1 綠化屋頂模型圖

1.2 邊界條件

模型主要分為一個流域和兩個固體區域。流域入口的邊界條件設置為速度入口（velocity-inlet），流速分別設為0.05 m/s、0.3 m/s、1 m/s、3 m/s，來流溫度為303.15 K。流域出口的邊界條件設置為壓力出口（pressure-outlet），出口壓力設為0 Pa。流域的前后上面設置成對稱邊界條件（symmetry）。在固體區域中，植物葉片表面和土壤層上表面設置為無滑移邊界條件（wall）。流域空間設為內部條件，土壤層和屋面結構成均設置成固體內部（interior）。其余四周表面設置成對稱邊界條件（symmetry）。屋面下表面設置為wall 邊界，設為對流邊界條件，恒流空氣溫度為26 ℃，表面換熱系數為7.7 W/(m2·K)。葉片溫度根據葉片能量平衡方程計算得到，具體參看表1。

表1 植物葉片溫度

2 數值計算方法

1）輻射模型。在FLUENT 軟件中共包含了5 種輻射模型：DTRM，P1，Rosseland，DO 和S2S。本文既是采用的DO 模型中Solar Ray Tracing 模型，太陽輻射角度為數據庫中上海地區7 月21 日下午13:00 的太陽輻射角度。太陽輻射強度為800 W/m2。

2）工況設置。本文中有6 個模型，分別為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 種風速，分別為0.05 m/s、0.3 m/s、1 m/s、3 m/s。共有24 組數據。

3 結果與分析

根據圖2、圖3 可以看出六種模型中在流場分布上有著相似的變化趨勢，在植物葉片的作用下，使得氣流速度進入植物冠層后逐漸減小。氣流在進入冠層后，在植物葉片后形成渦流區，葉面積指數越大的植物冠層中的渦流越復雜，速度分布也越復雜。距離土壤表面越近的植物冠層，受土壤表面粗糙度的影響，冠層內的風速偏低。氣流在遠離植物冠層的上部流域風速會逐漸趨于穩定，且隨著沿x 方向的流動，x 的值越大，在遠離植物冠層穩定流速所需的z 方向高度越高。葉面積指數越大的植物冠層，在同x 值下，穩定流速所需要的z 方向高度距離越長。

圖2 同風速不同模型中軸線處速度曲線

圖3 不同風速同一模型中軸線處速度曲線

圖4 溫度分布云圖（LAI=2.94，v=1 m/s）

圖4 顯示的model4（LAI=2.94）在風速為v=1 m/s時沿高低方向上溫度分布云圖和土壤上表面的溫度分布云圖。受太陽輻射以及屋頂下表面空氣的影響，在垂直方向上，土壤上表面溫度較高，然后向下溫度逐漸降低。在土壤上表面的溫度分布云圖中可以看出，由于植物層的影響，使得土壤上表面出現了斑點狀的局部低溫或高溫的現象。圖4（b）中y=0 附近的局部高溫是由于太陽輻射角的原因，使得高溫處沒有植物的覆蓋，而直接接受太陽輻射，這都說明了植物層的存在可以更好地對屋頂起到保溫隔熱的作用。

圖5 和圖6 分別表示的是植物冠層的葉面積指數以及風速對綠化屋頂熱環境的影響。由圖可以看出，在太陽輻射強度為800 W/m2時，綠化屋頂整體溫度隨著植物冠層葉面積指數的增大而減小，隨風速的增大而減小。因太陽輻射強度較大時，植物葉片溫度會高于空氣溫度，冠層溫度也高于空氣溫度，此時若風速較大，來流會對冠層和土壤上表面起到降溫作用，使得土壤上表面溫度反而越低。在圖5 中還可以看出，葉面積指數為3.92 和4.9 時，土壤上表面溫度的降低不再明顯，因此可以看出，無限增大植物冠層葉面積指數不能無限降低綠化屋頂的溫度。植物冠層葉面積有一個最優值，在提供最大隔熱降溫效應的同時還不會額外增加屋頂載荷。在圖6 中z=0.4m 處出現了溫度突變點，是由于取點取到了葉片溫度所致，可以看出圖中突變點的溫度值與表1 數值相同。

圖5 不同模型同風速（v=3 m/s）下沿高度方向溫度圖

圖6 不同風速同模型（LAI=2.94）下沿高度方向溫度圖

4 結語

本文為研究植物種植對綠化屋頂的影響，建立了一個簡化的綠化屋頂模型，利用計算流體力學的技術進行數值模擬求解。模擬時利用了太陽輻射模型，模擬在太陽輻射的情況下，不同流速、不同植物冠層葉面積指數時，植物冠層的流場分布以及綠化屋頂的熱表現。研究結果表明葉面積指數（LAI）和風速（v）越大的植物冠層中的渦流越復雜。葉面積指數越大的植物冠層，穩定流速所需要的高度距離越長。植物冠層對綠化屋頂有很好的隔熱降溫作用。綠化屋頂整體溫度隨著植物冠層葉面積指數的增大而減小，隨風速的增大而減小，但植物冠層葉面積指數存在最優值，使得隔熱降溫效果較好的同時，盡可能降低屋頂載荷。