复合式种植屋面研究分析

黎毅 杨晚生＊ 何金达

（广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州 510006）

2018 年建筑运行能耗占建筑总能耗的46.6%[1]，用于消除因建筑屋顶传热带来的能耗约占其20%～40%，且在持续增长中。对于单层建筑而言，屋面是建筑物接受太阳辐射的主要围护结构，夏季室内冷负荷有超过50%均来自建筑物屋面，因此，提高建筑屋面隔热性能，降低因屋面传热带来的建筑运行能耗，对于减少建筑全寿命周期能耗和实现可持续发展具有重要的作用和意义。

1 种植屋面的研究现状

种植屋面是降低屋面传热的一种重要方式，种植屋面不占用城市土地资源，其通过在建筑屋顶设置一定厚度的土壤基质，有选择性地种植绿植，既增加了城市绿化面积，又减缓了城市热岛效应，是一种将绿化与建筑相结合的生态屋面。

种植屋面对雨水的蓄积和净化有着重要的作用。相比于普通屋面，其可通过种植植物及土壤基质的水分蒸发和滞留作用，削减63%的雨水径流，减少暴雨期的地表径流，同时，种植屋面能够对天然雨水进行净化，净化率可达40%。除对雨水的蓄积和净化外，种植屋面还可利用蒸发冷却效应减少室外向室内的热量传递。种植层植被和土壤基质层内含有水分，水分蒸发能够为屋面带来降温效果，从而降低了夏季空调的制冷能耗。

有研究者在意大利南部进行了种植屋面的相关实验和测试，结果表明：种植屋面的表面平均温度较裸露屋面低12℃[2]。Santamouris 等[3]研究了种植屋面对多层建筑及顶层房间热环境的影响，结果表明：种植屋面能够降低6%～33%的夏季总冷负荷，顶层房间的冷却负荷能够减少27%～87%。唐鸣放等[4]实验测试结果表明种植屋面可降低室内空气平均温度25%。Permpituck 等[5]分别研究了10cm 和20cm 土壤层厚度的种植屋顶热工性能，结果表明：与裸露屋顶相比，10cm 和20cm 的土壤层厚度的种植屋顶热流密度分别降低了59%和96%。Tsang[6]和Scharf 等[7]对土壤层的厚度进行了测试研究，得出了12cm、20cm和30cm 土壤层厚度下种植屋面的导热系数，分别为0.944W/m2·K、0.649W/m2·K 和0.299W/m2·K，测试结果表明：屋面的隔热性能随土壤层厚度的增加而增加。Wong[9]研究发现种植屋面隔热性能将随着植被覆盖率的提高而增强，种植灌木丛比种植草皮及草本植物的节能效果要好，相比于普通屋面，其节能效果达79%。Zhou 等[10]采用LAI（即叶面积指数法）分析了种植屋面的温度和热流值，随着LAI 常数的增大，建筑冷负荷的需求在逐渐减少，其主要原因是植被的蒸散作用和遮荫作用。Garcia 等[11]利用模拟结果表明：建筑顶层内表面温度与太阳辐射呈正比，太阳辐射对建筑物内温度的影响约为70%。孙乐祥等[13]模拟了不同气候区的种植屋面能耗夏季广州地区、重庆地区和北京地区的种植屋面比裸露最大可分别减少10.5%、12.8%和11.2%的空调制冷能耗，全年能耗最大节能率分别为8.66%、14.05%和10.48%。

由于白天太阳辐射强度大，种植屋面将积蓄热量，并在在夜间散热，但是，其散热效率较低，屋面底部温度较高，室内热量无法通过屋面进行散热，不能够有效降低夜间室内的温度。

黄旭林[15]针对单一种植屋面存在夜间散热慢的缺点，对其结构进行了改造，提出了一种将种植屋面与通风蓄水相结合的复合式种植屋面，并对其进行了实验测试，结果表明：复合式种植屋面既能够有效提高屋面的散热能力，又能够增强传统种植屋面的蓄水能力，为建筑屋面隔热的发展提供了新的探索方向。

2 复合式种植通风屋面传热模型

复合式种植屋面是将传统种植屋面与架空自然通风相结合的屋面系统，复合式通风种植屋面模式示意图如图1 所示。

图1 复合式种植通风屋面构造图

复合式种植屋面的传热传质主要受室外环境参数、土壤参数、植物覆盖率等多种参数的影响，可分为植被和土壤表面与室外环境的传热传质过程、土壤层的导热、土壤底部与空气的对流传热过程、土壤底部和屋面的辐射传热过程。

基于模型的传热传质原理，屋面的传热过程如图2 所示。

图2 复合式种植通风屋面热平衡示意图

为简化种植层的传热传质计算方法，并达到合理的传热综合模型，提出以下假设：

③坑塘基础设施建设长期以来实行“国家建、集体管、群众用”的模式，出现政府责任主体缺位和农民责任意识缺失，产生产权不清，国家、集体、农民三者之间职责不清，导致建、管、用脱节，农民不愿意投资投劳弥补主体缺位。

（1）假设种植层植被覆盖均匀，且植被的光合作用和蒸腾作用小，可相对于整体传热可忽略；

（2）模型侧面设置保温层，侧面传热量可忽略不计，仅考虑植被层-土壤层-架空层-屋面的垂直传热。

在复合式种植屋面处于能量平衡时，根据热力学第一定律，可通过图2 建立复合式种植通风模块的热平衡方程：

式中：qsr为模块植被和土壤吸收的太阳辐射传热量，W/m2；qlr为模块表面的吸收的大气长波辐射，W/m2；qem为模块表面的长波辐射散热传热量，W/m2；qe为模块表面蒸发传热量，W/m2；qsc为模块表面的对流换热传热量，W/m2；qss为模块土壤层蓄热传热量，W/m2；qbr为模块土壤层底部与屋顶表面的辐射传热量，W/m2；qb为模块底部导热传热量，W/m2；

模块表面吸收的太阳辐射热流qsr可通过式（2）计算：

式中：σf为植被覆盖率；Isolar为太阳辐射强度，W/m2；αs为土壤短波辐射吸收率。

模块表面吸收的大气长波辐射热流qlr可通过式（3）计算：

式中：Ilr为大气长波辐射强度，W/m2；σ 为stefen-boltxman常数，5.67W/（m2·K）。

式中：hc为模块植被与空气的对流换热系数，W/（m2·K）；tp和ta分别是植被温度和空气温度，℃。

模块土壤底部的对流换热热流qsc可以通过式（7）计算：

式中：hb为模块土壤底部与空气的对流换热系数，W/ （m2·K）；tb和ta分别是土壤底部温度和空气温度，℃。

模块土壤层底部与蓄水表面的辐射传热热流qbr可以通过式（7）计算：

式中：tbs和t 分别是土壤层底部温度和架空层空气温度，℃；ε1和ε2分别是土壤层底部发射率和蓄水层表面发射率；A1和A2分别是土壤层底部和蓄水层水面面积，m2；X1，2为土壤层底部和蓄水层水面的角系数。

3 复合式种植通风屋面实验研究

本次实验设置在广东省广东工业大学某教学楼楼顶，该地属于夏热冬暖地区亚热带季风气候，对广州夏季进行连续实验测试（2021 年7 月-8 月）。复合式种植通风屋面自上而下构造设置为100mm 韭菜、120mm 种植层、20mm 陶粒层、10mm 耐根穿刺层、20mm 格栅支撑层、200mm 架空层和10mm 防水层。种植屋面设置为120mm 种植层、20mm 陶粒层、10mm 耐根穿刺层和10mm 防水层。同时设置裸露屋面作为对比实验。

3.1 室外环境参数

选取夏季晴天的7 月27 日的实验结果进行分析，室外空气温度和太阳辐射强度绘制如图3。

图3 室外空气温度和太阳辐射强度逐时变化曲线图

通过图3 可知室外空气温度与太阳辐射强度具有正相关，但最大温度值出现时间相比于太阳辐射最大值延迟180min。太阳辐射强度最大值为670W/m2，空气温度最大值为39.7℃，平均温度为33.6℃。

3.2 底部温度对比分析

对三种实验屋面的数据进行分析，整理并绘制如图4。

从图4 可以看出裸露屋面的温度最高，复合式种植通风屋面底部温度最低。根据实验数据可得出裸露屋面的底部温度平均温度为43.1℃，温度波动为27.1℃。复合式种植通风屋面的底部温度为30.3℃比种植屋面底部温度降低了6℃，温度波动减少了3℃。同时，复合式种植通风屋面底部温度最大值（32.0℃）比种植屋面和裸露屋面分别减少8.8℃和28.3℃。峰值出现时间相比于最大太阳辐射（12：50）延迟290min，比种植屋面峰值延迟170min。

图4 测试屋面底部温度变化曲线图

3.3 隔热性能对比分析

通过图5 可得复合式种植通风屋面的总传热热流81.21W/m2，比种植屋面和裸露屋面减少105.6W/m2和226.0W/m2，平均值减少了56%和74%。

图5 测试屋面传热热流的逐时变化曲线图

4 结论

随着城市化的发展，建筑节能越来越受到重视，本文通过文献调研和实验对以下几个方面进行了研究：

4.1 综述了种植屋面的降温节能效果，分析了土壤层厚度及其含水量、植物覆盖遮阳、气候环境差异等多方面因素的影响。

4.2 分析了复合式种植通风屋面的传热模型，得出采用种植屋面与通风相结合的方式，植被和土壤层的遮阳降温作用和屋面受到的太阳辐射作用，加强了夜间屋面的对流通风散热，提高了夜间屋面散热能力。

4.3 通过实验测试分析，复合式种植通风屋面底部温度比种植屋面和裸露屋面降低了8.8℃和28.3℃。同时降低温度峰值，减少白天室外向室内传递的热量，起到很好的隔热降温作用。