浅析围护结构水平绿化传热实验及降温效果

1、围护结构水平绿化传热实验研究报告俞晓睿1背景介绍全球能源短缺和气候变暖正日益严重地捆扰着现代社会。尤其在能源消耗密集的大城市，这个问题更加严重。而能源消耗在很大程度上用在了采暖空调设备上。城市中的空调废热又引起环境温度升高，环境温度升高势必要求更多的降温，又造成更多废热使环境温度进一步升高。这样就产生了恶性循环。同时，城市热岛现象的存在使城市全年内温度一般都比周围农村高。其中一个原因，就是城市缺少蒸发表面。我们知道，通过蒸发，大量太阳的辐射热量都可以转化为不引起温度升高的潜热。一种在大城市内增加蒸发表面的方法是在建筑物顶部覆盖上绿色植物。楼宇上的绿色植物可以对周围环境起到降温的作用，还可以减少

2、内部的冷负荷，降低能耗，起到一举两得的作用。2理论依据当白天太阳光照射到楼宇屋顶时，由于覆盖在其上的绿色植被的存在，使建筑物得热减少。因为阳光照射到绿叶表面上，一部分太阳光被叶片反射，一部分被叶片吸收，还有一部分透过叶片之间的空隙射到墙面上。其中被叶片吸收的太阳辐射，从能量平衡角度来看，又被分解为三部分：植物光合作用所需能量；植物呼吸水分蒸腾蒸发所耗能量和植物吸收太阳辐射后叶片温度升高，与墙面、天空辐射换热以及与周围空气对流换热。与无绿叶覆盖的裸露墙面相比，降低建筑物得热是有利的。夜间时，天空背景温度很低，由于叶片位于墙面与天空背景之间，墙面不能直接与天空辐射散热，与无绿叶覆盖的裸露墙面相比，

3、显然叶片增加了散热热阻，这对降低建筑物得热不利。总体而言，相当于整个建筑物热惯性变大，对温度起到削峰填谷的作用。并且由于植物的光合作用和对水分的蒸腾作用，使得一部分太阳辐射没有直接引起温度的升高，而转变为植物的生长所需的能量和环境中的潜热。因而，绿色植物还是起到了降温的效果。整个过程的能量方程如下：植被能量平衡1 R+LR+E+C+OT = 0R(Radiation)太阳辐射被植物吸收的量；LR(Long wave Radiation)植物与环境的互辐射量；E(Evaporation)蒸发作用的潜热量；C(Convection)植物和环境的对流换热量；O(Others)其他，如代谢热、存储的能

4、量，可忽略不计。裸露墙体得热2：q = hout (tf - tw) + aI - QLhout围护结构外表面对流换热系数，W/m2×°C;tf室外空气温度，°C；tw屋顶壁面温度，°C；a屋顶对太阳辐射的吸收率；I太阳辐射的强度，W/m2；QL屋顶与环境的长波辐射换热量，W/m2。其中假设屋顶与周围建筑不存在长波辐射，而只与天空进行长波辐射，则：QL = ews (Tw4- Tsky4)。e w屋顶对长波辐射的吸收率；Tw屋顶壁面温度，K；Tsky有效天空温度，K；s斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.67510-8 (W/m2×K4)。绿色植被覆盖墙体

5、得热：q = hout (tf - tw) + (1 - x) aI - QL hout围护结构外表面对流换热系数，W/m2×°C;tf室外空气温度，°C；tw屋顶壁面温度，°C；x植被在屋顶的覆盖率；a屋顶对太阳辐射的吸收率；I太阳辐射的强度，W/m2；QL屋顶与环境的长波辐射换热量，W/m2。其中假设屋顶与周围建筑不存在长波辐射，而只与天空和植被进行长波辐射，若假设植被完全覆盖，x = 1，则：QL = ews (Tw4- Tplant4)。e w屋顶对长波辐射的吸收率；Tw屋顶壁面温度，K；Tplant植被温度，K；s斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.675

6、10-8 (W/m2×K4)。以上各计算式中，有效天空温度的计算式3如下：Tsky = 0.9Td4-(0.32-0.026) (0.30+0.70S)T041/4Td地表温度，K；T0地面1.5-2.0m处气温，K；ed以毫巴表示的水蒸气分压力，mbar；S日照百分率。这样通过比较，就可以得到植物对建筑物得热的影响。进而推算出所需冷负荷的减少量。3实验描述3.1实验时间和地点测量时间选在2002年春季，天气转暖，太阳辐射增强，对于冷负荷的计算有意义。具体测量时间为2002年5月19日早6：00至20日早6：00。测量当天天气晴好，风力不大。测量的地点应选在屋顶有较好植被覆盖，室内负

7、荷相对波动较小的楼宇。北京市海淀区志新村2号小区2#楼长有较好的爬山虎以供测量。该建筑属六层居民楼，楼层西侧长有爬山虎直至水平屋顶上一米处。3.2实验测量参数和仪器布置1）太阳辐射量测量仪器为MR-3型辐射热计（如图1）。从早六点直晚八点（6：00-20：00）每隔15分钟记录一次。分别记录了阳光直射下和室外阴影下辐射量。2）温度温度的测量采用了Datalogger-CR10X（如图2）。分别在屋顶无爬山虎和屋顶有爬山虎的住户布置一台仪器。测量天花板温度和离天花板一米内（即地面1.6米至天花板）空气温度分布。另外，测量裸露屋顶壁面温度，及屋顶上方0.5米空气温度分布；测量有爬山虎覆盖屋顶壁面温

8、度，及叶片上下垂直温度分布。各测点的布置见图4。但由于住户电力线路故障，因而没有得到屋顶有爬山虎住户的温度分布规律，只好留给今后的实验研究工作了。3）湿度湿度的测量采用同方自计式温湿度计（如图3）。分别在裸露屋顶上方，及爬山虎叶片上方布置两个测点。图1：MR-3型辐射热计 图2：Datalogger-CR10X 图3：同方自计式温湿度计4）风速由于在屋顶人工测量瞬时风速较为困难，加之架设热线风速仪等仪器难于操作，因而就没有在屋顶记录各瞬时风速，而是采用气象部门提供的数据。北京市气象局每隔6小时对北京地区地面上空1.5m处进行一次风速测量。由于楼宇屋顶处高度与地面差别不大，所以近似计算采用这个值

9、不会引起较大误差。4测量结果4.1裸露屋顶温度分布规律图4a：裸露屋顶测点布置分别测量了屋顶及其上温度分布。测量的结果见下图：通过测量可以得到：屋顶壁面平均温度为32.43度，空气平均温度为29.61度。并用多项式拟合出壁面温度随时间的分布函数y = 3020.9x6 - 15280x5 + 30720x4 - 30967x3 + 16141x2 - 4001.9x + 392.46。其中y为摄氏温度，x为时间（以天为单位，例如18：00取作0.75）。可以明显看到壁面温度在一天内基本都比空气温度高，并在下午一点左右达到极大值，且随时间分布类似于三角正余弦函数。空气温度分布也与三角正余弦函数类

10、似，并且达到极大值的时间稍落后于壁面。总体而言空气的温度变化较壁面稍有延迟，且幅度较小。这也验证了空气温度的变化，主要是由阳光照射地面，地面再加热空气引起的。4.2覆盖有爬山虎屋顶温度分布规律图4b：覆盖有爬山虎屋顶测点布置分别测量了爬山虎叶片覆盖下屋顶壁面温度、屋顶上方10、25、40、53cm处的温度。其中10、25 cm处测点在叶片以下，40、53 cm处测点在叶片以上。测量的结果见下图。通过测量可以得到：屋顶壁面平均温度为28.15度，空气平均温度为27.11度。并用多项式拟合出壁面温度随时间的分布函数y = 1701.5x6 - 8377x5 + 16451x4 - 16289x3

11、+ 8406.7x2 - 2082.3x + 215.65。其中y为摄氏温度，x为时间（以天为单位，例如18：00取作0.75）。另外通过图象可以看到：在下午两点左右，爬山虎周围空气温度分布发生变化。之前，测点越靠近屋顶温度越高；之后，越远离屋顶温度越高。这可能是由于空气主要由地面加热而升温引起的。因为太阳辐射正午达到最高，而空气温度下午两点左右才到峰值。换而言之，两点之前测点温度受壁面温度影响较大，主要由壁面加温，因而离壁面越近温度越高；而两点之后则受大气主流空气温度影响较大，主要由主流空气加温，因而离壁面越远温度越高。4.3裸露屋顶住户温度分布规律图4c：裸露屋顶住户温度测点布置分别测量了

12、天花板温度，及距离天花板34、72、92cm处（即离地面2.21、1.83、1.63m）空气温度。测量的结果见下图。通过测量可以得到：天花板平均温度为27.96度，室内空气平均温度为27.16度。并用多项式拟合出壁面温度随时间的分布函数y = -16.264x6 + 71.674x5 - 123.96x4 + 95.071x3 - 20.925x2 - 6.3975x + 29.482；拟合出室内空气温度随时间分布函数y = 36.622x6 - 347.34x5 + 1013.6x4 - 1330.8x3 + 851.88x2 - 249.56x + 52.515。其中y为摄氏温度，x为时间

13、（以天为单位，例如18：00取作0.75）。通过图象可以得看到，天花板温度的变化规律类似于三角正余弦函数，而室内空气的温度由于受人为因素影响较大，因而和三角正余弦函数变化规律有一定差别。但仍可看到天花板温度在夜间两点左右达到极大值，而空气温度则在下午一两点最高。且平均温度低于天花板。这是由于天花板温度主要受屋顶太阳辐射影响，因而温度波的传递发生了衰减和延迟。而室内空气温度的变化则受室外空气温度影响较大。4.4有无爬山虎覆盖屋顶上方空气温湿度变化规律比较测量裸露屋顶上方空气温湿度与爬山虎覆盖屋顶上方空气的结果如下图所示：由以上数据结果可以看出爬山虎上方空气湿度要高于裸露屋顶上方空气湿度，这是由于

14、植物叶片对水分的蒸发蒸腾作用的结果。但就温度而言，日出前至下午一点半左右，爬山虎上方空气温度高于裸露屋顶上方空气温度；下午一点半之后直到第二天日出，叶片上方温度都较低。这就是叶片增大散热热阻的结果。但从给城市降温效果而言，由于有叶片上方空气平均温度为27.84度，低于裸露屋顶上方空气平均温度28.19度，因而，绿化还是有一定降温效果的。4.5辐射量从早六点至晚八点（6：00-20：00）每隔15分钟分别测量直接日照和室外阴影下水平面接收到的太阳辐射量，得到日间直射辐射与散射辐射量之和以及散射辐射量的大小，具体的结果如下图所示。由测量结果可知辐射量明显随太阳高度角的增大而增加。理论还告诉我们，尽

15、管太阳在地平线以下，但散射辐射仍存在，从实验的数据来看，测量的结果没有与之很好的吻合。4.6风速由气象部门提供的风速测量结果如下：5. 数据分析5.1围护结构对温度和得热的影响比较裸露屋顶与天花板温度，可以得到下页“围护结构对温度的影响”数据曲线。通过拟合得到室外屋顶温度的多项式拟合函数y = 3017.4x6 - 15265x5 + 30694x4 - 30945x3 + 16131x2 - 3999.5x + 392.24和室内天花板温度的多项式拟合函数y = -16.356x6 + 72.068x5 - 124.63x4 + 95.654x3 - 21.195x2 - 6.3342x +

16、 29.476。其中y为摄氏温度，x为时间（以天为单位，例如18：00取作0.75）。由此可以明显看到温度波的延迟和衰减。利用测得的楼宇屋顶上下面的壁面温度还可以计算出通过屋顶这一水平围护结构室内的得热量。尽管屋顶有防水层、水泥预制板等多种建材组成，但为计算方便起见，假设屋顶材料均一，热物性均为常数。不妨设屋顶均为水泥砂浆，常温下，其热物性为：密度1800kg/m3，导热系数0.93J/(m·s·K)，比热容0.84kJ/(kg·K)。实测屋顶厚度约为30cm。 根据传热学知识，有常物性、无内热源的一维稳态导热微分方程式为4：。（其中为时间，x为垂直方向屋顶厚度。

17、下同。）通过显式差分将上式离散化可得4 ：t i k+1 = Fo (t i-1 k + t i+1 k) + (1-2Fo) t i k。其中Fo定义为。应用以上知识，若将时间间隔取做60s，屋顶划分为10层，即为0.03m，则，满足收敛条件。将测量的上下壁面温度代入计算可得各节点温度。假设屋顶内各节点初温为起始时刻上下壁面温度的平均值。计算的结果温度随时间变化见下图。可明显看出温度随时间和厚度的变化规律：厚度越深温度波的振幅越小，而峰值出现的时间也越滞后。同时，在不同时刻各层的温度差值也不尽相同。因而，可以定性分析出在温度差值较大的下午，热流密度也相应比较大。由屋顶内部垂直温度分布可推出壁

18、面温度梯度，利用傅立叶导热定律，继而可以定量求出屋顶的热流密度。将温度与热流密度在同一时间轴上作图，可得到：由热流密度与温度的曲线可知，围护结构不仅对温度波有延迟和衰减作用，对热流密度也存在同样的作用。分析室外热流密度，发现热流密度在正午达到极大值，并下午五点左右由正值变为负值。可见，室外屋顶的得热与太阳辐射存在密切关系。在热流密度最大时，辐射量可达800W/m2；而五点时辐射量已迅速降至100 W/m2以下。日落后，屋顶热流为负，表示散热，且数值较为稳定。因为此时，主要的传热是屋顶与天空的长波辐射。且热流密度随时间的变化早于屋顶温度随时间的变化。而通过屋顶至室内天花板的热流则在傍晚七八点钟达

19、到最大，而清晨则最小。（除去温度计算在开始时的非收敛点对热流的影响。）结果会使住户感觉顶楼的房间在下午至傍晚最热，而上午直至中午都比较凉快。5.2植被对屋顶壁面温度的影响及得热的估算通过测量爬山虎覆盖屋顶壁面温度与裸露屋顶壁面温度，得到以下温度随时间变化的“植被对屋顶壁面温度的影响”曲线。拟合出壁面温度随时间的变化关系如下：有爬山虎覆盖屋顶温度y = 1701.5x6 - 8377x5 + 16451x4 - 16289x3 + 8406.7x2 - 2082.3x + 215.65；裸露屋顶温度y = 3020.9x6 - 15280x5 + 30720x4 - 30967x3 + 16141x2 - 4001.9x + 392.46。其中y为摄氏温度，x为时间（以天为单位，例如18：00取作0.75）。对比两屋顶温度，发现有爬山虎覆盖的屋顶温度在日间明显低于裸露屋顶，而在夜间由于叶片阻碍屋顶与天空的长波辐射，裸露屋顶的壁面温度较低。但相对于植被覆盖壁面温度的偏低量仅占日间温度偏高量的20%左右。由此可见，植被对于建筑物的降温还是有利的。位于有爬山虎覆盖房间的测温仪器未能读取到数据，所以对植