屋頂綠化內(nèi)表面溫度夏季測量資料的熱免疫性分析

屋頂綠化內(nèi)表面溫度夏季測量資料的熱免疫性分析

0屋頂綠化熱概念建筑物的防護結(jié)構(gòu)對外表面的外層熱的影響具有一定的熱強度，表明內(nèi)部表面溫度的變化范圍小于室外，變化時間比室外短。不同的材料,熱惰性不同,一般重質(zhì)材料熱惰性強,內(nèi)表面溫度的變化幅度小、延遲時間長,建筑上常利用這種特性進行隔熱設(shè)計。屋頂綠化后,增加了吸收水分和蒸發(fā)水分的能力,伴隨著水分相變,屋面對太陽輻射的作用不是完全被動抵抗,而是主動吸收消化,實現(xiàn)太陽能的良性轉(zhuǎn)化,達到生態(tài)化。因此,研究屋頂綠化的熱惰性特點、內(nèi)表面溫度對太陽輻射的反應變化幅度和延遲時間,對于生態(tài)建筑技術(shù)的開發(fā)和利用有十分重要的作用。屋頂綠化內(nèi)表面溫度是隔熱的重要指標,過去進行的研究是基于夏季典型氣候日的隔熱要求,測試僅限于夏季連晴幾天。實際夏季氣候并非是周期性的典型氣候日,而且屋頂綠化的熱反應還要受降雨的影響,因此內(nèi)表面溫度不是一種簡單的日周期反應。下面以重慶某通風屋頂綠化內(nèi)表面溫度夏季測量數(shù)據(jù)為例,進行熱惰性統(tǒng)計分析。1測量時間及方法被測試的通風屋頂由厚180mm的屋面、厚600mm的通風層以及厚150mm的樓板構(gòu)成,屋面面積約100m2,其中有50m2左右的屋面覆土長草,自然生長,種植土約為厚100mm的沙土。溫度測點分別布置在通風層中有綠化和無綠化屋面的內(nèi)表面,分別用t和t′表示,見圖1,數(shù)據(jù)自動采集間隔為1h,太陽輻射強度q、氣溫ta等氣候參數(shù)同步測量。測量時間為2005年4月30日～9月30日,共計3600h。屋面對實際氣候變化的衰減性和延遲性采用對比分析法和相關(guān)分析法。通風屋面內(nèi)表面溫度受氣溫影響大,難以確定屋面對室外熱作用波動的衰減倍數(shù),因此采用處于相同通風環(huán)境下的有、無綠化屋面內(nèi)表面溫度峰谷差(即最高溫度與最低溫度之差)相比較的方法說明屋面綠化對室外氣候波動的相對衰減性。由于屋面的熱惰性,室外熱作用的變化在內(nèi)表面的反應會有時間延遲,如果熱作用在內(nèi)表面的反應延遲時間為τh,則將反應曲線向前移動τh就會與熱作用曲線有最好的相關(guān)性,見圖2。反過來,可以通過逐時向前移動反應曲線使其與熱作用曲線相關(guān)性達到最大來確定延遲時間,即算出下式(1)相關(guān)系數(shù)隨時間τ的變化,找出達到最大相關(guān)系數(shù)的時間τ。R(τ)=R(x,y)=∑x(k)y(τ+k)∑x2(k)√∑y2(k)√(1)R(τ)=R(x,y)=∑x(k)y(τ+k)∑x2(k)∑y2(k)(1)式中,x——熱作用逐時參數(shù);y——內(nèi)表面反應逐時參數(shù)。用實測的太陽輻射強度與氣溫的最大相關(guān)性找出氣溫對于太陽輻射強度的延遲時間為3h,與實際基本相符,說明這種方法確定延遲時間是合理的。2時間間隔的波動特性2.1屋頂綠化時對室外氣候波動的衰減度記△t和△t′為有綠化和無綠化屋面內(nèi)表面溫度峰谷差,則△t/△t′反映屋面綠化后內(nèi)表面溫度波動幅度相對于無綠化時的比率,該比率越小,說明屋面綠化對室外氣候波動的衰減性越大。在實際氣候中,有、無綠化屋面的衰減比率不是定值,以6～9月數(shù)據(jù)統(tǒng)計,平均衰減比率為0.51,即屋面綠化后對室外氣候波動的衰減度提高了近一倍。各月平均衰減比率見表1,可見太陽輻射量越大,綠化屋面的衰減性越好,從而隔熱效果越好。2.2太陽輻射和降雨蒸發(fā)令tsa表示室外綜合溫度(其中外表面太陽輻射吸收系數(shù)取0.9,換熱系數(shù)取23W/(m2·K)),則有、無綠化屋面內(nèi)表面溫度與室外綜合溫度的相關(guān)系數(shù)R(tsa,t)和R(tsa,t′)的變化見圖3,最大相關(guān)系數(shù)分別為0.60(有綠化屋面)和0.79(無綠化屋面),延遲時間分別為3h(有綠化屋面)和5h(無綠化屋面)。由于架空層自然通風,因此屋面內(nèi)外兩側(cè)的氣候差異主要在于外側(cè)有太陽輻射和降雨蒸發(fā)的作用,對于無綠化的屋面,由于有隔水、隔汽的防水面層保護,因此可以忽略降雨對內(nèi)表面溫度的影響,而將內(nèi)表面溫度相對于氣溫的增溫(t′-ta)看成是由太陽輻射作用引起的。而對于有綠化的屋面,內(nèi)表面溫度相對于氣溫的增溫(t-ta)還應與降雨蒸發(fā)有關(guān)。有、無綠化屋面內(nèi)表面溫度相對于氣溫的增溫與太陽輻射強度的相關(guān)系數(shù)R(q,t-ta)和R(q,t′-ta)的變化見圖4,這種情況相關(guān)系數(shù)由負變正,最大負相關(guān)系數(shù)分別為-0.70(有綠化屋面)和-0.51(無綠化屋面),時間分別為2h(有綠化屋面)和0h(無綠化屋面);最大正相關(guān)系數(shù)分別為0.44(有綠化屋面)和0.63(無綠化屋面),延遲時間分別為15h(有綠化屋面)和11h(無綠化屋面)。這說明太陽輻射在內(nèi)表面上引起的反應比較緩慢。白天,當太陽輻射增強時,內(nèi)表面升溫速度不及空氣,因此內(nèi)表面溫度反而會低于氣溫,尤其是綠化屋面,在太陽輻射作用2h左右內(nèi)表面溫度達到低于氣溫的極點,而且太陽輻射越強,內(nèi)表面溫度越比氣溫低。夜間,屋面蓄熱使內(nèi)表面降溫速度不及空氣,因此內(nèi)表面溫度會高于氣溫,這種情況最有可能發(fā)生在太陽輻射作用后15h(有綠化屋面)和11h(無綠化屋面)。從最大相關(guān)系數(shù)來看,有綠化屋面內(nèi)表面溫度變化受太陽輻射影響小于無綠化屋面,這與實際相符。3日平均波動特性3.1有、無綠化屋頂內(nèi)表面平均溫度峰谷對比實際夏季氣候并非是周期性的典型氣候日,各種氣候參數(shù)的日平均值都是變化的,因此屋面內(nèi)表面溫度的日平均值也是變化的,圖5是實測期間150多天屋面內(nèi)表面平均溫度,可以看到有、無綠化屋面內(nèi)表面平均溫度也有峰谷變化,而且有綠化屋面內(nèi)表面平均溫度峰谷差明顯小于無綠化屋面。將圖5中屋面內(nèi)表面平均溫度的10個峰谷畫出,得到峰谷圖6。用有、無綠化屋面內(nèi)表面平均溫度峰谷差之比表示綠化屋面對日平均熱作用的相對衰減性,由峰谷圖6得到峰谷差之比為0.43～0.71,見圖7,平均峰谷差比值為0.58。比較上面討論過的情況,綠化屋面對室外氣候日平均值波動的衰減性比對室外氣候逐時值波動的衰減性稍差。3.2逐時平均溫度逐時變化規(guī)律從上面的討論,屋面內(nèi)表面溫度對室外熱作用的反應延遲時間最多15h,因此以24h為步長討論屋面內(nèi)表面平均溫度對室外平均熱作用的反應延遲時間是無意義的,下面構(gòu)造逐時平均溫度,以小時為步長討論平均熱反應對平均熱作用的延遲時間。令:T(n)=124∑k=124t(k+n),T1(n)=124∑k=124t′(k+n)(2)Τ(n)=124∑k=124t(k+n),Τ1(n)=124∑k=124t′(k+n)(2)其中,T、T′——有綠化屋面和無綠化屋面內(nèi)表面溫度逐時平均值,℃;同理Tsa、Ta、Q——分別為室外綜合溫度、氣溫、太陽輻射強度的逐時平均值。如果溫度變化是周期性的,那么其逐時平均溫度應該是固定值,實際氣候是準周期性的,因此逐時平均溫度應該變化較為緩慢,這種變化由室外逐時平均熱作用所引起。圖8是內(nèi)表面溫度與室外綜合溫度的相關(guān)系數(shù)R(Tsa,T)和R(Tsa,T′),最大相關(guān)系數(shù)分別為0.74(有綠化屋面)和0.84(無綠化屋面),延遲時間分別為24h(有綠化屋面)和14h(無綠化屋面),可見以平均值而論,綠化屋面內(nèi)表面對室外綜合熱作用反應緩慢。圖9是屋面內(nèi)表面相對于氣溫的增溫與太陽輻射強度的相關(guān)系數(shù)R(Q,T-Ta)和R(Q,T′-Ta),無綠化屋面內(nèi)表面溫度增溫與太陽輻射強度的最大相關(guān)系數(shù)為0.79,延遲時間為24h,而有綠化屋面內(nèi)表面溫度增溫在30h以內(nèi)與太陽輻射強度呈負相關(guān),最大負相關(guān)系數(shù)為-0.58,時間為0。即以平均值而論,綠化屋面內(nèi)表面溫度相對于氣溫的變化與太陽輻射強度變化同步但不同方向,無綠化屋面內(nèi)表面溫度相對于氣溫的變化與太陽輻射強度變化同方向但不同步。4延遲時間的確定1)對于綠化屋面在整個夏季氣候作用下的熱惰性,提出了采用有、無綠化屋面內(nèi)表面溫度峰谷差相比較的方法表示衰減性,還提出了用內(nèi)表面溫度與室外熱作用參數(shù)相關(guān)系數(shù)達到最大來確定延遲時間的方法;2)草地式綠化屋面對室