廣州地區(qū)冷屋面和種植屋面隔熱節(jié)能效果的對比測試研究
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周 荃，吳培浩，蘇 斌
（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州510500）
[摘要]為研究冷屋面和種植屋面在廣州地區(qū)的實(shí)際隔熱和節(jié)能效果，選定廣州市區(qū)某辦公樓頂層3間相同條件的房間進(jìn)行實(shí)測。測試結(jié)果表明，冷屋面和種植屋面均能有效降低屋面外表面溫度，夏季9月份外表面最高溫度分別最多可降低13.5 ℃和26.3℃，冷屋面可晝夜持續(xù)降溫，而種植屋面外表面溫度穩(wěn)定；兩者均能大大降低屋面內(nèi)表面最高溫度、溫度振幅
和熱流密度，總的來說，種植屋面的隔熱效果要優(yōu)于冷屋面；兩者平均日節(jié)電量分別為0.9 kW .h和1.2 kW .h，房間空調(diào)節(jié)能率分別為18.6 %和23. 9%，種植屋面節(jié)能效果優(yōu)于冷屋面。
[關(guān)鍵詞]冷屋面；種植屋面；隔熱；節(jié)能；測試[中圖分類號(hào)] TU11 1.4+1
0 引 言
廣州地處我國夏熱冬暖地區(qū)，該地區(qū)氣候特點(diǎn)決定了建筑節(jié)能以建筑防熱為主。冷屋面是將具有高反射率和高發(fā)射率特性的材料用于屋面上，通過反射屋面的太陽能，降低屋面外表面溫度，從而減小建筑頂層房間夏季空調(diào)負(fù)荷，起到隔熱和節(jié)能的作用。種植屋面是在屋面上種植植被，通過植被遮蔽直接太陽輻射、土壤及植被水分蒸發(fā)散熱、植物光合作用消耗太陽輻射和土壤蓄熱，減少進(jìn)入房間的熱量，達(dá)到隔熱和節(jié)能的效果。兩者均具有隔熱效果，是適宜廣州地區(qū)氣候特點(diǎn)且最容易推廣使用的兩種節(jié)能型屋面。
國內(nèi)外針對2種屋面的全年節(jié)能效果的量化研究多以模擬計(jì)算或從測試結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行推算。由于屋面隔熱和節(jié)能實(shí)際效果與氣候關(guān)系緊密，因此重點(diǎn)關(guān)注廣州地區(qū)的實(shí)測研究。在冷屋面的實(shí)測研究方面，廣州地區(qū)多見于輕質(zhì)屋面。例如沈輝和譚洪衛(wèi)研究發(fā)現(xiàn)，廣州地區(qū)工廠倉庫建筑屋面涂覆熱反射涂料后，室內(nèi)平均輻射溫度可降低3.1℃，七月空調(diào)節(jié)電量約為3. 45kW．h/m2。針對種植屋面的測試研究，多是與普通屋面或傳統(tǒng)屋面對比。如郭兵通過對廣州一例種植屋面與通風(fēng)屋面的一天的對比測試，指出種植屋面相對通風(fēng)屋面的隔熱效率是1.69，節(jié)約空調(diào)能耗約29%。
目前，在廣州地區(qū)還沒有針對冷屋面和種植屋面的對比測試。本文以廣州市某辦公樓為測試對象，開展對冷屋面和種植屋面的現(xiàn)場測試，對比研究兩者在廣州氣候條件下的隔熱和節(jié)能的實(shí)際效果。
1測試方案
1.1 實(shí)測對象
本次實(shí)驗(yàn)測試選定廣州市天河區(qū)某辦公樓屋面層作為實(shí)測場址。該辦公樓與附近建筑間距較大，周邊無高大喬木遮擋，周圍環(huán)境對實(shí)測結(jié)果的無影響。選取頂層建筑朝向、尺寸構(gòu)造、室內(nèi)熱源布置均一致的3個(gè)房間（黑屋面、冷屋面和種植屋面，其中黑屋面為基準(zhǔn)屋面），如圖1、圖2（房間屋面位置如虛線）所示。
辦公樓朝向大體上為南北朝向，3間測試房間長、寬、高分別為3. 80 mx4. 00 m×3.50 m;3間測試房間不相鄰，位于3種屋面下的中間部分，且與相鄰非測試房間分隔墻體做隔熱處理；房間內(nèi)均設(shè)有外窗，外窗（鋁合金推拉窗）寬、高分別為3. 45 m×1. 80 m，面積為6.21m2。原屋面構(gòu)造從外向內(nèi)下依次為30 mm細(xì)石混凝土面磚、20 mm聚合泡沫隔熱板、30 mm水泥砂漿、防水層、120 mm鋼筋混凝土樓板、20 mm水泥砂漿。本次測試的黑屋面選用的黑色涂料（太陽反射比0. 056，發(fā)射率0.89）；冷屋面選用實(shí)際工程中容易實(shí)施的熱反射隔熱涂料（太陽光反射比0. 893，半球發(fā)射率0.87）；綠化屋面選用了重量輕、本地植物且不需要獨(dú)立灌溉依靠自然降雨即可維護(hù)的翠玲瓏草坪種植模塊（葉面積指數(shù)約為3. 53）。
3個(gè)測試房間內(nèi)空調(diào)均選用格力分體掛壁式房間空調(diào)器(型號(hào)為KFR-35GW/( 35570) Aa.3，COP為3. 28），測試時(shí)空調(diào)設(shè)定溫度為26 0C。實(shí)測過程中室內(nèi)不設(shè)人員，照明燈具和辦公設(shè)備等均不開啟。
1.2 實(shí)測儀器
本次實(shí)測用實(shí)驗(yàn)儀器主要有：溫度傳感器、太陽總輻射表、熱流傳感器、用電監(jiān)測儀、數(shù)據(jù)采集儀等，參數(shù)見表1所示。
1.3 測試布點(diǎn)
本次實(shí)測主要參數(shù)有室外空氣溫度，太陽輻射強(qiáng)度，種植屋面、黑屋面與冷屋面的內(nèi)、外表面溫度，屋面的導(dǎo)熱熱流密度，室內(nèi)空氣溫度及空調(diào)耗電量。以上數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)監(jiān)測，時(shí)間間隔為5min。
1)室外空氣溫度：測點(diǎn)共2個(gè)，均布置在距離屋面0.75 m處的陰涼通風(fēng)處；2）太陽輻射強(qiáng)度：測點(diǎn)共1個(gè)，測點(diǎn)距屋面1.1 m;3）室內(nèi)空氣溫度：取房間對角線2個(gè)三等分點(diǎn)作為測點(diǎn)，3個(gè)房間共6個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)距地面1.5 m;4）屋面內(nèi)外表面溫度：均布置在室內(nèi)空氣溫度測點(diǎn)的正上方投影的位置，共12個(gè)測點(diǎn)（其中內(nèi)、外表面各6個(gè)）；5）屋面的導(dǎo)熱熱流密度：每個(gè)屋面中心均設(shè)1個(gè)，共3個(gè)；6）空調(diào)耗電量：每個(gè)房間1個(gè)，共3個(gè)。
2 外表面降溫效果分析
連續(xù)監(jiān)測廣州夏季（2015年9月1日至9月30日）3種屋面外表面溫度，測試期間3個(gè)房間室內(nèi)空氣溫度均在26℃左右波動(dòng)，各房間溫差不超過0.5℃。全月（有效數(shù)據(jù)共26日）3種屋面逐日外表面最高溫度如圖3所示。
從圖3可看出，黑屋面外表面最高溫度隨著室外天氣變化波動(dòng)最大（圖中較低值處均為陰天或雨天），種植屋面波動(dòng)最小，冷屋面介于兩者之間；不論天氣如何，種植屋面降溫效果均優(yōu)于冷屋面；3種屋面外表面最高溫度逐日數(shù)據(jù)分析如表3所示，冷屋面與種植屋面的降溫效果與室外天氣直接相關(guān)，室外氣溫越高太陽輻射越大，降溫效果越明顯；相比黑屋面，冷屋面和種植屋面外表面最高溫降溫全月平均值分別為9.3℃和19.4 ℃，最大值分別可達(dá)
13.5 ℃和26.3℃，可見，種植屋面降溫效果優(yōu)于冷屋面。
選取夏季晴好天氣的9月4日作為典型天進(jìn)行分析，逐時(shí)數(shù)據(jù)如圖4所示。
由圖4可知，室外太陽輻射強(qiáng)度隨著時(shí)間的推移，雖然局部有較大波動(dòng)，但整體上呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；室外空氣溫度變化趨勢同太陽輻射強(qiáng)度一致，時(shí)間有所延遲；太陽輻射最大值為1 072. 18 W/m2 (13：05)，室外氣溫最大值為36.5℃(15：40)。
屋面外表面溫度隨著時(shí)間的推移，整體隨太陽輻射強(qiáng)度的變化呈先增大后減小的變化趨勢；黑屋面波動(dòng)波幅最大(31.9℃)，種植屋面波動(dòng)最小(4.4℃)且小于室外氣溫波幅(10.9℃)，冷屋面介于兩者之間(22.3℃)；冷屋面全天外表面溫度始終低于黑屋面，降溫幅度在0. 45~10.4℃之間；在7：00前，種植屋面高于黑屋面，冷屋面和黑屋面均低于室外氣溫，7:00后隨著氣溫上升和太陽輻射增強(qiáng)，種植屋面始終保持最低且低于室外氣溫。
3 隔熱效果分析
屋面的隔熱效果重點(diǎn)分析內(nèi)表面最高溫度、溫度波幅的衰減和熱流隔熱效率。同時(shí)，隔熱效果重點(diǎn)考慮在最不利條件下（即高溫高輻射）的效果，因此選取晴好天氣作為典型天分析。
3.1 內(nèi)表面最高溫度及振幅分析
選取夏季晴好天氣的9月4日作為典型天進(jìn)行分析，逐時(shí)數(shù)據(jù)如圖5所示。
如圖5中所示，3個(gè)測試房間屋面內(nèi)表面溫度趨勢圖，屋面內(nèi)表面溫度隨著時(shí)間的推移，呈先小后大波動(dòng)趨勢，相較室外氣溫均有所延遲，波幅黑屋面大于白屋面大于綠化屋面。晴天時(shí)，黑屋面、冷屋面、種植屋面內(nèi)表面溫度如表4所示，黑屋面與冷屋面、種植屋面之間內(nèi)表面溫差分別為4.46 ℃、7.87℃，對應(yīng)降溫率分別為12. 9%、22.3%�？梢�，廣州夏季典型天氣下，種植屋面比冷屋面對內(nèi)表面的降溫效果好。
如表4所示，冷屋面和種植屋面均增強(qiáng)了屋面的隔熱性能，大大降低了屋面內(nèi)表面溫度受室外氣溫變化的影響。晴天時(shí)，相對黑屋面，振幅分別降低了51. 3%和90.8%。尤其是種植屋面，溫度波動(dòng)很小。
3.2熱流分析
典型晴天時(shí)3個(gè)測試房間屋面導(dǎo)熱熱流密度隨時(shí)間變化的趨勢圖如圖6所示。分析有太陽輻射的時(shí)段(8:00～18:00)，數(shù)據(jù)分析見表5，相對黑屋面，冷屋面和種植屋面熱流密度最大值分別降低了27.4%和83. 2%，平均值分別降低了33.8%和88. 4%．振幅降低了20. 6%和81. 8%。
黑屋面，按平均值計(jì)算，冷屋面和種植屋面的隔熱效率分為33. 8%和88. 4%。
4 節(jié)能效果分析
3個(gè)房間2015年9月份的空調(diào)逐日耗電量(9月份共24 d有效數(shù)據(jù))如圖7所示，從總體趨勢看，黑屋面耗電量最高，種植屋面最低，冷屋面介于兩者之間，接近種植屋面；累計(jì)全月耗電量、日均耗電量及相對節(jié)能率分析如表6所示�？梢钥闯觯鄬谖菝�，冷屋面和種植屋面的房間日均節(jié)電分別為0.9 kW. h和1.2 kW .h電，節(jié)能率分別為18. 6%和23. 9%．種植屋面節(jié)能效果優(yōu)于冷屋面。
其中，晴好天氣的典型天3個(gè)測試房間逐時(shí)能耗(8：00～18：00)如圖8所示。從圖8中可以看出，空調(diào)逐時(shí)耗電量呈逐步增大趨勢，在16：00達(dá)到最大。經(jīng)累計(jì)，黑屋面、冷屋面、種植屋面房間在8：00 - 18：00時(shí)間段內(nèi)耗電量分別為6. 61 kW．h、5.27 kW .h、4.97 kW．h，冷屋面、種植屋面節(jié)電量分別為1.34 kW·h、1. 64 kW．h，節(jié)能率分別為20. 3%、24.8%。
對比圖6，耗電量與熱流變化趨勢基本一致。但，相對黑屋面，耗電減少率遠(yuǎn)小于平均熱流降低率，可見，房間的外窗得熱對能耗的影響很大。
5 結(jié) 論
通過對廣州地區(qū)兩種易于推廣使用的冷屋面（白色熱反射涂料）和種植屋面（輕型免維護(hù)種植模塊）的隔熱和節(jié)能效果的實(shí)測分析，結(jié)果表明：
1)冷屋面和種植屋面對外表面均有良好的降溫效果，夏季全月監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，外表面最高溫降低最大分別可達(dá)13.5℃ 和26.3℃；種植屋面熱穩(wěn)定性好，外表面溫度波動(dòng)很小，夏季典型晴天僅4.4℃且始終低于室外氣溫；冷屋面對外表面的降溫具有持續(xù)性，夏季典型晴天全天降溫幅度在0. 45~10.4℃之間。
2)冷屋面和種植屋面均增強(qiáng)了屋面的隔熱性能，典型夏季晴天，內(nèi)表面最高溫度分別降低4. 46℃、7. 87 ℃，且大大降低了屋面內(nèi)表面溫度的波動(dòng)，振幅分別降低了51.3%和90. 8%。尤其是種植屋面，溫度波動(dòng)很小，幾乎不變；熱流密度平均值分別降低了33. 8%和88. 4%．隔熱效率分為33. 8%和88. 4%。可見，種植屋面隔熱效果優(yōu)于冷屋面。
3)空調(diào)電耗監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，冷屋面和種植屋面的房間日均節(jié)電分別為0.9 kW .h和1.2 kW .h電，節(jié)能率分別為18. 6%和23. 9%，種植屋面節(jié)能效果優(yōu)于冷屋面。
