不同屬性蓄水屋面的氣候適用性研究

李寧

（河南科技大學(xué)建筑學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023）

不同屬性蓄水屋面的氣候適用性研究

李寧

（河南科技大學(xué)建筑學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023）

借助風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)控制實(shí)現(xiàn)多種溫濕度氣候條件，分別研究50、100、150 mm三種深度的蓄水屋面及具有0、5%、10%水面反射物覆蓋率的蓄水屋面在不同工況條件下的被動(dòng)蒸發(fā)換熱狀況，通過(guò)熱濕特性參數(shù)的分析探討兩者的氣候適用性。結(jié)果顯示：低溫中濕（25℃、60%）和中溫低濕（30℃、40%）環(huán)境下，100 mm深蓄水池具有較強(qiáng)適用性；低溫高濕（25℃，80%）和中溫中濕（30℃，60%）環(huán)境下，蓄水深度與蒸發(fā)降溫效果關(guān)聯(lián)性較弱。水面設(shè)置反射物在低溫（25℃）和高溫（35℃）環(huán)境均有助于降低空調(diào)負(fù)荷，且高溫時(shí)較大覆蓋率效果更顯著。

蓄水屋面；被動(dòng)蒸發(fā)冷卻；適用性；風(fēng)洞；熱濕特性參數(shù)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加劇，隨之而來(lái)的“熱島效應(yīng)”、“溫室效應(yīng)”等問(wèn)題已刻不容緩。建筑作為能耗大戶，必須積極尋求有效的人與自然和諧發(fā)展之路，因此，各種“綠色”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，而被動(dòng)式手段為各國(guó)學(xué)者廣泛認(rèn)同并大力提倡。蓄水屋面便是其中一項(xiàng)，它利用水體的被動(dòng)蒸發(fā)冷卻特性達(dá)到改善室內(nèi)熱舒適和降低建筑能耗的目的。韓如冰等[1]針對(duì)陶粒混凝土蓄水屋面磚內(nèi)部最佳蓄水深度進(jìn)行了探討；還有對(duì)蓄水池中低發(fā)射率材料最佳設(shè)置位置的研究[2]；有專門針對(duì)600 mm深蓄水屋面展開的深入討論[3]；也有對(duì)多種屋頂水池被動(dòng)冷卻系統(tǒng)熱傳遞狀況的比較分析[4-5]；有通過(guò)獲得淺層敞開式蓄水屋面典型季節(jié)的蒸發(fā)換熱系數(shù)和換熱變化規(guī)律的實(shí)測(cè)研究[6]；也有對(duì)帶有水面遮蔽物的屋面蓄水池的蒸發(fā)冷卻效應(yīng)進(jìn)行的理論分析和計(jì)算[7]。

可見，各國(guó)學(xué)者的研究范圍相當(dāng)廣泛，但對(duì)蓄水屋面自身屬性，諸如蓄水深度、水面反射性物質(zhì)覆蓋率及水面污染程度等方面的氣候適用性缺乏關(guān)注。本文嘗試對(duì)前兩類問(wèn)題略作探討，實(shí)驗(yàn)研究多種溫濕度環(huán)境條件下不同水深和不同水面反射體覆蓋率蓄水屋面的熱濕傳遞過(guò)程，通過(guò)比較分析，歸納出與不同氣候條件相適宜的蓄水池深度及覆蓋率。

1 實(shí)驗(yàn)

本研究利用華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中的風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)開展。該風(fēng)洞通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射等4個(gè)參數(shù)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)所需的各種穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)環(huán)境條件?，F(xiàn)行有效的風(fēng)洞控制參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果見表1，總體控制精度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)各環(huán)境參數(shù)控制精度表

屋面蓄水池深度一方面關(guān)系到屋面荷載，另一方面影響著被動(dòng)蒸發(fā)冷卻效果，因此合理選擇蓄水深度尤為重要。本實(shí)驗(yàn)將自來(lái)水盛于不銹鋼金屬槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)工況水樣本均現(xiàn)取現(xiàn)用，不重復(fù)利用。選擇平面尺寸為400 mm×400 mm，高度分別為50、100和150 mm的3種實(shí)驗(yàn)槽。為防止實(shí)驗(yàn)中金屬槽受到輻射燈加熱升溫，進(jìn)而與水體產(chǎn)生熱量交換影響蒸發(fā)，在槽底部及周邊用擠塑乙烯板密封絕熱，見圖1。實(shí)驗(yàn)設(shè)定了4種工況：低溫中濕（25℃，60%）、低溫高濕（25℃，80%）、中溫低濕（30℃，40%）、中溫中濕（30℃，60%），每個(gè)工況同時(shí)放入2種不同深度的水試件測(cè)試。

圖1 絕熱實(shí)驗(yàn)槽

研究水面反射體是從工程實(shí)際問(wèn)題著眼，研究中淺色漂浮物由剝離的塑料泡沫顆粒代替，擯棄那些不規(guī)則形，從中挑選出完整的多面球體顆粒用于實(shí)驗(yàn)，見圖2。將它們按照粒徑分為大中小3組，每組任意抽取10粒，進(jìn)而求得10個(gè)的平均值來(lái)代表該組的粒徑，則大中小3組粒徑依次為7.08、5.98和4.18 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)3組按1∶1∶1的數(shù)量比例撿取。該組實(shí)驗(yàn)設(shè)定6種環(huán)境工況：低溫低濕、低溫中濕、低溫高濕、高溫低濕、高溫中濕、高溫高濕。反射體覆蓋率水平3個(gè)：0、5%和10%。每個(gè)工況同時(shí)放入2種不同覆蓋率的水試件測(cè)試。

圖2 塑料泡沫顆料

2 結(jié)果與分析

從減少室內(nèi)得熱量角度，應(yīng)選取試件下表面熱流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因其直接反應(yīng)流入流出室內(nèi)的熱流量多少，同時(shí)決定與室內(nèi)輻射換熱的大小。試件下表面熱流采用平板熱流計(jì)測(cè)量。規(guī)定熱流從上往下傳遞為正，反之，從下往上為負(fù)。

2.1 不同水深的氣候適用性

本組實(shí)驗(yàn)探討不同蓄水深度的適用性。環(huán)境溫度設(shè)定25、30℃兩檔；濕度40%、60%、80%三檔；風(fēng)速為0.5～3.0 m/s；輻射為0～800 W/m2。

2.1.1 低溫中濕

圖3為低溫中濕（25℃、60%、0.5～1.5m/s、0～400W/m2）環(huán)境下100和150 mm試件的熱流變化。結(jié)果表明，兩者差別顯著。150 mm深的熱流方向始終向下，熱流傳向室內(nèi)，而100 mm深的熱流方向基本始終向上，熱流從室內(nèi)往外傳。從波動(dòng)程度來(lái)看，前者波動(dòng)較小，熱流在0.6～3.7 W/m2；后者波動(dòng)劇烈，熱流在-19.8～0.7 W/m2。說(shuō)明對(duì)于低溫中濕環(huán)境，水層太深反而不利于屋面降溫，而水層淺一些雖然熱流波動(dòng)較大，但能夠保證熱量向外流動(dòng)，可有效帶走室內(nèi)熱量，故100 mm深度具有較好適用性。

圖3 低溫中濕不同深度水試件下表面熱流曲線

2.1.2 低溫高濕

圖4為低溫高濕（25℃、80%、1.5～3.0m/s、400～800W/m2）條件下50和150 mm試件的熱流變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩者傳熱方向一致，均為由室外傳向室內(nèi)，且熱流波動(dòng)范圍也相近，前者為0.8～3.4 W/m2；后者略大，為0.6～3.6 W/m2。波動(dòng)頻率上，實(shí)驗(yàn)初期50 mm深水槽的波動(dòng)較慢，后期逐漸與150 mm深水槽接近。因此，從實(shí)驗(yàn)結(jié)論來(lái)看，水層淺一點(diǎn)或深一點(diǎn)的蓄水池在低溫高濕環(huán)境下適用性相當(dāng)，結(jié)合實(shí)際情況考慮，蓄水層下一般為實(shí)體屋面材料，淺水池可能會(huì)被太陽(yáng)輻射穿透直接加熱屋面，因此，深一點(diǎn)可有效避免輻射透射。

圖4 低溫高濕不同深度水試件下表面熱流曲線

2.1.3 中溫低濕

圖5為溫低濕（30℃、40%、0.5～1.5 m/s、400～800 W/m2）環(huán)境下50和100 mm試件的熱流變化。由圖5可以看出，50 mm深的熱流方向始終向下，熱流傳向室內(nèi)，100 mm深的熱流方向隨時(shí)間而變，整體波動(dòng)情況較50 mm深的試件明顯，在每個(gè)波動(dòng)周期中，大部分時(shí)間熱流向室外傳遞，少部分時(shí)間熱流向室內(nèi)傳遞。到了實(shí)驗(yàn)后期，大約6.5 h之后，熱流開始保持向下，并有逐漸增大的趨勢(shì)，亦即100 mm深的水槽當(dāng)水還較深時(shí)，熱流以向室外傳遞為主，隨蒸發(fā)進(jìn)行水層變淺，熱流逐漸改為向室內(nèi)傳遞。因此，總體來(lái)看，在及時(shí)補(bǔ)水的情況下，100 mm深的試件在中溫低濕條件下更具有降溫優(yōu)勢(shì)。

圖5 中濕低濕不同深度水試件下表面熱流曲線

2.1.4 中溫中濕

圖6為中溫中濕（30℃、60%、1.5～3.0m/s、400～800W/m2）條件下50和150 mm試件的熱流變化情況。由圖6可以看出，兩者的熱流基本都圍繞3.5 W/m2波動(dòng)，主體差別不大，但波動(dòng)狀態(tài)有所不同。50 mm淺水層的波動(dòng)稍小，熱流在2.4～4.6 W/m2；而150 mm深水層的波動(dòng)稍大，熱流在1.6～4.6 W/m2。因此，總體來(lái)看，對(duì)于中溫中濕的情況水層深淺影響不大。

2.2 不同水面反射體覆蓋率的氣候適用性

本組實(shí)驗(yàn)關(guān)注漂浮于水面的反射體不同覆蓋率的氣候適用性。環(huán)境溫度設(shè)定25、35℃兩檔；濕度40%、60%、80%三檔；風(fēng)速為0.5～3.0 m/s；輻射為0～800 W/m2。

2.2.1 低溫低濕

低溫低濕（25℃、40%、0.5～3.0 m/s、0～800 W/m2）工況下，干凈水面和覆蓋率為5%的水面比較，前者在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，傳熱方向先向外后向內(nèi)，而后者基本均為向外傳遞，雖然熱流波動(dòng)相對(duì)較大，但能保證熱量不傳向室內(nèi)。因此，在低溫低濕環(huán)境條件下，蓄水面設(shè)置少量的淺色漂浮物能夠有效減少室內(nèi)得熱量，有利于獲得更好的室內(nèi)熱環(huán)境。

2.2.2 低溫中濕

低溫中濕（25℃、60%、0.5～1.5 m/s、0-400 W/m2）工況下，覆蓋率為5%和10%的水面蒸發(fā)情況差異顯著，5%覆蓋率的內(nèi)表面熱流值為負(fù)值，熱流始終向外傳遞，但熱流波動(dòng)較明顯，而10%覆蓋率的內(nèi)表面熱流值雖波動(dòng)較小，但始終為正值，熱流一直向室內(nèi)流動(dòng)。因此，對(duì)于低溫中濕情況來(lái)說(shuō)，漂浮物覆蓋率不宜大。

2.2.3 低溫高濕

低溫高濕（25℃、80%、1.5～3.0 m/s、400～800 W/m2）工況下，潔凈水面和10%覆蓋率水面內(nèi)表面熱流均為由外向內(nèi)傳遞，波動(dòng)情況也很類似，潔凈水面波動(dòng)范圍略小，可見，水面潔凈與存在一定淺色漂浮物時(shí)在低溫高濕環(huán)境下對(duì)傳熱的影響不大。

2.2.4 高溫低濕

高溫低濕（35℃、40%、1.5～3.0 m/s、0～400 W/m2）工況下，潔凈水面與5%覆蓋率水面的蒸發(fā)降溫效果相比，前者內(nèi)表面熱流波動(dòng)較小，方向恒定，由外向內(nèi)傳遞。后者實(shí)驗(yàn)最初1 h內(nèi)波動(dòng)較大，熱流方向?yàn)橛蓛?nèi)往外傳遞，之后反向，變?yōu)橄騼?nèi)傳遞，但傳遞的熱流量一直少于潔凈水面?？梢?，在高溫低濕條件下，蓄水屋面設(shè)置少量淺色漂浮物有利于減少向室內(nèi)的傳熱量。

2.2.5 高溫中濕

高溫中濕（35℃、60%、0.5～3.0 m/s、400～800 W/m2）工況下，5%和10%覆蓋率水面在蒸發(fā)過(guò)程中兩者內(nèi)表面熱流均為正值，熱量均由室外傳向室內(nèi)，但前者的熱流值始終大于后者，且波動(dòng)較大。因此，在高溫中濕條件下，水面覆蓋較多淺色漂浮物可以有效降低傳入室內(nèi)的熱量。

2.2.6 高溫高濕

高濕高濕（35℃、80%、0.5～1.5 m/s、0～800 W/m2）工況下，潔凈水面和10%覆蓋率水面的實(shí)驗(yàn)研究顯示，潔凈水面內(nèi)表面熱流波動(dòng)有主導(dǎo)方向的變化，開始以向外傳遞為主，后變?yōu)橄騼?nèi)傳遞；而10%覆蓋率的水面一直保持內(nèi)外交替的傳熱方向，且向外傳遞的熱量多，向內(nèi)傳遞的熱量少，可見，在高溫高濕條件下，10%淺色漂浮物覆蓋率的蓄水屋面更具降溫優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

蓄水屋面自身屬性的不同影響著被動(dòng)蒸發(fā)冷卻效果，蓄水深度和水面是否設(shè)置反射物及其覆蓋率都值得深入探討。從工程實(shí)際出發(fā)，尤其需要考慮適用于不同地區(qū)夏季室外氣候條件的屬性特征。本文在環(huán)境溫度分別為35、30、25℃與環(huán)境相對(duì)濕度80%、60%、40%的多種組合中，研究得到如下結(jié)論：

（1）低溫中濕和中溫低濕環(huán)境下，100 mm深蓄水池既不過(guò)分增加屋面荷載，又能有效減少進(jìn)入室內(nèi)熱量，因而具有較強(qiáng)適用性；低溫高濕和中溫中濕環(huán)境對(duì)蓄水池的深度選擇并不挑剔，可以結(jié)合其它因素綜合考慮決定。

（2）無(wú)論低溫還是高溫環(huán)境，水面設(shè)置淺色反射體一般均對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的營(yíng)造產(chǎn)生積極作用，尤其高溫條件，反射物覆蓋率相對(duì)大些效果更顯著。

[1]韓如冰，徐志茂，卿玉濤，等.蓄水深度對(duì)蓄水屋面冬季保溫效果的影響研究[J].制冷與空調(diào)，2015，29（5）：502-504.

[2]Artemisia Spanaki，Dionysia Kolokotsa，Theocharis Tsoutsos，et al. Theoretical and experimental analysis of a novel low emissivity water pond in summer[J].Solar Energy，2012，86（11）：3331-3344.

[3]羅世武.多功能剛性深蓄水屋面[J].建筑技術(shù)，1985（5）：5-8.

[4]Ayyoob Sharifi，Yoshiki Yamagata.Roof ponds as passive heating and cooling systems：A systematic review[J].Applied Energy，2015，160：336-357.

[5]Danyal Sabzi，Pegah Haseli，Mehdi Jafarian，et al.Investigation of cooling load reduction in buildings by passive cooling options applied on roof[J].Energy and Buildings，2015，109：135-142.

[6]楊晚生，鐘桃麗，郭黃歡，等.淺層敞開式蓄水屋面的蒸發(fā)換熱特性研究[J].新型建筑材料，2013（6）：40-44.

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Study on the climate applicability of different attributes of water-ponding roof

LI Ning
（School of Architecture，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，China）

With wind tunnel laboratory control to achieve various temperature and humidity conditions，three kinds of roof reservoir deep about 50，100，150 mm and water surface reflector coverage about 0，5%，10%of roof reservoir were studied respectively.The climate applicability of both was discussed by analyzing the thermal and moisture parameters.Results showed that under the environment of low temperature moderate humidity（25℃、60%）and moderate temperature low humidity（30℃、40%），100 mm deep reservoir has strong applicability；And in low temperature high humidity（80%）and moderate temperature and humidity environment（30℃，60%），water depth and evaporation cooling effect correlation was weak.On the other hand，set water surface reflector in both low temperature（25℃）and high temperature（35℃）environment are all helpful to reduce air conditioning load，and larger coverage has more significant influence on high temperature condition.

water-ponding roof，passive evaporation cooling，applicability，wind tunnels，thermal and moisture parameters

TU111.2

A

1001-702X（2016）07-0068-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51208182）

2015-12-03

李寧，女，1982年生，河南洛陽(yáng)人，副教授，博士研究生，主要研究建筑熱環(huán)境與節(jié)能方向。