屋頂綠化對(duì)室外空氣凈化作用及室內(nèi)熱舒適影響

席仁靜，狄育慧，鄭　松，劉　洋 （西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西　西安　710048）

目前我國(guó)屋頂綠化發(fā)展很不充分，沒(méi)有形成完善的體系，基礎(chǔ)性研究不足。本文結(jié)合目前我國(guó)霧霾頻發(fā)、空氣品質(zhì)差的實(shí)際情況，測(cè)試研究了冬季西安地區(qū)屋頂綠化空氣的凈化效果，同時(shí)探索了屋頂綠化對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響及其節(jié)能意義。

1　冬季綠化屋頂對(duì)室外空氣凈化作用

綠化屋頂有一定滯塵效果。近些年，西安地區(qū)霧霾越來(lái)越嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅到了市民的日常生活和健康。本課題選取了西安市一棟四層商業(yè)建筑的綠化屋頂作為研究對(duì)象，從10：00～17：00 對(duì)其進(jìn)行了連續(xù)測(cè)試。

1.1　研究對(duì)象建筑簡(jiǎn)介

所選擇的對(duì)象建筑位于街道旁邊，北面是高層住宅區(qū)，南面是臨街商業(yè)及住宅建筑群，有一條東西走向的街道，車流量較大，街道對(duì)面也是高層商業(yè)住宅樓，具體如圖1 所示。

圖1　測(cè)試目標(biāo)建筑位置詳圖

測(cè)試的屋頂面積達(dá)到 2 900 m2，共布置了 A、B、C共 3 個(gè)區(qū) 12 個(gè)測(cè)試點(diǎn)。所用的測(cè)試儀器是美國(guó) Me Tone公司的 831 PM2.5 粉塵測(cè)試儀，最小測(cè)量粒徑為 0.3 μm，精度很高。測(cè)試當(dāng)天有北風(fēng)和西北風(fēng)，平均風(fēng)速為1.1 m/s，受來(lái)風(fēng)影響，屋頂氣流由北向南、從 A 區(qū)到 C區(qū)流動(dòng)，同時(shí) C 區(qū)測(cè)試點(diǎn)在屋頂?shù)哪蟼?cè)女兒墻附近，會(huì)受到街道上升氣流的影響。因此以屋頂中間 B 區(qū)的 4 個(gè)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)綠化屋頂凈化后的空氣品質(zhì)；A 區(qū)測(cè)試點(diǎn)在來(lái)風(fēng)側(cè)，測(cè)試的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)未凈化空氣的質(zhì)量；C 區(qū)測(cè)試點(diǎn)的空氣由凈化后的空氣和街道上升氣流混合而成，作為參考。

1.2　測(cè)試數(shù)據(jù)分析

每個(gè)時(shí)刻以 A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)每行 4 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)平均值分別作為評(píng)價(jià)未凈化空氣、凈化空氣、混合空氣的指標(biāo)，計(jì)算所得 PM2.5 和 PM10 的值如圖2、圖3 所示：

圖2　A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)各時(shí)刻 PM2.5 濃度對(duì)比圖

由圖2 可以看出，B 區(qū)曲線明顯低于 A 區(qū)與 C 區(qū)，表明綠化屋頂有一定的凈化空氣效果，C 區(qū)的曲線在 A 區(qū)與B 區(qū)之間，高于 B 區(qū)，是因?yàn)榻值郎蟻?lái)往汽車排放的尾氣使街道空氣 PM2.5 濃度較高。對(duì) C 的 4 個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試，數(shù)據(jù)顯示 C 區(qū)側(cè)氣流速度在 0.2～0. 9 ms 之間，街道上升的氣流與凈化過(guò)的氣流在測(cè)試點(diǎn) C 區(qū)附近混合，故 C 區(qū)的PM2.5 濃度有一定的提高。在 15∶00 降了大約半小時(shí)的小雨(地面微濕)，而 3 個(gè)區(qū) PM2.5 濃度有了明顯的降低，由此看來(lái)，降雨是提高空氣品質(zhì)最直接有效的方法。

計(jì)算圖2 各個(gè)時(shí)刻 A 區(qū)與 B 區(qū)的 PM2.5 濃度的平均值， A 區(qū) PM2.5 濃度平均值為 916.39 μg/m3，B 區(qū)為900.06 μg/m3，相差 16.33 μg/m3，PM2.5 濃度降低了1.8%。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示綠化屋頂在冬季有一定的空氣凈化能力，但是對(duì)重度霧霾天氣來(lái)說(shuō)，改善效果有限，因此治理霧霾關(guān)鍵要從源頭治理。

圖3 顯示 B 區(qū)的 PM10 的濃度低于 A 區(qū)與 C 區(qū)，A 區(qū) PM10 濃度平均值為 1 355.26 μg/m3，B 區(qū)為1324.12 μg/m3，減少了 31.14 μg/m3，相當(dāng)于 A 區(qū)濃度降低了2.3%。

圖3　A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)各時(shí)刻PM10濃度對(duì)比圖

但是和圖2 對(duì)比不同的是，C 區(qū) PM10 的濃度最高，其濃度曲線在 A 區(qū)之上，這與街道上升氣流的空氣品質(zhì)有關(guān)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]數(shù)據(jù)計(jì)算，小型汽車尾氣的 PM10 的綜合排放因子是 PM2.5 的綜合排放因子的 1.76 倍，因此受汽車尾氣影響的街道上升氣流的 PM10 的濃度較高，C區(qū)的 PM10 濃度就也明顯增高。

1.3　綠化屋頂凈化效果分析

通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，冬季綠化屋頂 PM2.5 濃度降低了 1.8%， PM10 濃度降低了 2.3%，凈化效果并不理想。原因如下：首先是西安冬季污染嚴(yán)重，屋頂植物表面已經(jīng)滯留大量粉塵，凈化能力已經(jīng)趨于飽和。其次是冬季多數(shù)植物枯萎，使屋頂凈化能力明顯下降。最重要的是綠化屋頂本身的凈化能力有限。綠化屋頂是通過(guò)植物的吸附凈化作用滯留粉塵，是一種自然凈化方式，即使花園式綠色屋頂?shù)哪隃m量也很有限。

本次測(cè)試是在西安 12 月份霧霾最嚴(yán)重的一天，對(duì)對(duì)象建筑的測(cè)試顯示，屋頂周邊的 PM2.5 濃度甚至超過(guò)了1 000 μg/m3，而在西安其他地區(qū)的測(cè)試，PM2.5 濃度基本在 600～850 μg/m3之間，明顯低于對(duì)象建筑周邊環(huán)境。這與對(duì)象建筑所處的具體地理位置有關(guān)。對(duì)象建筑周圍都是高層建筑，建筑密集，通風(fēng)不暢，排污能力不足。中間有車流量較大的一條街道，街道兩邊的商業(yè)建筑以餐飲業(yè)為主，會(huì)排放大量的油煙。這都造成對(duì)象建筑周圍環(huán)境的空氣品質(zhì)差。這也反映了城市規(guī)劃的重要性。在城市規(guī)劃中要綜合考慮到建筑性質(zhì)、建筑用途、建筑布局、建筑室外風(fēng)場(chǎng)等，尤其在建筑密集的城市中心地區(qū)，要結(jié)合自然氣候條件創(chuàng)造通風(fēng)順暢、空氣品質(zhì)好的室外環(huán)境。

2　對(duì)室內(nèi)環(huán)境和熱舒適影響

2.1　對(duì)室內(nèi)環(huán)境影響

近些年很多學(xué)者做了屋頂綠化對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)作用的相關(guān)研究。例如，西安工程大學(xué)的蔣婧通過(guò) Energy Plus 軟件模擬得到了西安地區(qū)夏季綠化屋頂與普通屋頂?shù)膬?nèi)表面溫度差最大可達(dá)到 1.53 ℃，室內(nèi)溫度相差可達(dá)到1.01 ℃ 的結(jié)論[2]。河北工程大學(xué)的吳金順通過(guò)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)綠化屋頂與普通屋頂相比，室內(nèi)屋頂溫度、墻體溫度、門(mén)及窗的溫度都有不同程度的降低[3]。屋頂綠化后，室內(nèi)的溫度 ta、水蒸氣分壓力 pa、室內(nèi)平均輻射溫度 tr都有一定的改變，顯然室內(nèi)的熱舒適和空調(diào)負(fù)荷因此受到影響。

2.2　對(duì)室內(nèi)熱舒適影響

熱舒適是人們對(duì)環(huán)境的主觀感受，是一個(gè)涉及生理學(xué)、傳熱學(xué)、心理學(xué)多學(xué)科，年齡、性別、季節(jié)、生活環(huán)境等多因素影響的復(fù)雜的學(xué)術(shù)問(wèn)題。Fanger 的 PMV-PPD 指標(biāo)仍是目前人們普遍認(rèn)可的基本理論。Fanger 提出的人體熱感覺(jué)與人體熱負(fù)荷之間的實(shí)驗(yàn)回歸公式如式(1)所示[4]：

式中：M——人體新陳代謝率，W/m2；

W——人體所做的機(jī)械功，W/m2；

Pa——人體周圍空氣的水蒸氣分壓力，Pa；

ta——室內(nèi)環(huán)境空氣溫度，℃；——室內(nèi)平均輻射溫度，℃;

tcl——衣服外表面溫度，℃;

hc——對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·℃。

由式(1)可以看出，PMV公式中包含了相關(guān)的熱舒適變量。前文分析屋頂綠化后，熱舒適也會(huì)受到影響，因此以PMV-PPD 指標(biāo)評(píng)價(jià)屋頂綠化后室內(nèi)熱舒適的情況。

在夏季，人們基本穿短褲、T恤等衣服，熱阻一般為0.5 clo。在室內(nèi)，人們一般為靜坐狀態(tài)，對(duì)外做功認(rèn)為 0，人體的能量代謝率選擇為站著休息的值 70 W/m2。測(cè)試時(shí)門(mén)窗緊閉，空氣流速很小，選擇 0.1 m/s。分析吳金順在 7月 20 日、21 日，8 月 18 日 10：00～24：00 的測(cè)試數(shù)據(jù)研究屋頂綠化對(duì)室內(nèi)熱舒適的影響。根據(jù)測(cè)試的室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度等，代入相關(guān)公式計(jì)算出室內(nèi)水蒸氣分壓力和平均輻射溫度。根據(jù)式(1)運(yùn)用 Mat lab 編程計(jì)算出相應(yīng)的 PMV值。把 PMV 計(jì)算值及其對(duì)應(yīng)的平均室內(nèi)溫度進(jìn)行線性回歸分析，得到綠化屋頂和普通屋頂?shù)钠骄鶡岣杏X(jué) PMV 和室內(nèi)溫度的關(guān)系曲線，如圖4、圖5 所示。

圖4　普通屋頂房間 PMV 與室內(nèi)溫度的關(guān)系曲線

圖5　綠化屋頂房間 PMV 與室內(nèi)溫度的關(guān)系曲線

如圖4 和圖5 所示，兩種屋頂 PMV 與室內(nèi)溫度的擬合結(jié)果為：

普通屋頂房間：PMV=0.3990 t-11.196，R2=0.908 7；

綠化屋頂房間：PMV=0.3908 t-11.140，R2=0.959 7。

相關(guān)系數(shù) R2值均大于0.9，表示擬合準(zhǔn)確，求出預(yù)測(cè)的中性溫度分別為 28.06 ℃ 和 28.51 ℃。室內(nèi)平均溫度分別為 31.72 ℃ 和 30.53 ℃。屋頂綠化不僅降低了室內(nèi)溫度，而且使中性溫度提高了 0.45 ℃。計(jì)算普通屋頂房間的 PMV 平均值為 1.46，綠化屋頂房間的 0.79，降低了45.8%。

ISO 7730 對(duì) PMV-PPD 指標(biāo)的推薦值為：PPD≤10%，即 -0.5≤PMV≤0.5。則普通屋頂房間的舒適溫度為 26.81 ℃≤ta≤29.31 ℃，綠化屋頂房間的舒適溫度為 27.23 ℃≤ta≤29.79 ℃。綠化屋頂房間的舒適溫度明顯高于普通房間。以上分析證明，屋頂綠化降低了室內(nèi)溫度，增加了濕度，提高了中性溫度，極大改善了室內(nèi)的熱環(huán)境，提高了舒適度。

3　屋頂綠化節(jié)能分析

前文分析了屋頂綠化后，降低室內(nèi)溫度，同時(shí)提高了中性溫度，計(jì)算得到屋頂綠化建筑的室內(nèi)空氣溫度與室內(nèi)中性溫度差值為 2.02 ℃，而一般屋頂為 3.66 ℃。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，選取維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)為 8.7 W/(m2·℃),分別以中性溫度作為室內(nèi)溫度，根據(jù)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度，計(jì)算得到普通屋頂?shù)膰o(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷為 3 161.17 W，綠化屋頂?shù)木S護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷為 1 080.65 W，降低了65.8%。

根據(jù)式(1)，在影響人體熱舒適的變量中，人們可以實(shí)現(xiàn)改變和影響，并且技術(shù)手段比較成熟的是對(duì)溫度和風(fēng)速的控制?？梢酝ㄟ^(guò)遮陽(yáng)、隔熱、立體綠化等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度和平均輻射溫度的小幅度降溫，可以通過(guò)自然通風(fēng)、風(fēng)扇等實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速在一定范圍內(nèi)的控制。在屋頂綠化的基礎(chǔ)上，研究室內(nèi)風(fēng)速提高至 0.5 ms 和室內(nèi)溫度降低 1 ℃、輻射溫度降低 0.5 ℃ 兩種情況下，室內(nèi)的熱環(huán)境狀況，并分析節(jié)能效果。擬合得到的 PMV 與室內(nèi)溫度的關(guān)系如圖6 和圖7 所示。

圖6　室內(nèi)風(fēng)速 0.5 m/s 時(shí)屋頂綠化房間 PMV 與室內(nèi)溫度關(guān)系曲線

如圖6 所示，擬合關(guān)系為：

PMV=0.662 2 t-20.364，R2=0.985 3。

相關(guān)系數(shù) R2＞0.9，證明擬合準(zhǔn)確。求得中性溫度為30.75 ℃，根據(jù) ISO 7730 對(duì) PMV-PPD 推薦指標(biāo)，房間的熱舒適溫度范圍為 30 ℃≤ta≤31.91 ℃，而綠化屋頂室內(nèi)的平均溫度為 30.53 ℃，所以此時(shí)房間已經(jīng)滿足舒適性要求，不需要使用空調(diào)。

圖7　室內(nèi)溫度降低 1 ℃、輻射溫度降低 0.5 ℃時(shí)屋頂綠化房間 PMV 與室內(nèi)溫度關(guān)系曲線

如圖7 所示，擬合關(guān)系為：

PMV=0.253 2 t-7.140，R2=0.907 8。

相關(guān)系數(shù) R2＞0.9，證明擬合比較準(zhǔn)確。求得中性溫度為 28.2 ℃，據(jù) ISO 7730 對(duì) PMV-PPD 推薦指標(biāo)，房間的熱舒適溫度范圍為 26.22 ℃≤ta≤30.17 ℃。選取維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)為 8.7 ,根據(jù)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度，分別以中性溫度作為室內(nèi)溫度，計(jì)算得到此時(shí)綠化屋頂房間的維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷為 872.42 W。在屋頂綠化基礎(chǔ)上，若室內(nèi)溫度再降低 1 ℃、平均輻射溫度降低 0.5 ℃，室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷又降低了 19.3%。

以上的分析表明了屋頂綠化可以降低室內(nèi)的溫度和平均輻射溫度，提高相對(duì)濕度及其穩(wěn)定性，使室內(nèi)環(huán)境更加舒適，且提高了中性溫度，而以中性溫度為室內(nèi)溫度計(jì)算，節(jié)能效果非?？捎^。在圖8 中統(tǒng)計(jì)普通屋頂、綠化屋頂、降低室內(nèi)溫度 1 ℃ 及降低平均輻射溫度 0.5 ℃、室內(nèi)風(fēng)速為 0.5 m/s 的綠化屋頂 4 種狀況(對(duì)應(yīng)圖中系列系列 1、系列 2、系列 3、系列 4)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷和室內(nèi)平均 PMV 值，分析屋頂綠化對(duì)室內(nèi)熱舒適的影響，探究節(jié)能技術(shù)方案。

圖8　四種情況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷和室內(nèi)平均 PMV 值分布圖

如圖8 所示，系列 1 和系列 2 的對(duì)比反映了屋頂綠化既能提高室內(nèi)的熱舒適，又降低了圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷，節(jié)能效果明顯。當(dāng)通過(guò)立體綠化、隔熱等措施使室內(nèi)溫度降低 1℃，平均輻射溫度降低 0.5 ℃ 時(shí)，熱舒適有了進(jìn)一步的改善，如系列 3。當(dāng)綠化屋頂?shù)氖覂?nèi)風(fēng)速提高到 0.5 m/s 時(shí)，各個(gè)時(shí)刻的 PMV 平均值達(dá)到 -0.15，室內(nèi)已經(jīng)滿足舒適要求，不需要空調(diào)制冷。

以上分析顯示了屋頂綠化是很有效的被動(dòng)式節(jié)能方案，可以降低室內(nèi)溫度，從而降低空調(diào)負(fù)荷，減少空調(diào)費(fèi)用。同時(shí)，室內(nèi)風(fēng)速對(duì)室內(nèi)環(huán)境的熱舒適影響很大，可以通過(guò)自然通風(fēng)，改善室內(nèi)氣流組織，提高舒適性。在夏季室外溫度較高時(shí)，可以采取風(fēng)扇和空調(diào)結(jié)合的方式改善室內(nèi)環(huán)境。當(dāng)通過(guò)立體綠化及其他隔熱方案降低室內(nèi)溫度和平均輻射溫度時(shí)，也會(huì)改善室內(nèi)環(huán)境的舒適性，相應(yīng)減少空調(diào)負(fù)荷。

4　結(jié)　語(yǔ)

屋頂綠化可以降低室內(nèi)溫度、平均輻射溫度，增加濕度和提高中性溫度，從而改善房間的熱舒適性，減少維護(hù)結(jié)構(gòu)的空調(diào)負(fù)荷。屋頂綠化雖然不能根本改善目前西安市霧霾頻發(fā)、空氣污染嚴(yán)重的情況，但是對(duì)空氣仍有一定的凈化作用，可以改善空氣的品質(zhì)。西安市治理霧霾關(guān)鍵要從源頭治理，同時(shí)在城市規(guī)劃中要注意建筑的風(fēng)環(huán)境，建筑密集、通風(fēng)不暢往往使污染物聚集，嚴(yán)重影響空氣品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐偉嘉,李紅霞, 黃建彰,等.佛山市機(jī)動(dòng)車尾氣顆粒物PM2.5的排放特征研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2014(03)：152-158+173.

[2] 蔣婧. 綠色建筑屋頂?shù)谋粍?dòng)式蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究[D].陜西西安：西安工程大學(xué),2013.

[3]吳金順. 屋頂綠化對(duì)建筑節(jié)能及城市生態(tài)環(huán)境影響的研究[D].河北邯鄲：河北工程大學(xué),2007.

[4]朱穎心,張寅平,李先庭 等.建筑環(huán)境學(xué)[M].3版. 北京：北京建筑工業(yè)出版社,2010.

[5]賀平,孫剛,王飛,吳華新.供熱工程(第四版) [M].4版. 北京：北京建筑工業(yè)出版社,2009.