房顶绿化的节能效应的分析和改进

创新训练计划河海大学创新训练计划项目申报书课题名称：房顶绿化的节能效应的分析和改进指导老师：冯骞小组成员：李康潘兴华李磊孙玉清洪大林创新训练计划-1-河海大学大学生创新训练计划项目申报书项目名称房顶绿化的节能效应的分析和改进项目来源学生项目负责人李康专业年级给水排水06级联系电话[phone]项目组成员潘兴华、李磊、孙玉清、洪大林项目实施时间起始时间：2009年5月完成时间：2010年3月指导老师冯骞职称讲师所在学院环境学院项目背景及研究意义背景：1、我国正在大力推进“节能减排”，这是有着大背景和显著的现实意义的2、植被屋面被广泛采用，这种屋面具有冬季保暖和夏季隔热的优点，并能保护防水层及美化环境3、北京、上海等大城市屋顶绿化发展迅速并相应出台了《房顶绿化管理办法》4、就南京而言，90%以上的中高层建筑的房顶未采用房顶绿化，房顶绿化进程缓慢意义：1、增加绿化面积，改善小气候环境，净化空气。另外，对减小城市“热岛效应”、减少城市噪音和蓄积雨水也起到一定作用2、从理论及实验分析上论证植被屋面的节能效应3、结合南京地区实际情况，提出屋顶绿化的最优化方案详见附录创新训练计划-2-项目方案训练目标：建立房顶绿化模型，它是屋面板—土壤—植被—大气系统的完整的传热传湿综合模型。同时建立评价体系，套用到4个房顶设计方案中，分析每种房顶的优缺点，得出各自的使用条件。针对实际情况提出一个最优化的方案。进行两组实验：1、实验室制作仿真模型；2、运用工程实例进行真实实验。前期准备：1、数学模型的准备2、评价体系的准备3、模型数据和形式的准备4、实验的准备组织实施与过程管理：研讨阶段、理论阶段、实践阶段、总结阶段。实践环节：建模阶段和实验阶段分为两个部分：1、实验室制作仿真模型；2、工程实例真实实验。教师指导：可行性分析、自身实力经验积累和成果展现方式。项目结题：经过建模和实验阶段，得出初步成果，再进行优化改进，得到最终结果。详见附录项目预期目标A房顶绿化数学模型和评价体系文本形式和程序各一份B实验1和实验2的实验步骤和结果数据分析一份C屋顶绿化节能效应的报告D南京地区屋顶绿化最优化方案所需实验室条件或材料费等经费预算所需实验室条件：具有混凝土模型制作的设备，所需实验器材：普通温度计（可测相对湿度）、测热量仪器、热电偶组。经费预算走访费用：200×3=600元交通费：每人每次外出10元，每人平均外出20次，10×20×5=1000伙食费：每人每天10元标准，约20天，10×5×20=1000元印刷费：50元材料费：100元应急情况费用：500元合计：3250元创新训练计划-3-指导老师意见指导老师签名：年月日学院评审意见负责人签字：公章年月日学校评审意见负责人签字：公章年月日创新训练计划-4-附录房顶绿化的节能效应的分析和改进1研究背景和研究意义目前，我国正在大力推进“节能减排”，这是有着大背景和显著的现实意义的。近年来，建设花园式的生态城市已成为城市规划的指导思想之一。植物是城市生态园林系统的主体，要彻底改造和改善城市的生态环境，利用一切可用的人为方法，拓展城市绿色空间，尽量发展和扩大城市植物生物总量，是改造城市生态环境的根本出路。我们将视线放在了中高层建筑的房顶上。就南京而言，90%以上的中高层建筑的房顶都是“光秃秃”的。2004年—2008年《北京市城市环境建设规划》要求，北京市的高层建筑中有30%要进行屋顶绿化，低层建筑中有60%要进行屋顶绿化。上海绿化局提供的一份最新信息显示，截止2004年年底，该市已建成屋顶绿化近12万平方米，屋顶绿化2005年被纳入上海绿化管理条例，新建住宅和商务楼均被强制推行屋顶绿化。屋顶分为两种：坡面和平面。前者一般采用木构架的结构承重，不具备发展屋顶绿化的客观条件；后者一般做法是分层设计（从底部往上）：结构层、找坡层、找平层、结合层、防水层、保护层。这种实体材料层屋顶应用很广泛，缺点是自重大，隔热效果不理想，热稳定性较差，冬季保温能力差。另外一种做法是采用通风间层平屋顶，原理是架空面层阻隔太阳辐射热，并利用间层内的空气带走部分热量，但是它的冬季保温能力差。通过翻阅资料，我们发现在日本及欧洲的一些发达国家，植被屋面被广泛采用，这种屋面具有冬季保暖和夏季隔热的优点，并能保护防水层及美化环境。植物屋面内表面温度在昼夜间温差变化不大，波动振幅较小，热稳定性好，屋面防水层和结构层受到植被层的保护，温度应力减弱，减少混凝土开裂的可能性，延长其使用寿命。结合到我国城市绿化面积不足的实际情况，它对增加绿化面积、改善小气候环境、净化空气起到很大作用，另外，它对减小城市“热岛效应”、减少城市噪音和蓄积雨水也起到一定作用。下面引出一个概念“房顶绿化”，是指在高出地面以上，周边不与自然土层相连接的各类建筑物、构筑物等的顶部以及天台、露台上的绿化。它的形式可以创新训练计划-5-多种多样。比如，在房顶铺设一层草坪；在房顶建造一个花园，引入水体工程和假山置石等等。通过查找资料，我们发现之前已经有很多人对房顶绿化的形式、构造、工程设计有过研究，因此，我们小组想在前人的研究成果之上，建立适当的数学模型，通过对我们所构思出来的几个房顶样式进行比较，从理论及实验分析上论证植被屋面的节能效应。并结合适当的工程实例，提出房顶绿化的一些建议和改进措施。2项目方案2.1训练目标前人建立的房顶绿化模型结合了植被层的能流反应、土壤层的热湿传递、屋面板的传热效应，是屋面板—土壤—植被—大气系统的完整的传热传湿综合模型，并且编制了计算程序。我们对这个模型进行理解和分析，同时建立一个评价体系，套用到4个房顶设计方案（楼板、保温隔热层+楼板、草坪+自然土壤+楼板、草坪+轻质土壤+楼板）中，然后对结果进行比较，分析每种房顶的优缺点，得出各自的使用条件。在结合地域性的情况下，针对北方地区冬季屋面被积雪覆盖并且长期不化的特点，同时考虑积雪层本身的保温性能，引出“雪层+草坪+土壤+楼板”的层次形式。在此之后，结合植被的生物功能，选择合适的植被，同时考虑植被层、土壤层、保温层对屋顶楼板产生的荷载效应以及相应的抗渗要求。在确保屋顶安全以及隔热、保温、节能效果好的前提下，针对实际情况提出一个最优化的方案（草坪+保温隔热层+轻质土壤+楼板）。进行两组实验：1、实验室制作仿真模型；2、运用工程实例进行真实实验。通过这两组实验，从实际的角度论证所建立模型的合理性，并研究其运用于工程的可行性。2.2前期准备2.2.1数学模型的准备在“草坪+土壤+混凝土”的方案中所涉及的模型是层与层之间的热收支模型。这个模型中有一个叶空气层，该层具有不同于室外空气的微气候，包括温度、湿度和气流速度。当叶空气层中的叶面受到太阳辐射时，它把太阳热的一部分以对流的方式传给空气层中的空气，另一部分则以蒸发的方式变成潜热，从而降低叶面温度。同时太阳辐射还会通过叶面之间的空隙到达地面，地面也会和空气层中的空气发生热和湿的交换。创新训练计划-6-具体热传递由下面的热收支方程表现：叶面热收支：太阳辐射大气辐射叶面辐射叶空气层对流叶面蒸发0叶空气层的热收支：叶空气层传热到土壤层叶空气层对流叶空气层热量0房顶覆盖土表面的热收支：土壤热量太阳辐射叶面辐射土壤辐射土壤由上向下传热叶空气层传热房顶下空间空气热收支：空气热量楼板传热量室外空气热传递图一我们还会对顶层房间建立一个空调系统，引进现成的空调负荷计算机程序，比如pssp。对顶层房间进行模拟数值计算，计算出空调系统节能效率。2.2.2评价体系的准备首先，设定评价模型的参数。暂定为：混凝土容重W1、自然土壤容重W2、轻质土壤容重W3、保温层容重W4、草坪厚度h1、保温层厚度h2、自然土壤厚度h3、混凝土厚度h4、草坪的密度L（单位：根/平方米）、室外空气温度与混凝土层下空气温度极限之差T、一个周期（一天、一周、一季度）内空调系统所节约的能量E、房顶混凝土容许压应力c、房顶混凝土容许剪应力s、房顶混凝土抗渗能力S、单位面积草坪所需浇水量W、单位面积草坪价格M1、单位面积保温材料价格M2。其次，设定一个综合评价函数Y，Y=1nT2nE3nM14nM2（W1，W2，W3，W4，h1，h2，h3，h4，L）c（W1，W2，W3，W4，h1，h2，h3，h4，L）sS（h1，L，W）S其中，in为各个影响因素对应的权重，1in。创新训练计划-7-2.2.3模型数据和形式的准备（一）把握模型的大环境，以长江中下游的大气候为基础，结合冬夏气候变化特点，查找出最高、最低气温及湿度的变化规律，分析各个季节太阳辐射强度和日照时数。植物冠层参考高度处的温度、湿度、风速和太阳辐射是驱动总体模型的外界因子，这些资料由现场直接测定。（二）对房顶绿化的形式、构造和普遍采用的工程设计方法进行深入了解，这是我们建立模型的前提和基础。具体是：中高层建筑顶层暖通、空调系统，屋顶构造形式和力学结构，草坪的品种和布置形式，排水和防渗漏系统以及走道的设计。通过对它们的具体构造形式理解，对模型进行合理的简化。如图二，是一种房顶绿化的形式：图二查阅资料，发现目前用于房顶绿化工程的草坪品种主要为佛甲草。它属景天科，景天属，多肉类植物。长约15—30厘米，常绿，春夏两季开黄花，多年生肉质草本。耐阴、耐寒、耐旱、耐瘠，易养护：能抗夏季60oC高温，到冬季零下10oC能存活；只需天然雨水，无需浇水便能存活；对生长介质要求较低，最低限度3厘米即可生长。黄花佛甲草晚上吸入二氧化碳，白天释放氧气，并且其代谢量比其他植物要高十几倍。根系无穿透力，不破坏屋面结构、能耐南京高温、低温、干旱，自生自繁仅需粗放管理。如图三，为佛甲草：（黄花佛甲草）图三创新训练计划-8-（三）收集建筑暖通、空调方面的现有模型，对其作深入理解，这是建立房顶绿化模型的基础。在这个基础之上，加入草坪这一重绿色屏障，重新设定和新增部分参数，引入数学物理方程表达草坪在垂直方向上的热湿传递和移动。在建立数学模型的过程中，不免要用到诸如matlab、lingo等建模应用软件，通过冯老师的指导和自学去掌握和使用。2.2.4实验的准备进行两组实验：1、实验室制作仿真模型；2、运用工程实例进行真实实验。实验1的准备：（一）实验模型和器材的准备利用仿真模型制作的原则和方法，在实验室条件下进行实际情况的模拟。首先，选定一个顶层房间，进行同比例缩小并达到适合的比例尺，制作一个混凝土顶层房间模型。然后，准备4种和房顶同面积的材料：草坪（以佛甲草为例）、自然土壤、轻质土壤和保温隔热材料，数量分别为：佛甲草种若干（采用草种培育的方法制作草坪）、自然土壤若干、轻质土壤两份、保温隔热材料一份。最后将这4种材料进行组合搭配，安装在混凝土模型上面，构成四种实验屋面，按先后顺序进行实验。实验器材包括：普通温度计（可测相对湿度）、测热量仪器、热电偶组、手表、记录表等。（二）实验环境和方法的准备实验分成夏季隔热性能测试和冬季保温性能测试两部分。由于模拟的是顶层房间，所以模型要具备顶层房间的特性：处于一定高度、太阳光可以直射以及对着的两面有其他房间的保护。初步构想是在一定高度的地形上放置模型，让阳光直射屋面，在对着的两侧设置防护措施，比如紧贴竖起两块木板等等。在夏季，选择连续晴天的一段时间，避免实验期间下雨的情况，就实际而言，南京地区夏季最高气温出现时段为7月中旬到8月中旬。在冬季，选择连续晴天的一段时间，避免实验期间下雨的情况；选择下雪量较大的一段时间，对“雪层+草坪+土壤+楼板”的层次形式进行保温性能测试。就实际而言，南京地区冬季最低气温出现时段为12月到1月。实验方法为利用热电偶组测出混凝土试验体不同部位的温度：土壤表面温度、土壤与混凝土界面温度和房顶下空间温度，然后和数学模型模拟结果进行比创新训练计划-9-较分析。利用建立的空调系统模型，计算出夏季各月份冷负荷和冬季各月份热负荷。实验2的准备：（一）实验场所的准备查阅资料，目前南京有近30处屋顶绿化工程。通过联系相关单位，说明我们的目的以及实验方法，征求他们同意，并建立长期合