屋頂綠化對(duì)建筑能耗的影響分析　　　　　　　　　　　　           
    河北工程學(xué)院城建學(xué)院　時(shí)真男  高旭東  張偉捷 
    1  建筑能耗及其對(duì)大氣環(huán)境的破壞
　　建筑離不開(kāi)能源的使用和消耗，尤其是現(xiàn)代化建筑，更是能源消耗大戶。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)總能耗中，建筑業(yè)能耗所占比例很大，發(fā)達(dá)國(guó)家一般在40％左右，我國(guó)也占25％以上。建筑業(yè)能耗包括建材生產(chǎn)、建筑施工、建筑日常運(yùn)轉(zhuǎn)等能耗。建筑日常運(yùn)轉(zhuǎn)能耗又稱民生能耗，也稱建筑能耗，它包含采暖、通風(fēng)、空調(diào)、熱水供應(yīng)、照明、電梯、烹飪等的能耗。建筑能耗在建筑業(yè)能耗中占了絕大部分，約80％以上，其中絕大部分能量用于采暖、通風(fēng)與空調(diào)。從1998年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字看，我國(guó)一次能的產(chǎn)出量為12.4×109t標(biāo)準(zhǔn)煤，年一次能消耗量為3．2×109t標(biāo)準(zhǔn)煤，我國(guó)已成為世界第三大能源產(chǎn)出國(guó)和第二大能源消費(fèi)國(guó)，建筑能耗占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總能耗的12％～20％，巨大的能源消耗的后果導(dǎo)致了環(huán)境負(fù)荷的急劇上升。1999年，全國(guó)二氧化硫排放總量為1 857×104t，煙塵排放總量為1159×104。 1998年，全國(guó)二氧化碳排放總量為28.93×108t，我國(guó)已成為世界上僅次于美國(guó)的第二大溫室氣體排放國(guó)，1998年，我國(guó)溫室氣體排放量占世界總排放量的12．8％美國(guó)是24％)。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的高速發(fā)展和建筑面積的急劇增加(我國(guó)是目前世界上最大的建筑工地，每年竣工的建筑面積達(dá)16～19×108m2，在未來(lái)10年中，我國(guó)僅住宅面積就將達(dá)到重量115×108m2，增加58×108m2)，建筑能耗量將更加巨大，“城市熱島”現(xiàn)象將更加嚴(yán)重，人居熱濕環(huán)境將更加惡化。為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，建筑節(jié)能勢(shì)在必行，刻不容緩。
    2  屋頂綠化對(duì)環(huán)境及建筑節(jié)能的影響
    為改善城市的生態(tài)環(huán)境，城市就需要綠化。而城市大都建筑密集，其它地面也大都被瀝青和鋼筋混凝土所覆蓋，可綠化的面積減少。而城市建筑屋頂?shù)拿娣e占城市總面積的比例相當(dāng)可觀，而且還會(huì)不斷增加。城市建筑屋頂大都被鋼筋混凝土、瀝青和砂石所覆蓋，并且閑置著沒(méi)有得到充分利用。綠色植物調(diào)節(jié)氣溫的作用十分明顯，綠色植物的根系從土壤中吸收水分，通過(guò)蒸發(fā)作用向空氣中釋放水分，提高空氣的濕度，空氣的氣溫高達(dá)35℃時(shí)，樹(shù)蔭下的氣溫卻只有22℃左右。而照在濃密綠色植物表面的太陽(yáng)光有70％左右被綠葉吸收，20％左右被綠葉反射回去，通過(guò)綠葉的透射光只有10％左右，被綠化的屋頂在夏天的降溫和增濕作用十分明顯。
    一座城市的屋頂面積，大約為整個(gè)居住區(qū)面積的1／5。被綠化的屋頂除了在夏天對(duì)室外環(huán)境具有十分明顯的降溫和增濕作用以外，還可以大大降低屋頂外表面的平均輻射溫度MRT(一般可降低10℃～20℃)，從而進(jìn)一步改善了城市的熱環(huán)境；屋頂?shù)木G色植物具有滯塵、殺菌和吸收低濃度污染物以及增加空氣中負(fù)離子的作用，具有很強(qiáng)的空氣凈化能力和清新能力；屋頂?shù)木G色植物還有降低城市噪音的作用，最大減噪量可達(dá)10dB。所以增加屋頂?shù)木G化面積，對(duì)改善城市的生態(tài)環(huán)境和增加城市整體美感意義重大。以北京為例，在規(guī)劃的市區(qū)內(nèi)，有近千萬(wàn)平方米以上的建筑平屋頂未被利用，如果將其中的一半實(shí)施屋頂綠化，即可增加近5×106m^2的綠化面積，相當(dāng)于新建3個(gè)龍?zhí)逗珗@，而不占一寸土地。據(jù)科學(xué)測(cè)定，667m^2綠色植物一年能產(chǎn)生氧氣14.4t，吸收二氧化碳21.6t，一個(gè)城市如果把屋頂都利用起來(lái)進(jìn)行綠化，那么這個(gè)城市中的C02較之沒(méi)有綠化前要少85％(平均值為減少70％)。為此，日本的東京市議會(huì)于2000年4月通過(guò)一項(xiàng)議案，要求東京市內(nèi)的所有面積在1000m^2以上的建筑必須進(jìn)行屋頂綠化，目前東京市的屋頂綠化率已達(dá)41％。
    另?yè)?jù)有關(guān)測(cè)定，建筑物的屋頂綠化對(duì)于降低建筑物周?chē)h(huán)境的氣溫的作用十分明顯，氣溫降低的幅度可達(dá)0.5～4℃，而建筑物周?chē)h(huán)境的氣溫每降低1℃，建筑物內(nèi)部的空調(diào)容量可降低6％。對(duì)大面積的低層建筑物(特別是一些工業(yè)廠房建筑)，由于屋面面積比壁面面積大，夏季從屋面進(jìn)入室內(nèi)的熱量往往占總圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱量的70％以上，夏季實(shí)測(cè)的結(jié)果表明，綠化的屋頂外表面最高溫度比不綠化的屋頂外表面最高溫度(可達(dá)60℃以上)可低20℃以上，從而使從屋面?zhèn)魅胧覂?nèi)的熱量減少到1／4左右，綠化屋頂不僅可以在夏季對(duì)室內(nèi)環(huán)境隔熱保涼，而且可以在冬季對(duì)室內(nèi)環(huán)境隔冷保暖，在極端天氣對(duì)緩沖和削減極端溫度起著突出的作用，以此可以看出，屋頂綠化對(duì)建筑設(shè)備節(jié)能和改善頂層房屋室內(nèi)熱舒適環(huán)境(頂層屋面內(nèi)表面平均輻射溫度MRT不會(huì)太高或太低)也具有重大意義。
    3  屋頂綠化對(duì)建筑空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能分析
    我們國(guó)家一方面建筑能源需求量很大，另一方面在建筑節(jié)能方面，首先是在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在著較大的差距，外墻的傳熱系數(shù)為發(fā)達(dá)國(guó)家的2～3倍，外門(mén)、外窗的傳熱系數(shù)為發(fā)達(dá)國(guó)家的重1～2倍，屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)為發(fā)達(dá)國(guó)家的4～5倍。所以實(shí)施屋頂綠化，一方面由于綠色植物的作用，可以降低屋頂外表面溫度，同時(shí)由于綠色植物和覆土的聯(lián)合作用，增大了屋面的熱阻，進(jìn)一步降低了屋面的傳熱系數(shù)，進(jìn)而降低了屋頂內(nèi)表面溫度，也大大降低了通過(guò)屋頂進(jìn)人室內(nèi)的冷(熱)負(fù)荷，從而可以很大程度地削減和降低建筑設(shè)備的容量及其運(yùn)行能耗。
    對(duì)Ⅵ類型的屋面，冷負(fù)荷計(jì)算溫度的最大值為60.9℃　，最小值為26.5℃(北京地區(qū)的氣象參數(shù))，室內(nèi)空氣計(jì)算溫度為24℃，此時(shí)，屋面瞬變傳熱引起的逐時(shí)冷負(fù)荷為：
　　Qc(τ)=AK(60.9－24)
　　式中  A——屋頂屋面的面積，m^2；
          K——屋頂屋面的傳熱系數(shù)，W／(m^2·℃)。
    屋頂綠化后，冷負(fù)荷計(jì)算溫度的最大值為40.9℃(按降低20℃計(jì)算)，屋面的傳熱系數(shù)降到原來(lái)的1／4，此時(shí)屋面瞬變傳熱引起的逐時(shí)冷負(fù)荷為：
    Q′c(τ)=0．25AK(40.9－24)
    則通過(guò)屋頂?shù)睦湄?fù)荷的最大值下降了　　　     
    η=1﹣Q′c(τ)／Qc(τ)=88.55％
    如果各逐時(shí)冷負(fù)荷按一定比例降低，且通過(guò)屋頂?shù)睦湄?fù)荷占頂層房屋總冷負(fù)荷的70％，由此可以推出，對(duì)頂層的空調(diào)設(shè)備容量、空調(diào)設(shè)備耗電量、空調(diào)設(shè)備夏季顯熱排放量、折算的一次能消耗量、折算的C02排放量、折算的SO2排放量、折算的NOx排放量等均可降低40％左右，節(jié)能效果和環(huán)境效益非常明顯。另外，未綠化的Ⅵ類型屋頂外表面冷負(fù)荷計(jì)算溫度波動(dòng)的振幅為：
    60.9℃—26.5℃　=34.4℃　
    按非穩(wěn)態(tài)傳熱學(xué)相關(guān)原理計(jì)算，可知屋頂內(nèi)表面溫度波動(dòng)的幅度可達(dá)4℃以上，而綠化后的屋頂內(nèi)表面溫度波動(dòng)的幅度可降到1℃以內(nèi)，屋頂內(nèi)表面平均輻射溫度MRT變化不劇烈，比較適中，從而大大改善了頂層房屋的室內(nèi)熱舒適環(huán)境。
    4  結(jié)論
    屋頂綠化作為城市的重要組成部分，有其不可替代的作用，具有十分明顯的美化城市、建筑節(jié)能和改善城市生態(tài)環(huán)境的作用。
    對(duì)于屋頂綠化時(shí)所涉及的屋頂防水與增加荷載等技術(shù)問(wèn)題，亦不難解決，國(guó)內(nèi)外已有成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。屋頂綠化一般分覆土栽培和無(wú)土栽培兩種。覆土栽培以覆土層0.5m厚為宜，相應(yīng)增加靜荷載3～15kN／m2；無(wú)土栽培技術(shù)中，日本鹿島建設(shè)公司開(kāi)發(fā)出表面可生長(zhǎng)植物的混凝土，這種混凝土價(jià)格比普通混凝土僅高10％，但強(qiáng)度不變，重量減輕了約30％，這種吸水性混凝土內(nèi)混有植物纖維，敷設(shè)數(shù)月后即可生長(zhǎng)出雜草和水草，特別適合于建筑墻壁和屋頂綠化。
    屋頂綠化的造價(jià)應(yīng)該不是問(wèn)題，應(yīng)該納入城市整體規(guī)劃之中，城市的綠地面積總是要增加的，屋頂面積的利用為城市綠化開(kāi)辟了廣闊的天地，城市綜合的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)效益會(huì)大幅度提高。據(jù)美國(guó)學(xué)者的研究，綠化間接的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值是它本身直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值的18~20倍，希望我國(guó)的城市在這方面能有大的發(fā)展，有關(guān)這方面的理論研究應(yīng)該加強(qiáng)。
    參考文獻(xiàn)
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