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《建筑生态种植屋面营造及低碳节能技术》围绕生态种植屋面隔热性能及其低碳节能技术展开系统的实验研究和理论分析。在介绍生态种植屋面隔热机理及现有隔热模式存在问题的基础上，通过实验测试研究了种植屋面隔热材料性能、种植模块隔热性能和足尺寸建筑模式下的种植屋面隔热性能，并通过实验和理论计算分析了种植模块的蒸发冷却特性，同时分析了复合式种植屋面经济及环境效益。基于卷积神经网络、长短时记忆神经网络和麻雀搜索算法，构建了种植屋面热性能预测模型，并对模型的预测精度和适用性进行了全面评估。
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目录序前言第1章 绪论 11.1 生态种植屋面的概念 11.2 国内外研究现状及发展动态 11.2.1 隔热节能效应 11.2.2 生态环境效应 81.2.3 蒸发冷却特性 101.2.4 架空通风屋面 111.2.5 蓄水屋面 121.2.6 种植屋面 141.2.7 复合式种植屋面 151.3 生态种植屋面的隔热机理及其评价 161.3.1 生态种植屋面的隔热机理 161.3.2 生态种植屋面隔热机理的复杂性 171.3.3 生态种植屋面存在的技术难点 191.4 建筑生态节能改造需求 191.5 种植屋面模块化的应用需求 201.6 现有屋面隔热模式存在的问题 211.6.1 架空通风屋面存在的问题 211.6.2 蓄水屋面存在的问题 231.6.3 种植屋面存在的问题 24第2章 种植屋面隔热材料性能测试研究 262.1 实验测试模块构造及材料 262.2 材料基本性能测试 272.2.1 材料容重及比重 282.2.2 材料孔隙率 302.2.3 材料粒径分布 322.2.4 饱和渗透系数 352.3 防护热箱的研制 362.4 防护热箱的标定 372.4.1 实验标定方案 372.4.2 标定方法及设备 372.4.3 测点布置 382.5 实验测试结果及分析 392.5.1 含湿状态实验测试结果 392.5.2 等效导热系数测试结果 412.5.3 测试结果分析 452.6 热工性能的对比测试 462.6.1 测试基本情况 462.6.2 模块构造及实验测试系统 462.6.3 测试环境及初始条件 492.6.4 传热特征分析与讨论 502.6.5 传热参数计算分析 532.7 本章小结 55第3章 种植模块隔热性能的实验研究 563.1 模块化对比实验测试的特点 563.2 生态种植屋面的营造 563.3 对比试验测试平台的建立 573.3.1 **期建立情况 573.3.2 第二期建立情况 583.4 实验测试仪器及设备 593.4.1 温度和热流测量 593.4.2 空气温度和相对湿度测量 593.4.3 太阳辐射强度测量 603.4.4 室外风速测量 603.4.5 土壤含水量测量 603.5 模块构造材料及测点布置 613.6 植被生长情况 633.7 气象参数及隔热效应分析 643.7.1 气象参数 643.7.2 隔热效应分析 653.8 底面温度及室外空气温度 713.8.1 增温量对比分析 713.8.2 温差特性分析 723.9 衰减特性及蒸发所引起的温度降低效应分析 783.9.1 衰减特性分析 783.9.2 蒸发所引起的温度降低效应分析 813.10 本章小结 85第4章 种植模块蒸发冷却特性的实验研究 864.1 对比测试模块的构造及建立 864.2 实验测试方法及仪器 874.3 初始条件的控制及误差分析 884.3.1 初始条件控制 884.3.2 数据读取问题 894.3.3 测试误差分析 904.4 测试数据的选取及气象参数 904.5 蓄水模块蒸发冷却及热特性实验结果与讨论 914.5.1 蓄水模块蒸发率结果与讨论 914.5.2 蒸发热流及计算模型讨论 974.5.3 蒸发换热系数 1014.5.4 蓄放热特性 1044.5.5 对流换热特性 1064.6 种植模块的蒸发冷却特性实验结果 1084.6.1 蒸发率昼夜变化规律 1084.6.2 植被对蒸发率的影响 1114.6.3 初始含湿量对蒸发率的影响 1134.6.4 蒸发系数与蒸发率 1144.6.5 蒸发率逐时变化规律 1174.6.6 蒸发率与气象参数的关联性 1194.6.7 蒸发换热系数测试 1254.6.8 蒸发散热的影响因素讨论 1284.6.9 蒸发冷却效应的贡献率问题 1324.7 表面热平衡及热特性分析 1334.7.1 热平衡方程的构成 1334.7.2 各热流计算及比例 1344.7.3 高辐射模拟环境下热流分配特征 1404.7.4 结果分析与讨论 1424.8 本章小结 143第5章 种植模块蒸发冷却特性的理论计算分析 1445.1 土壤水分运动机理及蒸发过程 1445.1.1 水分在土壤中的存在形态 1445.1.2 土壤中的水分蒸发过程及其控制模型 1445.2 其他蒸发模型研究 1475.2.1 Gardner模型 1475.2.2 王康模型 1475.2.3 赵鸿雁模型 1485.2.4 张富仓模型 1485.3 土壤模块蒸发模型的建立及验证 1495.3.1 蒸发机理分析 1495.3.2 土壤模块蒸发模型的建立 1505.3.3 参数的确定及模型验证 1525.3.4 模型误差分析 1555.4 种植模块蒸发模型的建立及验证 1565.4.1 蒸发机理分析 1565.4.2 模型建立的思路 1575.4.3 植被作用系数的确定 1585.4.4 模型验证及分析 1585.5 Penman-Monteith模型计算及比较 1595.5.1 Penman-Monteith模型 1595.5.2 土壤表面蒸发率及总蒸散率 1625.5.3 理论计算值与实验测试值的对比 1635.5.4 气象因子及其他参数的影响 1665.6 本章小结 168第6章 足尺寸建筑模式下种植屋面隔热性能实验 1706.1 对比测试房间及植被构造 1706.1.1 对比测试房间情况 1706.1.2 种植屋面构造 1716.2 实验仪器及测点布置 1726.2.1 测点布置 1726.2.2 测试仪器及设备 1736.3 天气状况统计分析 1736.3.1 天气状况统计分析 1736.3.2 室外空气温度分布特征 1746.3.3 其他气象参数 1756.4 屋顶内表面温度 1766.4.1 特征温度分析 1766.4.2 温度分布频谱及高温率 1796.4.3 降温率特征分析 1816.4.4 温度峰谷差衰减比 1826.4.5 增温量特征分析 1826.5 室内空气温度 1846.5.1 不同测点处温度对比 1846.5.2 不同高度温度分布特征 1866.5.3 测试结果分析 1876.6 屋面传热量分析 1896.6.1 屋面构造及热工性能参数 1896.6.2 传热量对比分析 1896.6.3 传热量的降低效应 1936.7 足尺寸建筑模式下等效热阻问题 1946.7.1 等效热阻的含义 1946.7.2 存在的问题 1956.7.3 等效热阻的计算方法 1966.7.4 计算结果及分析 1976.8 温度的衰减效应分析 1996.8.1 问题的提出及评价指标 1996.8.2 计算结果及分析 1996.9 本章小结 200第7章 复合式种植屋面经济及环境效益分析 2027.1 经济效益分析 2027.1.1 投资成本分析 2027.1.2 节能减排分析 2057.2 环境效益分析 2067.2.1 蓄积雨水及降低雨水污染分析 2077.2.2 固碳释氧和净化空气分析 2077.2.3 减碳效应分析 2087.3 本章小结 209第8章 种植屋面热性能预测模型 2108.1 预测模型介绍 2108.1.1 卷积神经网络 2108.1.2 长短时记忆神经网络 2138.1.3 麻雀搜索算法 2158.2 SSA-CNN-LSTM 模型 2168.3 预测模型构建及参数设置 2188.3.1 数据获取 2188.3.2 归一化处理 2198.3.3 参数设定 2198.3.4 误差评价指标 2208.4 预测结果分析 2218.4.1 全年预测结果分析 2218.4.2 各季节预测结果分析 2238.4.3 消融实验 2278.4.4 与其他模型对比分析 2288.5 相关性分析 2298.6 本章小结 231参考文献 233
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第1章绪论 1.1生态种植屋面的概念 生态种植屋面隔热技术是屋面被动式蒸发隔热技术的主要方式之一[1-5]。占城市地表面积约30%[6]的建筑屋面，如果能进行植被绿化等生态隔热改造，将其打造成生态型隔热屋面，不仅可以扩大城市绿地面积，减缓城市热岛效应，还可以直接减少从建筑屋面传人顶层房间内的热量，改善室内环境，降低建筑能耗[1，5，6]。 所谓生态型隔热屋面，目前尚无专门的定义，大多把生态种植屋面作为生态型隔热屋面的代表。目前公众对于生态种植屋面的价值认知主要体现在以下几个方面[1，6-10]：①隔热节能效应，即通过生态种植屋面的实施可以有效降低从屋面进人顶层房间内部的热量，从而降低建筑能耗，实现建筑节能；②生态环境效应，即通过其实施可以改善室内外热环境舒适性，并能增加城市绿地面积、减缓城市热岛效应、降低噪声、增加生物多样性及净化空气等；③蓄积利用雨水，减缓城市暴雨后的地表径流，延长汇流时间，从而降低城市暴雨洪灾危险；④延长屋面材料及结构寿命，改善建筑屋面生存质量。 生态种植屋面包括粗放型种植屋面和精细型花园式种植屋面两种类型[11]，具有生态环境和隔热节能双重效应。其中粗放型种植屋面由于其具有造价低、施工简单、维护管理方便等特点在工程应用中已经日趋广泛[11]，但其节能技术化仍未实现，热工性能问题、隔热节能效果、热湿传递特征问题和生态环境效应的定量评价问题仍未解决[12-14]。在目前的相关节能设计标准和节能技术手册中，建筑绿化被认为是一项附加的节能措施[12]。 1.2国内外研究现状及发展动态 近年来，生态种植屋面隔热技术的研究引起了国内外学者的广泛重视，具体主要从隔热节能效应、生态环境效应、蒸发冷却特性，以及不同屋面隔热方式包括架空通风屋面、蓄水屋面、种植屋面和复合式种植屋面等几个方面展开研究。 1.2.1隔热节能效应 生态种植屋面的隔热节能技术研究主要采用理论分析和实验测试两种方法进行[15]。研究内容主要包括：①隔热效应；②节能效应；③热工性能；④蒸发冷却效应；⑤热湿传递特性及能量平衡模型；⑥蒸发模型；⑦气候适应性与既有建筑改造的迫切性问题等。 1.隔热效应 Onmura等[16]对轻型种植屋面进行了隔热性能研究，结果表明采用种植屋面后屋顶外表面温度可降低10～30°C。赵定国等[17，18]对轻型佛甲草种植屋面的隔热性能研究表明：种植屋面外表面温度与裸露屋面温度相比平均降低16.0C，屋顶内表面温度平均降低约3.3C，室内空气温度平均降低2.0C。郭昶诗[19]和白雪莲等PQ]分别对粗放型普通佛甲草种植屋面的隔热效应进行了测试，植被层表面温度分别比裸露屋面外表面温度平均低3.8C和7.2C，最大降低值分别为11.1C和24.0C。罗志强等[21]对轻型种植屋面的研究表明：设置植被与未设置植被房间的屋顶内表面温度相比最大降低19.7C，*小降低1.6C。Niachou等[22]对轻型种植屋面的研究结果表明：屋顶外表面温度最大可降低14.0C，房间内空气温度降低2.0C(平均值)和3.0C(最大值)。杨晚生等[23]对轻型模块化种植屋面的实验表明：植被层底面温度比裸露屋面温度低约12.7C(最大值)和4.0C(平均值）。Santamouris等[24]的研究结果显示：种植屋面房间内部的空气温度超过30.0C的比例为15%，而无种植屋面房间的室内空气温度超过30.0C的比例为68%。 从上述研究结果可以看出：①由于研究者所研究的种植屋面构造、材料和建筑形式的不同，其隔热效果差异性较大；②不同的研究者研究的侧重点不同，所在的气候条件差别较大，对种植屋面隔热研究结果也不尽相同。 2.节能效应 关于生态种植屋面的节能效应，国内外学者多采用种植屋面与无种植屋面传热量来进行比较，或采用单位面积空调节电量指标来评价其节能效应。所谓单位面积空调节电量指标是指种植屋面单位面积空调电耗降低的值[单位：(kW？h)/(d？m2)]。 Jaffal等[14]的研究结果表明：夏季设置种植屋面的房间室内空气温度降低约2.0C，年能耗需求降低约6%。Tabares-Velasco等[15]指出：足尺寸种植屋面比无种植屋面的平均传热热流减少18%～75%，实验室控制条件下传热热流减少约25%。Niachou等[22]认为种植屋面对冬季耗热量的减少效应大于夏季蒸发冷却效应，而且提出屋面植被隔热和蒸发冷却效果与屋面本身的隔热性能有密切关系，原有屋面的隔热性能良好，其植被层的隔热和蒸发冷却效应不显著。Santamouris[24]的研究结果表明：种植屋面与无种植屋面的房间相比建筑冷负荷可减少6%～49%，而且种植屋面房间的室内温度舒适度范围较无种植屋面房间的大。Wong等[25]的模拟研究结果表明：精细型花园式种植屋面比原有屋面[传热系数为0.51W/(m2？K)]的年能耗节约量为0.6%，比设置在无隔热层屋面上的种植屋面其年能耗节约量为10.5%，并且指出节约的能耗均来自冷负荷。Castleton等[26]指出：尽管种植屋面提高了屋面的热工性能，但不能代替原有屋面的隔热层。Alcazar等[27]的研究结果表明：植物的遮挡、蒸腾和光合作用对屋面热性能的影响大，光合作用和蒸腾作用可减少5%～20%作用到屋面上的热辐射。 文献[17]于2007年7月21日～8月1日对两个房间进行了对比测试，每个房间的内净体积为6.9mx3.4mx3.2m，无窗户，有1.2mx2.5m的塑钢门，每个房间装有1500W的松下壁挂式空调一台，设定室内温度为26°C，运行一天后正式开始记录测试。得到日单位面积的节电量为0.1066(kW？h)/(d？m2)，日单位体积的节电量为0.0333(kW？h)/(d？m3)。白天节电约20.9%，晚上节电约18.4%。国内不同研究者所得出的种植屋面空调节电量指标见表1-1。 从上述文献分析可以看出：目前对于种植屋面尤其是轻型种植屋面的节能特性研究开展得并不多，同时由于所处地域差别、种植屋面构造模式的不同，所得出的结论也具有一定局限性和条件性，种植屋面在湿热气候条件下的节能特性仍需进一步研究。 3.热工性能 种植屋面的热工性能参数主要包括材料(主要是种植土材料)和系统的传热系数、导热系数、等效热阻、热容、热扩散系数和比热等，是准确分析和定量评价种植屋面传热和热湿平衡的基础数据。热工性能参数与种植土类型、孔隙率、含水量、密度及系统的构造模式等有密切关系[29]。早期的研究者[22]常常将种植土的导热系数看作常数进行研究。Smlor等[3。，31]研究了不同含水量对一般种植土导热系数的影响。 唐鸣放等[12]给出了种植屋面等效热阻的定义：即同时测量有绿化和无绿化屋顶内表面温度，其温差反映了种植土层和植被在实际气候作用下共同的隔热效果。这种隔热效果可以等效地在屋面上设置隔水隔汽的隔热材料，通过传热计算得到其内表面温差，让这一温差与种植屋面内表面温差在一个气候期内的平均值相等，便认为在屋顶上的绿化层与该隔热材料等效，隔热材料的热阻便为绿化层的等效热阻。 采用等效热阻来评价生态种植屋面的隔热性能，可以方便地与其他隔热材料的性能进行比较，便于工程应用，但也存在局限性，主要表现在由于实际气候环境的复杂性和生态种植屋面的隔热动态特性，在稳态气候环境模拟条件下得到的参数具有一定的局限性[12]。 对于种植屋面的传热系数或等效热阻，大多数文献均采用数值模拟或稳态传热的方法进行研究[32]，Tabares-Velasco等[15]的研究指出：7.5～15.0cm厚的浅层种植屋面的等效热阻为0.37～0.85(m2？K)/W。Niachou等[33]研究的精细型花园式种植屋面的等效热阻为0.36～1.61(m2？K)/W。孟庆林等[34]采用风洞测试粗放型种植屋面绿化层的等效热阻为0.41～0.63(m2？K)/W。唐鸣放等[12]测试所得粗放型种植屋面绿化层(种植土为一般沙土)等效热阻为0.56(m2？K)/W。郑澍奎等[28]测试的轻型种植屋面的等效热阻为2.41(m2？K)/W。Alcazar等[27]对50mm厚的种植屋面在不同含湿量情况下的传热系数进行了研究，干燥状态下传热系数为0.42W/(m2？K)，20%和80%含湿量状况下的传热系数分别为0.46W/(m2？K)和0.53W/(m2？K)。 可以看出：对于种植屋面的等效热阻等热工性能指标的研究，不同的研究者由于所研究的隔热构造、种植土和植被类型、屋面结构、气候条件等不同，其结果差异性较大，对其合理评价及应用仍缺乏充足的依据，需要进一步探讨研究。 对于种植屋面材料热工性能的研究，需要解决的问题包括：①除了考虑材料成分、孔隙率、构造模式等因素外，还应充分考虑材料密度对种植土的热物性影响，材料密度对含湿土壤导热系数的影响达30%～40%[29];②测试条件的非稳态特性会影响到热物性参数测试结果的准确性[15];③材料本身的不均匀性和种植屋面热湿传递的动态特性需要采用全面动态的热工性能指标和测试方法来进行评价和研究[15]。 4.蒸发冷却效应 关于种植土层和植被层的蒸发冷却效应问题，国内外学者也存在争议。文献[35]～[37]认为：种植屋面由于植被冠层的遮挡和含湿基质层的蒸发隔热，基本消除了太阳辐射对屋面的热作用，因此在夏季晴朗天气，在分析种植屋面的传热性能时，可以忽略太阳辐射的热，这种观点认为植被对太阳辐射起到了重要的隔绝作用。Niachou等[33]则认为种植屋面的隔热效应是植被和土壤综合作用的结果。他指出：种植土层厚度增加100mm，干土植被热阻增加0.4(m2？K)/W，而含湿量40%的湿土植被热阻增加约0.063(m2？K)/W，这一研究结果反映了含湿量对种植土层热阻的影响。Onmura等[16]和白雪莲等[2。]认为植被的蒸腾作用和土壤表面的水分蒸发冷却作用是种植屋面散热的主要方式，并且指出要优化种植屋面的隔热性能，必须提高植被和土壤的水分蒸发速率。Lui等[38]认为种植屋面的热特性主要受种植土层厚度的控制。Wolf等[39]认为通过合理搭配植被的种类可以加大种植屋面的水分蒸发速率，从而增强其蒸发冷却效应。Feng等[1。]认为58%的热量被蒸腾作用带走，30.9%的热量通过长波辐射散失，只有1.2%的能量蓄存或传递到室内，9.5%的能量被植被光合作用所吸收。 除了植被的蒸腾作用、光合作用、遮挡作用和种植土的水分蒸发作用外，种植土在干燥状态下的隔热性能也是影响种植屋面隔热性能的重要因素。Lazzarin等[1]指出：即使在种植屋面土壤处于干燥状态，通过屋面进人室内的热量也可以减少60%。他认为湿土壤种植屋面的蒸发冷却效应是干土壤种植屋面的2倍，但湿土壤种植屋面的蒸发冷却效应的比例也不大(为25%)，这与其他研究成果[1。]存在较大差异。因此，Lazzarin等认为种植屋面的热阻对种植屋面的隔热性能起着重要的作用。 对于种植屋面的水分蒸发速率的影响因素，国内外学者也存在不同的观点。Theodosiou[4Q]和Takakura等[6]认为空气的相对湿度对水分蒸发速率有很大影响，而国内学者唐鸣放等[12，192。]则认为土壤的含湿量和降雨状况等对种植屋面的水分蒸发速率有显著的影响。 目前关于生态种植屋面蒸发冷却效应的研究，有待解决的问题如下： (1)生态种植屋面动态蒸发冷却效应的定量评价及其隔热节能效应的影响因素分析。 (2)植被的遮挡隔热效应、植被蒸腾和光合作用、种植土层的蒸发、植被表面辐射特性及系统各构造层隔热性能的定量评价问题。 (3)干燥和不同含湿量状态下种植土层的隔热效应。 (4)种植土层的含湿量、厚度、密度对种植屋面蒸发效应的定量影响评价。 (
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