英文文献汇报
汇报人：XXX
时 间：2019.11.21
Numerical simulation and experiments with green roofs for increasing indoor thermal comfort
期刊：《Journal of the Chinese Institute of Engineers 》关键字
大面积的绿色屋顶；
节能减排;
有限元分析;
室内热舒适度
目 录
摘
要
试验过程
试验结果
结论
摘
要
绿色屋顶不仅可以改善建筑美学，还有助于城市地区的可持续发展。 由于现代城市缺少绿地，因此近年来绿色屋顶被广泛使用。 本
文着重于绿色屋顶的热性能和有限元分析模型的发展，以改善室内热舒
适性。 对台北的一栋教学楼进行了全面的实地试验，以验证分析模型
并调查广泛的绿色屋顶的实际收益。 结果发现，绿色屋顶在冬季几乎
没有隔热效果，而在夏季则具有显着的降温效果，这将使室内温度降低
至4°C。
实 验 过 程
理论分析
1.蒸散作用：包括两个水分蒸发过程--从土壤表面和叶片表面的蒸发，以及通过叶片气孔的蒸腾作用
为了描述通过植物冠层的太阳辐射，假设冠层是一个均
匀的层，由随机排列的水平叶片和冠层LAI 组成，LAI 是每单
位地面面积的总投影叶面积。然后通过冠层的辐射可以表示
为R 是入射的太阳辐射，Rn 是通过冠层到达地表的净太阳辐
射
ET0为参考蒸散率；Δ为温度-蒸气压曲线斜率，为气温Tamb 的函数；Rn 为太阳净辐射；G 为土壤热通量；γ为湿度常数；u2为作物上方2m 处测得的风速；es 为饱和蒸气压；ea 为实际蒸气压蒸汽压，取决于湿度和温度。
ET ：实际的蒸散速率
2.太阳辐射：植物直接遮荫有助于减少太阳辐射向结构屋顶的转移，减缓室内空气温度的飙
升
实验地点：在台湾台北市吴兴小学进行实地实验，选取由两个平行的主体结构组成的建筑，一个带有绿色屋顶，另一个没有。由于绿色屋顶上的农作物类型不均一，因此根据农作物将屋顶分为三个区域高度，这意味着不同的叶面积指数LAI。
试验方法：1.利用商业有限元软件ABAQUS开发并比较热模型，以计算能量平衡系统中的蒸散热量，包括三维完整模型、二维平面模型和一维简化模型，进行四阶段不同环境温度下的实地试验
2.验证这些模式的准确性，并了解台湾台北地区气候条件下大面积绿化屋顶的实际效益
叶面积指数LAI：指植物的叶片
总面积和种植地块面积之比
右图为绿色屋顶和裸屋顶：多年生草本植物、
灌木、藤本植物等有植物的屋顶以及裸露的屋顶
以下区域：
(A)GR1，(B)GR2，(C)GR3，(D)基层屋顶
如图所示，最暗区域的农作物最高叶面积指数（LAI最大），最亮区域的农作物最低高度（LAI最小）
放置的位置：
A--F：将温度计设置在叶片表面，土壤表面，土壤底部，屋顶拱腹， 悬挂在屋顶拱腹和轻型天花板之间，距离轻天花板向下15厘米（对于GR1和GR2）或向下30厘米（对于GR3和BR）
绿色屋顶：安装三套温度计GR1，GR2和GR3
GR1和GR2：六个温度计，A-F
GR3 ：5个温度计，A-F 中无E
BR：三个温度计C，D和F（另一套）
在BR上安装了一个气象站WatchDog 2550，
以测量室外气象数据，包括太阳辐射，环境
温度，相对湿度和风速。
温度计放置的位置
（a）绿色屋顶（b）裸露屋顶
模型设置 根据进行现场实验的建筑物的设置，
设置了三种类型的热模型：三维模型、二维
平面模型、一维简化模型
1.分析所需的材料特性规范包括空气、建筑围护
结构（包括墙、隔墙、屋顶、地板和混凝土、轻质混凝土、水泥、瓷砖和防水层等材料）、土壤、顶棚和排水系统
2.根据实验楼布置断面布置，分析模型中的配置和维度
3.使用BR上的气象站设备测量气候条件，
包括环境温度、风速、相对湿度和入射太
阳辐射。为了将辐射分配给不同方向的墙
壁，使用布格方程和伯拉格方程计算相应
的辐射。
1.采用ABAUQS/Standard对模型进行了传热瞬态分析，时间增量设定为1200秒，二
维平面模型和一维简化模型的空气元网格为10cm×10cm，覆盖层和冠层网格为5cm×5cm，单元类型为DC2D8（8节点双二次传热单元）。由于三维实体模型较大且复杂，为缩短分析时间，在ABAQUS/CAE中对网格进行了自动剖分，其设置为：空气为100cm×100cm×100cm，包膜为
50cm×50cm×50cm，冠层为100cm×100cm×冠层厚度，单元类型为DC3D10（用于传热的10节点二次四面体单元）。网格如图所示
实验结果
现场试验结
室内空气温度（F温度计）实验结果果Array
1. 如图所示，在冬季（当环境温度低于
15°C时），绿色屋顶起到了隔热的作用，使室
内温度略高于BR下的温度。
2.另一方面，在春季，当环境温度介于15和
25°C之间时，绿色屋顶下的室内温度低于BR下的室
内温度，最高温度差约为2°C。此外，当每日最高温
度高于30°C时，见（c）和（d），绿色屋顶与BR之
间的最大室内温差可达4°C，也就是说，绿色屋顶在
夏季具有显著的降温效果。环境空气温度越高，冷却
效果越显著。
3.三个绿色屋顶区域的室内温度的数值顺序：
GR1最低，GR3最高。结果表明，屋顶的LAI值
与其降温效果有很大关系。叶面积指数越大
（如树叶越密），室内温度越低。
模型分析结果
对于BR，所有三种模型的分析结果都与实验结果接近（图11（a），（c）和e）；
对于绿色屋顶:
比较叶片表面温度（见图11（b），三种分析模型均能接近实际情况，
比较屋顶拱腹温度（见图11（d），一维简化模型的分析结果无法接近实验结果，但二维平面模型和三维模型都可以。
比较室内空气温度（见图11（f）)同样，二维平面模型和三维模型都能准确模拟实际情况，但一维简化模型未能做到这一点
通过比较，确定了二维平面模型和三维模型的精度。为了简化复杂度和节省分析时间，在下一节中选择2D平面模型作为分析模型。
三种有限元模型的分析结果与现场试验结果的比较如图所示。
模型结果与实验结果分析
分析和实验结果得，绿色屋顶在冬季几乎没有
隔热效果。然而，夏季屋顶绿化的降温效果要明显得多。
可将屋顶拱腹温度降低至6℃，室内温度降低至4℃，提供更好的室内热舒适性。
为了更详细地比较实验和分析（即模拟）结果，将屋顶拱腹温度数据和室内空气温度数据用于均方根误差（RMSE）比较。BR、GR1、GR2和GR3的屋顶拱腹温度
和室内空气温度的RMSE值如表3所示。由于时间延迟效
应，尽管图（a）中BR温度曲线之间的差异似乎很小，
但BR屋顶拱腹温度的RMSE比其他温度大。
结 论
利用有限元法建立了三种热分析模型（三维全模型、二维平
面模型和一维简化模型）。对比结果表明，所提出的二维平面模型对真
实建筑的热工行为具有足够的模拟精度。试验与分析结果均显示，台湾
地区夏季屋顶具有显著的降温效果，冬季则因冬季相对温暖而无明显的
隔热效果。屋顶绿化的降温效果与LAI有关。LAI越大，降温效果越显著。
与BR相比，绿色屋顶能够将屋顶拱腹温度和室内空气温度分别降低到
6°C和4°C，从而获得更好的室内热舒适性。