孫 逸，張言進(jìn)，付海明

(東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201600)

隨著國(guó)家低碳戰(zhàn)略的提出，越來(lái)越多的研究嘗試通過(guò)降低建筑能耗來(lái)保護(hù)環(huán)境[1]，隨之出現(xiàn)各種創(chuàng)新的建筑解決方案。在生物氣候建筑領(lǐng)域最有效的解決方案之一是采用綠色植被屋頂技術(shù)[2]。國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)部分第四代建筑，其層層有園林，戶(hù)戶(hù)有庭院，因此合理選擇配植的綠色植物對(duì)建筑節(jié)能，提高人居的熱舒適性，改善周邊環(huán)境微氣候有積極意義[3]。一些研究分析了植被層對(duì)建筑節(jié)能性能的熱影響[4]。然而，關(guān)于特定植被葉片的熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)，如葉片導(dǎo)熱系數(shù)、與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)等仍然缺乏。對(duì)該類(lèi)參數(shù)的測(cè)定，可幫助計(jì)算出植被層蓄熱系數(shù)、熱衰減倍數(shù)、熱延遲時(shí)間等，將有助于植被層節(jié)能效益研究[5]。

本研究通過(guò)對(duì)10種植物葉片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，獲得其熱物性參數(shù)，分別建立葉片導(dǎo)熱系數(shù)與葉片溫度、濕度關(guān)聯(lián)式，葉片與空氣對(duì)流換熱熱阻與葉面積指數(shù) LAI的關(guān)聯(lián)式[6]，并給出一般環(huán)境狀態(tài)下植被的導(dǎo)熱系數(shù)與對(duì)流換熱系數(shù)范圍，以期為該綠植應(yīng)用于綠色建筑熱阻理論研究[7]，以及實(shí)際工程案例節(jié)能效益分析提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選取上海市東華大學(xué)校園內(nèi)可用于綠色建筑配植的10種常見(jiàn)園林植物葉片作為研究對(duì)象，分別為廣玉蘭(Magnolia grandiflora)、木犀(Osmanthus fragrans)、八角金盤(pán)(Fatsia japonica)、蠟梅(Chimonanthus praecox)、構(gòu)樹(shù)(Broussonetia papyrifera)、灑金桃葉珊瑚(Aucuba japonica var.variegata)、石楠(Photinia serratifolia)、香樟(Cinnamomum camphora)、劍麻(Agave sisalana)、女貞(Ligustrum lucidum)。植物葉片均選取大小相近，無(wú)枯萎全綠葉片，每種葉片取20～30片。測(cè)試時(shí)將葉片統(tǒng)一裁剪為統(tǒng)一大小進(jìn)行拼接，同種葉片實(shí)驗(yàn)取統(tǒng)一定型尺寸，均在摘取30 min內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 導(dǎo)熱性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本次導(dǎo)熱測(cè)試方法是基于傅里葉導(dǎo)熱定律[8]：

實(shí)驗(yàn)使用 TPMBE-300-Ⅲ型材料導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)設(shè)備，試件一側(cè)為熱板，另一側(cè)為冷板。由于該設(shè)備核心測(cè)溫區(qū)域?yàn)?50 mm × 150 mm，故實(shí)驗(yàn)中將裁剪過(guò)的葉片拼接成≥150 mm × 150 mm放入導(dǎo)熱儀冷熱板之間，待確認(rèn)兩板夾緊后使用精度為0.01 mm游標(biāo)卡尺測(cè)量葉片層厚度。在軟件中設(shè)定冷熱板溫度，葉溫設(shè)為冷熱板溫度的平均數(shù)，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為5 s，待傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)記錄，每組允許偏差3%以?xún)?nèi)，記錄5組數(shù)據(jù)，取平均值得到一組導(dǎo)熱系數(shù)。每種葉片5次重復(fù)，故每種植物取得最終導(dǎo)熱系數(shù)樣本量為25。

葉片含水量選擇直接法測(cè)量。測(cè)定前將整理好的葉片放入電子秤中稱(chēng)重，測(cè)量精度為 0.0001 g，max=120 g，測(cè)量完成后放入導(dǎo)熱儀中測(cè)量，待導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量完成后放入真空干燥箱烘干，每種葉片均在100 ℃下烘干5 min，后繼續(xù)稱(chēng)重重復(fù)上述步驟，直至葉片完全烘干，實(shí)驗(yàn)中葉片于烘干30 min后其重量基本不再發(fā)生變化，故將植物葉片在100 ℃烘干1 h后視為該葉片已完全烘干，稱(chēng)重得到最終重量，以此計(jì)算該葉片在每個(gè)測(cè)量階段的含水量。

實(shí)驗(yàn)中葉片溫度取5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃，以此研究上海市常見(jiàn)氣溫下植物導(dǎo)熱系數(shù)，并對(duì) 20 ℃下葉片進(jìn)行含水量與導(dǎo)熱系數(shù)之間關(guān)系研究。實(shí)驗(yàn)儀器控溫精度≤0.1 ℃，測(cè)量精度5%。

1.3 葉片對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)試及增濕效果實(shí)驗(yàn)

對(duì)流換熱測(cè)試方法是基于牛頓冷卻公式[9]：

式中，Q為流體與壁面的換熱量(W)；h為流體與壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)(W·m-2·K-1)；A為換熱面積(m2)；tw為壁面溫度(℃)；tf為流體溫度(℃)。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1?？諝饨?jīng)過(guò)電加熱后與葉片進(jìn)行換熱，設(shè)置了四處熱電偶溫度計(jì)測(cè)量風(fēng)洞內(nèi)溫濕度。

圖1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1 Wind tunnel experimental setup

首先通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)備調(diào)節(jié)固定風(fēng)速模擬自然狀態(tài)下的葉片換熱情況。由中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集中給出上海市平均風(fēng)速約為3 m·s-1，故將風(fēng)速控制范圍為3～3.5 m·s-1，并記錄葉片溫度、葉面積指數(shù)(LAI)。通過(guò)圖1中所示的干、濕球溫度計(jì)3與4分別測(cè)得與葉片換熱前后空氣干濕球溫度，濕度變化可由干濕球溫度通過(guò)查焓濕圖獲得，通過(guò)熱氣流與葉片熱交換熱流通量為顯熱量，公式：

式中，m為單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)單位面積的質(zhì)量流量(kg·m-2·K-1)；cp為空氣定壓比熱容(J·kg-1·K-1)；t1、t2分別為風(fēng)管進(jìn)出口空氣溫度(℃)。

計(jì)算出總顯熱換熱量Q后，代入公式(2)中計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)h。

對(duì)流換熱系數(shù)的理論校核計(jì)算采用文獻(xiàn)自然對(duì)流準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式[10]：

Nu準(zhǔn)則是表示對(duì)流換熱強(qiáng)烈程度的準(zhǔn)則數(shù)，又表示流體層流底層的導(dǎo)熱阻力與對(duì)流傳熱阻力比。

2 結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定與葉片水分公式擬合

五種植物部分葉片溫度與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖2。由圖2可知，葉片溫度在5～25 ℃下導(dǎo)熱系數(shù)變化幅度不大，變化幅度為0.8%～7.4%。因此，實(shí)驗(yàn)中忽略所測(cè)試的 10種植物葉片溫度對(duì)葉片導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

圖2 葉片導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線Fig. 2 Variation curve of leaf thermal conductivity with temperature

常溫狀態(tài)20 ℃下10種常見(jiàn)園林植物葉片含水量及導(dǎo)熱系數(shù)如表 1。可根據(jù)該導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算葉片導(dǎo)熱熱阻[11]。葉片導(dǎo)熱熱阻計(jì)算使用以下公式:

式中，Rλ為導(dǎo)熱熱阻(m2·K·W-1)，δ 為葉片厚度(m)，λ為葉片導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·K-1)。

使用測(cè)量精度0.01 mm游標(biāo)卡尺對(duì)葉片厚度進(jìn)行測(cè)量，后經(jīng)過(guò)公式(6)計(jì)算可得植物在常溫下的熱阻，數(shù)據(jù)整理如表1所示。由表1可知，常溫下植物葉片導(dǎo)熱熱阻 Rλ約在 0.001～0.005 m2·K·W-1之間。

表1 校園內(nèi)常見(jiàn)植物導(dǎo)熱系數(shù)、含水量及導(dǎo)熱熱阻Table 1 Thermal conductivity and water content of common plants on campus

植物葉片導(dǎo)熱系數(shù)與葉片含水量變化關(guān)系見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，20 ℃下各種植物葉片導(dǎo)熱系數(shù)均隨含水量上升而存在不同程度的升高。10種植物導(dǎo)熱系數(shù)變化幅度為2.4%～61.7%。

圖3 葉片含水量與其導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系Fig. 3 Relationship between moisture and thermal conductivity of leaf

考慮到導(dǎo)熱系數(shù)隨物質(zhì)種類(lèi)、溫度及含水量等變化而變化[12]，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量特定葉片導(dǎo)熱系數(shù)與葉片含水量的相應(yīng)變化，分別擬合其相關(guān)關(guān)聯(lián)公式。以含水量為自變量x，導(dǎo)熱系數(shù)為因變量y進(jìn)行線性擬合，10種植物葉片含水量與其導(dǎo)熱系數(shù)的線性擬合公式如表 2。R2為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臎Q定系數(shù)，越接近 1，表示擬合程度越好。表 2中擬合公式可用于計(jì)算該種葉片相對(duì)應(yīng)含水量下的導(dǎo)熱系數(shù)，含水量適用范圍 10%～70%，葉溫范圍5～25 ℃。

表2 導(dǎo)熱系數(shù)與葉片含水量函數(shù)關(guān)系式Table 2 Functional relationship between thermal conductivity and leaf water content

2.2 對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)定及葉片對(duì)周邊空氣濕度影響

每種葉片對(duì)流換熱測(cè)試結(jié)果與理論值比較如圖4。由圖4可以看出，10種植物葉片對(duì)流換熱系數(shù)范圍在 2～6 W·m-2·K-1，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，相差1%～3%之間。

圖4 對(duì)流換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果比較Fig. 4 Comparison of experimental and theoretical calculation results of convective heat transfer coefficient

常溫下 10種植物葉片對(duì)流換熱系數(shù)及單位面積熱阻如表 3。單位面積熱阻即為對(duì)流換熱系數(shù)倒數(shù)，可用于后續(xù)研究植被層熱阻。

表3 葉片自然對(duì)流換熱系數(shù)及單位面積對(duì)流換熱熱阻Table 3 Natural convection heat transfer coefficient and convection heat transfer resistance per unit area of leaf

為便于采用熱歐姆定律計(jì)算對(duì)流換熱交換的熱流通量，考慮LAI對(duì)植物層對(duì)流換熱熱阻Rah影響，故將LAI作為自變量x，熱阻Rah作為因變量y，進(jìn)行關(guān)聯(lián)式擬合，擬合公式如表4所示。

表4 葉片對(duì)流換熱熱阻與LAI函數(shù)關(guān)系式Table 4 Functional relationship between convective heat transfer resistance and LAI

式中，h為對(duì)流換熱系數(shù)(W·m-2·K-1)；A 為葉片換熱面積(m2)。

通過(guò)與葉片接觸前后干濕球溫度，查詢(xún)焓濕圖，分析葉片增濕效果(圖5)。其測(cè)點(diǎn)為圖1中植物換熱段前后兩個(gè)干濕球溫度計(jì)3、4，測(cè)試時(shí)保持溫度為25 ℃。由圖5可以看出，葉換熱后空氣相對(duì)濕度均比葉換熱前空氣相對(duì)濕度高，表明葉片對(duì)周?chē)佑|空氣存在增濕作用[13]，增濕幅度為2%～10%左右。

圖5 與葉片接觸前后空氣相對(duì)濕度變化Fig. 5 Air relative humidity changes before and after contact with leaves

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)基于傅里葉導(dǎo)熱定律和牛頓冷卻公式，對(duì) 10種校園內(nèi)常見(jiàn)植物葉片導(dǎo)熱系數(shù)以及對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，得到如下結(jié)論。

(1) 葉片導(dǎo)熱系數(shù)在5～25 ℃葉溫下變化不大，可視為不受溫度變化影響；本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出常溫狀態(tài)下特定葉片導(dǎo)熱系數(shù)表，以便計(jì)算導(dǎo)熱熱阻，為后續(xù)對(duì)植物葉片傳熱傳質(zhì)分析研究提供參考，且通過(guò)此單葉片熱阻進(jìn)一步研究植被層熱阻、蓄熱系數(shù)，可用于綠色建筑的節(jié)能能耗分析。

(2) 葉溫20 ℃下，10種植物葉片導(dǎo)熱系數(shù)隨著含水量減少均呈不同程度的下降趨勢(shì)，各種植物葉片導(dǎo)熱熱阻為 0.001～0.005 m2·K·W-1。

(3) 葉片與空氣間自然對(duì)流換熱系數(shù)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與文獻(xiàn)理論計(jì)算值吻合度較高，為后續(xù)該類(lèi)實(shí)驗(yàn)研究提供了驗(yàn)證方法，且所得對(duì)流換熱系數(shù)可為綠色建筑工程案例分析中研究植被層熱衰減倍數(shù)及熱延遲時(shí)間提供參數(shù)依據(jù)。

(4) 空氣與葉片接觸前后干濕球溫度的變化表明，葉片干球溫度低于周?chē)諝猸h(huán)境干球溫度，葉片換熱后空氣濕度高于葉片換熱前空氣濕度，增濕幅度為2%～10%。