仿生植物用于建筑遮阳防热及其效果优化研究

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建筑最基本的功能是为人们提供遮风挡雨的庇护所。我国炎热气候区居住着我国半数以上的人口,在这些地区,越来越多的房屋都必须进行建筑防热设计。植物具有独特的生理结构和生理特性,能够适应不断变化的天气条件,有着天生的气候适应能力。同时,植物对建筑环境的改善已经有相关应用,一个典型的受自然启发的防热方式是垂直绿化或屋顶绿化。然而立体绿化在发展过程中也存在着养护成本高、植物生长受季节和地域影响大、易生蚊虫等问题。基于对植物降对自身及建筑降温机制的分析,本文提出利用植物降温机制进行仿生,从而达到建筑防热效果,从而保留植物在建筑防热方面存在的优越性并解决其存在的不足。本文选取真假叶片遮阳作为研究对象,主要做了以下工作:首先基于仿生叶片遮阳效果对应与真实叶片相近或相当的要求,选择四种真实叶片材料及仿生叶片材料——常春藤对应涤纶、鲁氏石莲对应粘土树脂、银叶菊对应铝片、冬青对应PE(塑料),对比测试它们的短波反射率和长波发射率,并基于反射率与发射率比值分析叶片材料遮阳的适宜性。结果表明,真实植物叶片中银叶菊遮阳适应性最佳,仿生叶片材料中铝片遮阳适应性最佳。其次,为了更深入了解真假叶片在相同气候条件下本身温降及冠层遮阳效果,本章在第2章基础上选取适合的真植物叶片作为样本制作仿生叶片及其单一冠层,并在相同气候条件下,对比测试了单一真假叶片温降效果,考察了常青藤单层冠层叶片不同材料和不同覆盖率对其遮阳效果的影响。通过单一真假叶片温降情况并综合材料的耐候性及植物形态等特点选取常春藤作为冠层植物样本,涤纶和铝片作为对应仿生材料;通过不同材料——真实常春藤、涤纶、铝片三者冠层遮阳实验对比,实验结果表明铝片遮阳效果最佳;通过选用不同覆盖率——55.7%、76.3%、89.4%——涤纶材料的冠层遮阳实验对比,实验结果表明覆盖率为89.4%时遮阳效果最好,但与覆盖率76.3%差别较小,从综合角度来看,覆盖率76.3%的遮阳装置效果最为合适。再次,在实测了真假叶片冠层遮阳效果之后,植物生理作用——蒸腾作用在植物降温机制研究中扮演着重要的角色。本章在第3章的基础上,选取常春藤单层冠层为研究对象,进行叶片的蒸发量实测,采用实体模型与数学模型相结合的方式,建立简化能量计算方程,对遮阳、蒸发、对流换热过程进行量化,并对常春藤冠层单层叶片蒸发量进行预测。结果表明,基于能量公式的计算,常春藤单层叶片辐射与对流为散热主动方式;蒸发量实测与预测中,趋势与实测结果较为相似。最后,基于对蒸腾作用对植物降温机制的应用与仿生,采用植物根部吸水原理——毛细作用,选取吸水且耐候性强的材料——coolpus与前文选择的仿生材料——涤纶与铝片分别进行复合,从而对其进行吸水改良处理,并验证其温降效果。结果表明,进行吸水改良的叶片与原材料叶片相比具有明显的降温效果。
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