粗放式屋頂綠化的熱惰性

唐鳴放，王 東

（重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

粗放式屋頂綠化的熱惰性

唐鳴放，王 東

（重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

屋頂綠化的熱工性能是進(jìn)行建筑節(jié)能工程設(shè)計(jì)和評價(jià)的依據(jù)，但目前對屋頂綠化熱工性能的研究很少關(guān)注熱惰性。以一種粗放式屋頂綠化在自然通風(fēng)狀態(tài)下連續(xù)5個(gè)月的對比測量數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析方法研究了屋頂綠化對氣候熱作用波動(dòng)的衰減和延遲特性。結(jié)果表明，綠化屋頂與裸屋頂相比，對氣候熱作用波動(dòng)的平均衰減倍數(shù)提高了1倍以上，延遲時(shí)間有所減少。

屋頂綠化；內(nèi)表面溫度；熱惰性

當(dāng)今城市面臨著能源需求不斷增大、城市熱島效應(yīng)普遍增強(qiáng)和生態(tài)環(huán)境惡化等問題，因此城市可持續(xù)發(fā)展需要大力開展建筑節(jié)能、抑制建筑能耗的快速增長，同時(shí)還要廣泛開展城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)，增加綠地、緩解城市熱島效應(yīng)。在這種情況下，屋頂綠化作為一種有效的節(jié)能生態(tài)綜合措施受到廣泛重視，這不僅促進(jìn)了屋頂綠化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，也激發(fā)了人們對屋頂綠化研究的更多興趣。在改善熱環(huán)境方面，主要有屋頂綠化對微氣候的影響和降低城市熱島效果的研究［1－2］。在建筑節(jié)能方面，主要關(guān)注屋頂綠化的隔熱效果和熱工性能。目前已有各種屋頂綠化降溫節(jié)能效果測量的報(bào)道［3－7］，也有屋頂綠化隔熱效果的模擬研究［8－11］。屋頂綠化的熱工性能可以直接應(yīng)用于建筑節(jié)能工程，通常使用與屋頂綠化隔熱效果相同的保溫材料層的熱阻來表達(dá)，并以測量數(shù)據(jù)為依據(jù)確定屋頂綠化當(dāng)量熱阻［12－15］。但是建筑材料層的熱阻是穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài)的性能參數(shù)，在周期性非穩(wěn)態(tài)傳熱過程中只能表達(dá)平均傳熱狀態(tài)的熱工性能。在室外周期性熱作用下，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)還具有熱惰性，表現(xiàn)為內(nèi)表面溫度波幅衰減和相位延遲。在屋頂上覆土種植綠化植物后，屋頂整體的熱惰性增大，在許多實(shí)際測量中，已經(jīng)得出屋頂綠化的內(nèi)表面溫度波動(dòng)很小，說明屋頂綠化增大了溫度波幅衰減，但屋頂綠化是否增大了相位延遲、是否有當(dāng)量熱惰性指標(biāo)等問題值得研究。筆者以一種粗放式屋頂綠化的全夏季測量數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析反映屋頂綠化熱惰性的內(nèi)表面溫度波的衰減和延遲特性。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

屋頂綠化的熱惰性是對氣候周期性作用的熱反應(yīng)，可以從屋頂綠化的隔熱效果與氣候參數(shù)之間的相關(guān)性來分析。屋頂綠化主要依靠植物遮陽、蒸發(fā)以及土層熱阻達(dá)到隔熱效果。植物遮陽的效果與植物種類、生長狀態(tài)和覆蓋程度有關(guān)，植物蒸發(fā)的效果與植物的蒸發(fā)特性和土層的含水量有關(guān)，土層熱阻與土質(zhì)材料及其含濕量有關(guān)。這些因素中，植物的狀態(tài)和土層的含水量還是處于動(dòng)態(tài)變化的過程中。植物的生長狀態(tài)隨季節(jié)變化，春、夏、秋三季會(huì)有不同的狀態(tài)，土層含水量與降雨氣候有關(guān)，也與人工澆水情況有關(guān)。因此，一般的屋頂綠化的隔熱效果受氣候因素的影響，也受人工管理因素的影響，而粗放式屋頂綠化基本上不用人工管理，其植物的生長狀態(tài)和土層的含濕量的動(dòng)態(tài)變化都是以年為周期的氣候作用的結(jié)果。因此，選擇粗放式屋頂綠化進(jìn)行全夏季熱工參數(shù)測量和分析，能反映氣候作用下這種屋頂綠化的熱惰性。

實(shí)驗(yàn)對象為重慶某多層住宅樓屋頂（見圖1），屋面上有一部分為自然生長多年的草地，土層厚約100 mm。屋頂結(jié)構(gòu)為架空通風(fēng)雙屋頂（見圖2），兩層屋面板之間的架空層高度為600 mm，前后開有通風(fēng)口，氣流通暢。因此，上層屋頂?shù)南聜?cè)空間處于自然通風(fēng)狀態(tài)，其內(nèi)表面溫度直接反映屋頂隔熱的效果。在裸屋頂和草地屋頂?shù)膬?nèi)表面布置溫度測點(diǎn)（見圖2），測溫儀為自記溫度計(jì)TR-52，儀器精度為±0.3℃，儀器固定在伸入架空層內(nèi)的長木棍上，儀器探頭緊帖上層屋頂?shù)膬?nèi)表面。布置溫度測點(diǎn)的屋頂所對應(yīng)的房間，分別為兩戶相鄰住宅的廚房，其窗戶開啟自然通風(fēng)。在附近屋頂布置氣象儀，為Davis小型氣象站，自動(dòng)測量太陽輻射照度、氣溫、濕度、風(fēng)速、降雨量等氣候參數(shù)，其中太陽輻射照度的精度為±5%，氣溫精度為±0.5℃。數(shù)據(jù)采集間隔為1 h，測量時(shí)間從5月1日持續(xù)到9月29日，共5個(gè)月，完全覆蓋了整個(gè)夏季。

圖1 測試屋頂

圖2 屋頂構(gòu)造和內(nèi)表面溫度測點(diǎn)

1.2 測量數(shù)據(jù)

測量期間，氣溫和太陽輻射照度的逐時(shí)變化見圖3，在室外氣候作用下，有、無草地的屋頂內(nèi)表面溫度的逐時(shí)變化比較見圖4，按月平均的測量數(shù)據(jù)匯總見表1。從氣候參數(shù)的變化來看，每月都不相同，這不僅直接影響屋頂?shù)膫鳠崃?，還影響土層的濕狀態(tài)和植物狀態(tài)。

氣候?qū)χ参锏挠绊懯且环N季節(jié)性的過程，從春季到秋季是草地植物的一個(gè)完整的生長周期，因此，下面以植物一個(gè)生長周期內(nèi)的測量數(shù)據(jù)為依據(jù)，研究屋頂綠化對氣候參數(shù)日變化作用的熱惰性。

圖3 氣溫和太陽輻射照度

圖4 屋頂內(nèi)表面溫度

表1 測量數(shù)據(jù)的月平均值

1.3 分析方法

裸屋頂具有明確的熱工性能，用于作為綠化屋頂隔熱的一種比較，因此屋頂綠化在實(shí)際氣候下的熱惰性采用對比分析法。通風(fēng)屋頂內(nèi)表面溫度受氣溫影響大，難以確定屋頂對室外熱作用波動(dòng)的衰減和延遲，因此，采用處于相同通風(fēng)環(huán)境下的綠化屋頂和裸屋頂?shù)膬?nèi)表面溫度波幅相比較的方法分析屋頂綠化對室外氣候波動(dòng)的衰減性。

夏季氣候參數(shù)并不是每天都相同的周期函數(shù)，這就導(dǎo)致屋頂對室外熱作用波動(dòng)的衰減和延遲每天都可能不同。在圖4中，兩個(gè)屋頂內(nèi)表面溫度每天最大值的時(shí)間差不是固定值，為此對夏季長時(shí)間連續(xù)測量數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)分析的方法，引入延時(shí)相關(guān)性的概念。屋頂?shù)臒岫栊允沟檬彝鉄嶙饔貌ㄔ趦?nèi)表面的反應(yīng)出現(xiàn)延遲，如果延遲時(shí)間為τh，則將內(nèi)表面溫度曲線向前移動(dòng)τh，就會(huì)與室外熱作用波動(dòng)曲線有最大的相關(guān)性。反過來，可以通過逐時(shí)向前移動(dòng)內(nèi)表面溫度曲線，使其與室外熱作用波動(dòng)曲線的相關(guān)性達(dá)到最大來確定延遲時(shí)間。因此定義內(nèi)表面溫度對室外氣候參數(shù)的延時(shí)相關(guān)系數(shù)如下：

式中：R（τ）為延時(shí)相關(guān)系數(shù)，x表示室外氣候參數(shù)逐時(shí)值，t表示內(nèi)表面溫度逐時(shí)值。

按照式（1）計(jì)算延時(shí)相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間τ的變化，找出最大延時(shí)相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的時(shí)間τ，即為延遲時(shí)間。用太陽輻射照度與氣溫的實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算延時(shí)相關(guān)系數(shù)，找出達(dá)到最大值的時(shí)間為3 h，這與氣溫對于太陽輻射照度的實(shí)際延遲時(shí)間基本相符，說明這種方法確定延遲時(shí)間是合理的。此外，最大延時(shí)相關(guān)系數(shù)越大，表明氣候參數(shù)的波動(dòng)對內(nèi)表面溫度波動(dòng)的影響越大；達(dá)到最大延時(shí)相關(guān)系數(shù)的時(shí)間越短，說明氣候參數(shù)的波動(dòng)在內(nèi)表面的反應(yīng)越快。

2 熱惰性分析

2.1 溫度波幅

根據(jù)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的屋頂內(nèi)表面溫度的日變化幅度每天都不相同，如圖5、6所示。裸屋頂?shù)膬?nèi)表面溫度變化幅度的大小與天氣有關(guān)，晴天變化幅度大，陰雨天變化幅度小，基本上無月份差別。綠化屋頂?shù)膬?nèi)表面溫度變化幅度除了與天氣有關(guān)，還與季節(jié)有關(guān)，春季變化幅度小，然后增大。這是因?yàn)榇杭練夂驕睾停涤觐l繁，植物生長茂盛，綠化層對太陽輻射的遮擋和蒸發(fā)效果好，因此屋頂內(nèi)表面溫度變化幅度小。進(jìn)入夏季以后，氣溫升高，降雨頻率低，在太陽輻射和高溫作用下，土層變得干燥，大量植物干枯，遮陽效果和蒸發(fā)效果都變差，屋頂?shù)挚篃嶙饔玫哪芰档?，?dǎo)致內(nèi)表面溫度變化幅度增大。

2.2 衰減倍數(shù)

屋頂對室外氣候熱作用波動(dòng)的衰減倍數(shù)為室外熱作用波幅與內(nèi)表面溫度波幅的比值。在相同的室外氣候熱作用下，綠化屋頂與裸屋頂?shù)乃p倍數(shù)的比值，即為綠化屋頂相對于裸屋頂?shù)南鄬λp倍數(shù)，其大小為裸屋頂與綠化屋頂?shù)膬?nèi)表面溫度波幅的比值。

圖5 裸屋頂內(nèi)表面溫度變化幅度

圖6 綠化屋頂內(nèi)表面溫度變化幅度

圖7為測量期間綠化屋頂?shù)南鄬λp倍數(shù)，可以用隨日期變化的擬合曲線表示。從5月1日開始，曲線由大逐漸變小，進(jìn)入6月中旬以后曲線趨于平直。擬合曲線反映了這種粗放式屋頂綠化的熱惰性隨季節(jié)變化的特點(diǎn)。

圖7 綠化屋頂?shù)南鄬λp倍數(shù)

將綠化屋頂各月的相對衰減倍數(shù)取平均值，得到圖8。可見，就夏季3個(gè)月來看，屋頂綠化的相對衰減倍數(shù)是6月大、7月和8月小，最小值為2。

圖8 各月綠化屋頂?shù)钠骄鄬λp倍數(shù)

2.3 延遲時(shí)間

屋頂對室外氣候熱作用波動(dòng)的延遲時(shí)間為內(nèi)表面溫度最大值的時(shí)間與室外熱作用波動(dòng)最大值的時(shí)間之差。在相同的室外氣候熱作用下，綠化屋頂與裸屋頂?shù)膬?nèi)表面溫度最大值的時(shí)間之差，即為綠化屋頂相對于裸屋頂?shù)南鄬ρ舆t時(shí)間，其值為正（負(fù)）時(shí)，表示綠化屋頂對室外氣候熱作用波動(dòng)的反映比裸屋頂慢（快）。

圖9為測量期間綠化屋頂?shù)南鄬ρ舆t時(shí)間，可以用隨日期變化的擬合曲線表示。曲線從5月1日開始緩慢下降，進(jìn)入6月中旬以后曲線趨于平直。曲線上的數(shù)值為負(fù)值，說明綠化屋頂對室外氣候熱作用波動(dòng)的反映比裸屋頂更快。

圖9 綠化屋頂?shù)南鄬ρ舆t時(shí)間

將綠化屋頂各月的相對延遲時(shí)間取平均值，得到圖10?？梢姡?月份綠化屋頂?shù)钠骄鄬ρ舆t時(shí)間的數(shù)值最小，其余月份的平均相對延遲時(shí)間基本相同。表明5月份綠化屋頂對室外氣候熱作用波動(dòng)的延遲時(shí)間與裸屋頂相近，其余月份綠化屋頂對室外氣候熱作用波動(dòng)的延遲時(shí)間比裸屋頂少2 h左右。

圖10 各月綠化屋頂?shù)钠骄鄬ρ舆t時(shí)間

室外氣候?qū)ξ蓓數(shù)臒嶙饔冒鉁睾吞栞椛?，可分別計(jì)算屋頂對氣溫和太陽輻射作用的延遲時(shí)間。使用氣候參數(shù)和屋頂內(nèi)表面溫度測量數(shù)據(jù)，按照式（1）計(jì)算出屋頂對氣溫和太陽輻射的延時(shí)相關(guān)系數(shù)，找出達(dá)到最大值的時(shí)間τ，可確定延遲時(shí)間。

圖11為屋頂對氣溫的延時(shí)相關(guān)系數(shù)變化曲線。從圖上可以看出，在每天24 h的熱作用周期波動(dòng)下，延時(shí)相關(guān)系數(shù)也呈現(xiàn)24 h的周期波動(dòng)，并且波動(dòng)曲線逐漸下降，這說明第1天的氣溫變化對第2天屋頂內(nèi)表面溫度的影響減小。而且裸屋頂曲線下降比綠化屋頂更快，這也表現(xiàn)了綠化屋頂?shù)男顭嵝?。在延時(shí)數(shù)為24 h內(nèi)，裸屋頂?shù)难訒r(shí)相關(guān)曲線波動(dòng)大，最大延時(shí)相關(guān)系數(shù)為0.96，說明裸屋頂內(nèi)表面溫度對當(dāng)天氣溫逐時(shí)變化的反應(yīng)強(qiáng)；綠化屋頂?shù)难訒r(shí)相關(guān)曲線波動(dòng)小，最大延時(shí)相關(guān)系數(shù)為0.85，并且各時(shí)間的延時(shí)相關(guān)系數(shù)都在0.7以上，說明當(dāng)天各時(shí)間的氣溫對綠化屋頂內(nèi)表面溫度都有較大影響。從圖上還可以看出，兩種屋頂對當(dāng)天氣溫變化的反應(yīng)延遲是不同的，綠化屋頂?shù)难舆t時(shí)間為2 h，裸屋頂?shù)难舆t時(shí)間為3 h，即綠化屋頂對氣溫變化的反應(yīng)比裸屋頂更快。

圖11 屋頂內(nèi)表面溫度與氣溫的延時(shí)相關(guān)性

圖12為屋頂對太陽輻射照度的延時(shí)相關(guān)系數(shù)變化曲線。同樣可見，裸屋頂對太陽輻射逐時(shí)變化的反應(yīng)比綠化屋頂更強(qiáng)，而且兩條曲線下降都比較慢，說明當(dāng)天太陽輻射對第2天屋頂內(nèi)表面溫度還有影響。圖上還看出，綠化屋頂對當(dāng)天太陽輻射的延遲時(shí)間為3 h，裸屋頂?shù)难舆t時(shí)間為6 h，即綠化屋頂對太陽輻射變化的反應(yīng)比裸屋頂更快。

圖12 屋頂內(nèi)表面溫度與太陽輻射照度的延時(shí)相關(guān)性

以上針對氣溫和太陽輻射的作用，由測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出，綠化屋頂?shù)难舆t時(shí)間比裸屋頂更短，這個(gè)結(jié)果的正確性可以用一段時(shí)間的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。圖13是連晴天的屋頂內(nèi)表面溫度逐時(shí)變化，可以看出，綠化屋頂內(nèi)表面溫度達(dá)到最大值的時(shí)間比裸屋頂更早，對此現(xiàn)象的科學(xué)解釋有待進(jìn)一步研究。

圖13 屋頂內(nèi)表面溫度

3 討論

1）在工程應(yīng)用中屋頂綠化的衰減倍數(shù)取值。根據(jù)圖5，粗放式屋頂綠化的相對衰減倍數(shù)是變化的，擬合曲線的最小值為2。因此取屋頂綠化的相對衰減倍數(shù)為2，即屋頂綠化的衰減倍數(shù)為裸屋頂?shù)乃p倍數(shù)的2倍，這樣就可以保證屋頂綠化的隔熱效果。根據(jù)屋頂構(gòu)造及材料的熱物性參數(shù)，可以計(jì)算出裸屋頂在夏季隔熱情況下的衰減倍數(shù)為3.6，因此屋頂綠化的衰減倍數(shù)可取為7.2。

2）屋頂綠化的熱惰性是否可用當(dāng)量熱惰性指標(biāo)表達(dá)。如果把屋頂上覆土種植綠化植物看成屋頂上設(shè)置了保溫材料層，那么按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)周期傳熱原理，屋頂增加保溫材料層后熱惰性會(huì)增大，內(nèi)表面溫度波的衰減和延遲都會(huì)增加。但上面的實(shí)驗(yàn)分析得出，屋頂增加綠化層后，內(nèi)表面溫度波的延遲時(shí)間不是增加而是減少。這說明屋頂綠化的熱惰性與保溫材料層的熱惰性有區(qū)別，使用當(dāng)量熱惰性指標(biāo)不能完全表達(dá)屋頂綠化的熱惰性。

4 結(jié)論

1）在屋頂下面空間自然通風(fēng)狀態(tài)下，粗放式屋頂綠化對夏季氣候熱作用波動(dòng)的衰減倍數(shù)在5月最大，8月最小，平均衰減倍數(shù)為裸屋頂?shù)?倍以上。

2）屋頂覆土綠化后，對氣溫和太陽輻射熱作用波動(dòng)的反應(yīng)更快，延遲時(shí)間減少；反應(yīng)強(qiáng)度減弱，內(nèi)表面溫度與氣候參數(shù)的最大延時(shí)相關(guān)性降低。

3）屋頂綠化的熱惰性不同于保溫材料層的熱惰性，找不出能反映屋頂綠化的衰減性和延遲性的當(dāng)量熱惰性指標(biāo)。

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（編輯 胡英奎）

Thermal Inertia of Extensive Green Roof

Tang Mingfang，Wang Dong
（College of Architecture and Urban Planning；Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400045，P.R.China）

Thermal performance of the green roof is an important basis for energy-efficient design and evaluation.However，the current studies on the thermal performance of the green roof seldom involve thermal inertia of the green roof.Based on a long-term experiment of an extensive green roof in natural ventilation state and a five-month ongoing measured data in summer，thermal inertia of the extensive green roof was studied by statistical analysis method.The results show that thermal decay to outdoor climate effect through green roof was increased by more than 100%and delay time of thermal response to outdoor climate on internal surface of the green roof was reduced in comparison with that of the bare roof.

Roof green，Internal surface temperature，Thermal inertia

TU111.4

A

1674-4764（2014）02-0084-05

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.02.013

2013-07-24

國家科技支撐計(jì)劃課題（2013BAJ11B05）

唐鳴放（1957-），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事建筑節(jié)能與熱環(huán)境研究，（E-mail）tmf＠cqu.edu.cn。