粗放型屋頂綠化隔熱效果分析

楊真靜，唐鳴放，鄭澍奎

（1.重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶400045；2.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，成都，610039）

近年來，屋頂綠化減少能耗增加城市綠量的作用得到了越來越多的認(rèn)可，屋頂綠化是生態(tài)化的建筑節(jié)能措施，其綠化層可看作生態(tài)化的隔熱構(gòu)件，將大部分的太陽熱輻射能轉(zhuǎn)化為土壤植物的蒸騰［1］，在不加熱周圍環(huán)境的同時能有效降低頂層房間溫度［2－3］；對提高建筑能效和改善室內(nèi)舒適度有明顯的效果［4－5］。對于屋頂綠化，從其熱工性能、節(jié)能評價、生態(tài)效益等方面國內(nèi)外都有較多研究。目前有關(guān)綠化屋面的熱工性能研究主要集中在基于實測的性能研究和以實測為基礎(chǔ)的理論模型上，F(xiàn)ang［6］和Liu等［7］采用了實測的方法來評價屋頂綠化的隔熱效果；Hodo、Abalo等［8］按照數(shù)值模擬提出傳熱計算模型，計算特定氣候條件下各參數(shù)對傳熱的影響；Barrio等［9－12］建立了綠化屋頂?shù)臄?shù)學(xué)模型，并獲得一些綠化層的隔熱效果定量評價指標(biāo)；孟慶林等［13－14］確定了常用屋頂綠化植物的輻射參數(shù)，并據(jù)此提出了屋頂能量平衡模型，用來研究草地型綠化屋頂太陽輻射的能量分配；趙定國等［15］對輕型綠化屋面的植物選擇、構(gòu)造措施、隔熱性能進行了實驗研究；唐鳴放等［16－17］研究了綠化屋面在特定氣候條件下的當(dāng)量熱阻及其隔熱特性，已獲得一些植被層熱工性能參數(shù)。

目前的屋頂綠化傳熱特性研究大多是選取一個或幾個時間段，基本都是在典型晴熱氣候、室內(nèi)空調(diào)狀態(tài)下，缺乏對全夏季晴雨相交下屋頂綠化的隔熱進行持續(xù)性研究，因為屋頂綠化本身作為建筑隔熱構(gòu)件，其效果是植被層、土層綜合作用下的結(jié)果，植被會隨著氣溫時盛時衰，土層在晴雨作用下，含濕率會相應(yīng)隨之變化，這些因素對屋頂綠化隔熱效果的影響在短時間內(nèi)無法做出系統(tǒng)的分析。本文對屋頂綠化隔熱效果進行全夏季的持續(xù)測量，在自然通風(fēng)狀態(tài)下比較有無綠化屋頂內(nèi)表面溫度，按照科學(xué)統(tǒng)計的方法，分析其溫度分布，統(tǒng)計其溫度總量。

1 實驗概況

粗放型屋頂綠化（extensive green roofs）是最簡單的一種屋頂綠化形式，近年被廣泛推廣［18］，粗放型屋頂綠化具有以下基本特征：1）管理粗放、低養(yǎng)護；2）免灌溉，完全在自然氣候下晴雨交替作用，植物自由生長；3）從苔蘚、景天到草坪地被型綠化，植被矮；4）基質(zhì)薄，荷載小。

選擇粗放型屋頂綠化為研究對象，實測重慶地區(qū)某住宅屋頂，該建筑針對重慶濕熱氣候采取了在屋頂層增加通風(fēng)隔熱層的做法，其屋頂構(gòu)造如圖1，屋頂面積約100m2，一半屋面為粗放型自然狀態(tài)屋頂綠化，無人管理，一年生草本植物自由生長，土層厚度約為100mm。

圖1 屋頂構(gòu)造

因是通風(fēng)隔熱屋頂，有上、下2個屋頂層，下層屋頂內(nèi)表面直接在建筑室內(nèi)，其溫度是受外擾和內(nèi)擾的綜合結(jié)果，屋頂層的隔熱效果為綠化屋頂和通風(fēng)隔熱層的共同作用，根據(jù)已有研究，對已采取了較好隔熱措施的建筑，屋頂綠化對室內(nèi)的降溫沒有明顯效果［10－12］，屋頂綠化隔熱結(jié)果最終是直接反映在上層屋頂?shù)膬?nèi)表面溫度上，其溫度tsi（見圖1）最能直接反映屋頂對太陽輻射的隔熱作用。

因此，選擇測量內(nèi)容為有、無綠化屋頂內(nèi)表面溫度t′si、tsi，室外空氣溫度ta、濕度、太陽輻射強度、風(fēng)速、降水量等氣候參數(shù)，數(shù)據(jù)采集間隔時間為1h，測量時間為全夏季6月1日—9月29日，共122d。

在為期4個月的測試期間，室外氣溫及降雨量見圖2，測試期間的日平均氣溫為27.7℃，波動范圍在20～35℃，高溫集中在7月，日平均氣溫29.9℃，最高氣溫為38.7℃，平均太陽輻射照度為135.9W／m2，最大太陽輻射照度為985W／m2，降雨6—8月都比較充沛，總降雨量為351.8mm，平均風(fēng)速為0.4m／s。

圖2 測試期間室外氣候參數(shù)

2 內(nèi)表面溫度比較分析

屋頂有、無綠化的差別直接體現(xiàn)在屋頂內(nèi)表面溫度上。但屋頂綠化因為土層和植物層的共同作用，在雨水的作用下，土層干濕循環(huán)，連續(xù)晴天和下雨后的隔熱機理是不一樣的，因此有必要把長時間段綜合氣候下的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，從數(shù)據(jù)的分布來分析其熱特性。

測試期間，各測試點共記錄2 903次數(shù)據(jù)，將室外氣溫與屋頂內(nèi)表面溫度進行統(tǒng)計，重點考察在高溫狀態(tài)下屋頂?shù)母魺崮芰?，因此，?8℃開始按溫度2℃為步長，到46℃共分為9個時間區(qū)間，室外氣溫與有、無綠化內(nèi)表面溫度分別落在這9個區(qū)間，每個區(qū)間的溫度分布頻率表示如下：

式中：f為（i，i＋1.9）溫度區(qū)間內(nèi)溫度的分布頻率，%；N為總測試次數(shù)，為2 903；n為各測點溫度在（i，i＋1.9）區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)。

按照式（1）的統(tǒng)計，得到各測試點溫度分布結(jié)果見表1。室外最高氣溫為38.7℃，分布于6個溫度區(qū)間；綠化屋頂內(nèi)表面最高溫37.5℃，分布于5個溫度區(qū)間；無綠化屋頂內(nèi)表面最高溫45.5℃，分布于9個溫度區(qū)間，最高溫比綠化屋頂高8℃。統(tǒng)計全部高于28℃的溫度頻率，室外氣溫頻率為44.1%，綠化屋頂為60%，無綠化屋頂為69.1%。

表1 測試期間（6—9月）室外氣溫與內(nèi)表面溫度頻率分布

從表1和圖3中分析得到，室外氣溫在28～29.9℃溫度區(qū)間內(nèi)分布頻率最高，因為有太陽的直接輻射熱，有無綠化屋頂內(nèi)表面溫度分布頻率最高的都落在30～31.9℃區(qū)間，比室外高出一個溫度區(qū)間。

在內(nèi)表面溫度＜31.9℃的比較舒適的溫度范圍，綠化屋頂內(nèi)表面溫度出現(xiàn)頻率最高，達到40.1%，占整個統(tǒng)計范圍的67%，比室外氣溫還高出13.8%，在該范圍，無綠化屋頂為25.9%。可見綠化屋頂內(nèi)表面溫度在比較舒適溫度范圍的分布頻率是無綠化屋頂?shù)?.5倍。

由圖3可見，有、無綠化屋頂內(nèi)表面溫度與室外氣溫在33.5℃左右為分界點。低于33.5℃屋頂內(nèi)表面溫度分布頻率幾乎都比室外氣溫高，這表明有無綠化屋頂都有一定的隔熱能力。在32.0～33.9℃范圍，有、無綠化屋頂內(nèi)表面溫度頻率最為接近，在該溫度范圍，綠化屋頂出現(xiàn)頻率為14.4%，無綠化屋頂出現(xiàn)頻率為12.9%，相差較小。但超過33.5℃分界點，有綠化屋頂與無綠化屋頂就表現(xiàn)出截然不同的走勢，綠化屋頂?shù)念l率急劇下降，止步于36.0～37.9℃的溫度范圍，此區(qū)間出現(xiàn)了22次，占總頻的0.76%，比室外氣溫的頻率要低得多，表現(xiàn)出顯著的隔熱能力。而無綠化屋頂內(nèi)表面溫度分布頻率下降較為緩慢，其頻率大大高于室外氣溫和綠化屋頂，尤其是在大于40℃的極端高溫區(qū)間仍出現(xiàn)了105次，占總次數(shù)的3.64%。

圖3 室外氣溫與內(nèi)表面溫度的分布頻率

圖3 中，如果把低于34℃定義為相對低溫區(qū)，高于34℃定義為高溫區(qū)，綠化屋頂內(nèi)表面溫度在高溫區(qū)只出現(xiàn)了159次，占總頻的5.5%，而無綠化屋頂內(nèi)表面在高溫區(qū)出現(xiàn)了879次，占總頻的30.3%（見表1），如果把28～40℃溫度范圍總頻率設(shè)為100%，那么，綠化屋頂內(nèi)表面溫度90%都落在低溫區(qū)，高溫區(qū)僅為10%，而無綠化屋頂?shù)膬?nèi)表面溫度在低溫區(qū)為56%，高溫區(qū)高達44%，綠化屋頂在能接受的相對低溫范圍出現(xiàn)頻率是無綠化屋頂?shù)?.6倍，高溫范圍僅占無綠化屋頂?shù)?2.7%，綠化屋頂?shù)慕禍匦Ч秋@而易見的。

3 內(nèi)表面溫度總量比較分析

為了更好地分析綠化屋頂在高溫狀態(tài)下的表現(xiàn)，選擇在測試期間各測試點溫度超過30℃的溫度進行溫度總量統(tǒng)計，有、無綠化屋頂內(nèi)表面溫度總量反映了屋頂?shù)玫綗崃靠偭康亩嗌佟?/p>

設(shè)定1℃為步長，將在一定溫度區(qū)間內(nèi)屋頂內(nèi)表面溫度扣除該區(qū)間起始溫度后逐個累加得到內(nèi)表面溫度總量，這相當(dāng)于去掉各溫度相同的部分，剩下不同部分進行比較，每個區(qū)間的溫度總量表達為：

式中：T（i，i＋0.9）為（i，i＋0.9）溫度區(qū)間內(nèi)的溫度總量，℃；t（i，i＋0.9）為溫度區(qū)間內(nèi)逐時溫度，℃；i為1 ℃步長的溫度值，分別為30、31、32、……、45℃。

按照公式（2），得到各測試點不同溫度區(qū)間下的溫度總量見表2和圖4，從表2中可以看出，室外氣溫與綠化屋頂在整個統(tǒng)計區(qū)間的溫度總量是非常接近的，僅相差45.7℃，占氣溫總量的1.8%，而無綠化屋頂?shù)臏囟瓤偭窟_到7 815.4℃，是綠化屋頂?shù)?倍多，這表明在整個夏季，無綠化屋頂吸收了更多的熱量來加熱屋頂內(nèi)表面，而綠化屋頂阻擋和吸收很大部分的熱量，其屋頂內(nèi)表面的得熱量僅為無綠化屋頂?shù)?／3。

在初始統(tǒng)計區(qū)間30～30.9℃，有、無綠化屋頂內(nèi)表面的溫度總量相差還不是很大，綠化屋頂內(nèi)表面溫度總量為1 023.3℃，無綠化屋頂為1 545.5℃，而隨著溫度的上升，在超過32℃后，無綠化屋頂內(nèi)表面溫度總量躍升為綠化屋頂總量的3倍，到35℃為14倍，到37℃，達到286倍。顯然可以得出，無綠化屋頂對室外氣溫更加敏感，隨著室外氣溫的增加，無綠化屋頂內(nèi)表面溫度反應(yīng)劇烈，成倍上升，而綠化屋頂因其種植層，對室外氣溫反應(yīng)較為遲鈍，在超過34℃的高溫區(qū)間，綠化屋頂反應(yīng)更為遲鈍，溫度總量為無綠化屋頂?shù)?.8%，因此可以說綠化屋頂在高溫下的隔熱表現(xiàn)更加突出。

表2 室外氣溫與內(nèi)表面溫度總量

圖4 室外氣溫與內(nèi)表面溫度總量圖

從圖4可以看出，綠化屋頂和室外氣溫隨著溫度區(qū)間的升高，下降較為劇烈，終止于38～38.9℃，而無綠化屋頂下降較為緩慢，終止于45～45.9℃。綠化屋頂與室外氣溫其總量是很接近的，但曲線在32℃前后發(fā)生變化，在低于32℃，綠化屋頂內(nèi)表面比室外氣溫高，超過32℃，綠化屋頂內(nèi)表面比室外氣溫低，這表明綠化屋頂除了能將太陽直接輻射的那部分熱量有效轉(zhuǎn)移了外，還具有調(diào)節(jié)溫度的作用，將高溫移向低溫，使溫度區(qū)間更短，也使內(nèi)表面溫度更加穩(wěn)定。

4 屋頂內(nèi)表面日平均溫差與氣候相關(guān)性分析

有無綠化內(nèi)表面溫度差是屋頂綠化作用的結(jié)果，其比較可以反應(yīng)綠化層隔熱效果的好壞，將室外最高氣溫大于等于30、31、32、……、38℃劃定各種熱天氣范圍，統(tǒng)計其在各溫度區(qū)間內(nèi)的天數(shù)，可以得到不同室外氣溫下的有無綠化屋頂內(nèi)表面日平均溫差，其表達如下：

按照式（3），得到以室外最高氣溫劃分的有、無綠化屋頂內(nèi)表面日平均溫差，見圖5，可以看出有無綠化屋頂內(nèi)表面溫差與室外氣溫具有很好的相關(guān)性，計算顯示其相關(guān)系數(shù)為0.96。這表明在高溫天氣范圍內(nèi)，隨著室外氣溫的升高，種植層的隔熱作用在不斷提高，室外氣溫越高，這種作用體現(xiàn)越充分。

圖5 日平均溫差與氣候相關(guān)性

室外氣溫小于35℃時，有、無綠化屋頂內(nèi)表面的逐時溫差有正有負(fù)，也即綠化屋頂內(nèi)表面也出現(xiàn)過比無綠化屋頂內(nèi)表面高情況，盡管這種情況次數(shù)不多，但超過35℃的高溫，內(nèi)表面溫差都是正值，也即綠化屋頂內(nèi)表面都比無綠化內(nèi)表面溫度要低，而且相差的數(shù)值隨著室外氣溫的升高越來越大。

5 結(jié) 論

1）在夏季高溫天氣，屋頂綠化對削減屋頂內(nèi)表面溫度效果顯著，使屋頂內(nèi)表面溫度90%都處于小于34℃可以接受的溫度范圍，而且大于34℃的頻率僅為無綠化屋頂?shù)?／5左右。無綠化屋頂對室外氣溫更加敏感，隨著氣溫的增加，無綠化屋頂內(nèi)表面溫度反應(yīng)劇烈，增長迅速，而綠化屋頂具有較強的溫度調(diào)節(jié)作用，屋頂內(nèi)表面對氣溫反應(yīng)較為遲鈍，內(nèi)表面溫度相對穩(wěn)定。

2）屋頂綠化因其土壤和植物的共同作用，屋頂內(nèi)表面溫度總量在統(tǒng)計范圍內(nèi)僅為無綠化屋頂?shù)?／3，有效地阻擋了進入室內(nèi)的熱量，相應(yīng)減少了室內(nèi)的降溫負(fù)荷。

3）屋頂內(nèi)表面日平均溫差與室外氣溫有很強的正相關(guān)性，也即綠化屋頂不同于其他建筑構(gòu)件，其隔熱性能不是固定的，而是和室外氣溫緊密相關(guān)，隨著室外氣溫的升高，有無綠化屋頂內(nèi)表面日溫差也在變大，綠化屋頂越在高溫狀態(tài)下越能充分展示其隔熱性能。

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