屋頂綠化對(duì)室外微氣候的降溫增濕效果

彭明熙，楊真靜,b

(重慶大學(xué) a.建筑城規(guī)學(xué)院；b.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)

在高密度的城市空間，建筑屋頂具有巨大的開發(fā)利用潛力，但因屋頂是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的水平構(gòu)件，受太陽(yáng)輻射時(shí)間長(zhǎng)，裸露屋頂吸收的太陽(yáng)輻射會(huì)以長(zhǎng)波輻射的方式持續(xù)加熱周圍空氣，引起上部人體的不舒適。結(jié)合綠化來打造屋頂休閑空間是改善屋頂上部微氣候的有效措施，不僅彌補(bǔ)和挖掘了城市空間，還有效提高了城市綠量，Ng等[1]在其研究中指出，若城市面積的33%種植樹木，則可降低行人層面空氣溫度約1 ℃。屋頂綠化不僅能減少屋面熱流量，降低建筑能耗，還可通過植物的光合作用和蒸騰作用對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)化，對(duì)周圍空氣起到降溫增濕的效果，達(dá)到緩解城市熱島效應(yīng)的目的[2]。

有學(xué)者[3-5]通過實(shí)驗(yàn)證明屋頂綠化對(duì)周圍微氣候具有一定影響，不僅能降低屋頂層面的空氣溫度，對(duì)行人層面也有一定降溫效果。在建筑密度極高的城市，例如香港，Peng等[6]通過實(shí)驗(yàn)和模擬發(fā)現(xiàn)粗放型綠化屋頂可以降低行人層面空氣溫度0.4～0.7 ℃，精細(xì)型綠化屋頂可降低0.5～1.7 ℃。中國(guó)關(guān)于綠化屋頂?shù)难芯渴加?0世紀(jì)80年代初，2000年以后，不同專業(yè)領(lǐng)域都對(duì)屋頂綠化進(jìn)行了大量的研究，但研究水平還處在相對(duì)較低的層次。2011年以后，屋頂綠化對(duì)雨水徑流的緩解、城市小氣候和空氣質(zhì)量改善的研究逐漸成為研究的熱點(diǎn)[7-10]。對(duì)于綠化對(duì)室外熱環(huán)境的影響，林波榮[11]研究了植物對(duì)室外熱環(huán)境的影響，之后，李延明等[12]、李月鵬[13]、秦文翠等[14]研究了屋頂綠化與城市熱島效應(yīng)之間的關(guān)系。

縱觀對(duì)屋頂綠化改善室外微氣候的研究，學(xué)者們采用實(shí)驗(yàn)或數(shù)學(xué)模型從不同角度定量研究屋頂綠化對(duì)室內(nèi)外的熱效益，明確了屋頂綠化通過對(duì)周圍環(huán)境的降溫增濕作用可以改善微氣候[15]，發(fā)現(xiàn)葉面積指數(shù)、土壤厚度、植被類型等都是影響因素。因植物具有很強(qiáng)的地域性，筆者選擇夏熱冬冷氣候區(qū)的典型城市重慶，以屋頂綠化常用的3種景天科植物屋頂為研究對(duì)象，采用對(duì)比測(cè)試的方法定量分析不同綠化對(duì)上部空間的熱影響。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.1 預(yù)備實(shí)驗(yàn)

為粗略確定屋頂綠化對(duì)微氣候的大致影響范圍和被測(cè)植物的葉面積指數(shù)，在正式實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行范圍較廣的預(yù)備實(shí)驗(yàn)，為正式實(shí)驗(yàn)提供設(shè)置高度及葉面積指數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)。預(yù)備實(shí)驗(yàn)中，參考相關(guān)文獻(xiàn)[16]中的實(shí)驗(yàn)設(shè)置高度，分別選擇300、700、1 000 mm。研究發(fā)現(xiàn)，700 mm與1 000 mm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，說明植物對(duì)微氣候的影響范圍在700 mm以內(nèi)。此外，在預(yù)備實(shí)驗(yàn)中，采用直接測(cè)量法中的收割法取10 cm×10 cm的面積對(duì)3種植物的葉面積指數(shù)進(jìn)行大致測(cè)算，佛甲草、小葉景天、落地生根的葉面積指數(shù)分別為2.5、3.1和3.8。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)測(cè)重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院屋頂，該屋頂綠化屬于粗放型單元式屋頂綠化，建筑共7層，周圍無高層建筑遮擋，可避免實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)太陽(yáng)輻射不均的現(xiàn)象。為確定不同植物特性對(duì)室外微環(huán)境的影響效果，對(duì)小葉景天、佛甲草、落地生根3種景天科植物在室外的降溫增濕效果進(jìn)行實(shí)測(cè)，并以裸屋頂作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比工況。

由于預(yù)備實(shí)驗(yàn)得到植物對(duì)微氣候的影響范圍在700 mm以內(nèi)，故將測(cè)量高度設(shè)定為0、300、700 mm，測(cè)量?jī)?nèi)容包括3種植物和裸屋頂在各個(gè)高度處的溫濕度，以及距裸屋頂表面和3種植物冠層頂部300 mm處的熱輻射量，具體實(shí)驗(yàn)布置見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)布置圖

測(cè)量時(shí)間為2016-10-01—2016-10-06，測(cè)試期間連晴無雨，氣溫穩(wěn)定，室外氣象參數(shù)見圖2。

1.3 儀器裝置

實(shí)驗(yàn)所用儀器包括溫濕度儀和手持式熱輻射檢測(cè)儀，數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間為10 min，儀器參數(shù)見表1。

圖2 室外氣象參數(shù)

儀器名稱型號(hào)圖片測(cè)量指標(biāo)量程精度Testo溫濕度計(jì)174H空氣溫度相對(duì)濕度-20℃～+70℃0～100.0%±0.5℃±3%Testo溫濕度計(jì)175-H1空氣溫度相對(duì)濕度-20～55℃0～100%±0.4℃±3%熱輻射記錄儀JTR09輻射熱0～10kW/m2±4%

1.4 植物簡(jiǎn)介

由于景天科植物適應(yīng)性極強(qiáng)，不擇土壤，可以生長(zhǎng)在較薄的基質(zhì)上，因此，適用于承載能力有限且無需細(xì)致管理的屋頂。選擇景天科中具有代表性、高度不同的3種植物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。3種植物主要特征參數(shù)見表2。

表2 植物參數(shù)Table 2 Plant specifications

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為確定屋頂綠化對(duì)微氣候的降溫增濕效果，選擇室外氣候穩(wěn)定的10月3日作為典型日，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 表面溫濕度

由圖3可以看出，裸屋頂和3種綠化屋頂表面空氣溫度均在14:00達(dá)到最高，其中，裸屋頂表面最高溫度為50.72 ℃，與小葉景天葉面上方空氣溫度相差最大，為11.69 ℃，與佛甲草溫差最小，為6.57 ℃。說明當(dāng)周圍空氣溫度升至最高時(shí)，屋頂綠化對(duì)近表面的降溫效果顯著。觀察各屋頂?shù)淖畹蜏囟劝l(fā)現(xiàn)，小葉景天表面空氣溫度在6:00達(dá)到最低，僅有21.02 ℃，但與裸屋面相比僅降溫1.5 ℃。比較表面空氣平均溫度發(fā)現(xiàn)，佛甲草雖然日較差最大，但其表面空氣平均溫度與落地生根相近，約29.6 ℃，與裸屋頂相比約低3 ℃。而小葉景天表面空氣平均溫度最小，為27.26 ℃。從表面溫度來看，小葉景天的降溫效果最好。

圖3 表面空氣溫度Fig.3 Air temperature at 0 mm of the vegetation

圖4為3種植物表面空氣濕度，從圖4可以看出，小葉景天的增濕效果明顯優(yōu)于其他兩種植物，其平均濕度為79.95%，表面空氣最高相對(duì)濕度高達(dá)99.90%。與另外兩種植物相比，小葉景天的最低濕度和平均濕度均高出約10%。觀察3種植物的濕度曲線可以發(fā)現(xiàn)，其表面空氣濕度在日落之后均有大幅度上升，其中兩種小葉片植物——佛甲草和小葉景天的上升斜率更大，說明肥厚的葉片能儲(chǔ)存更多的水分，對(duì)空氣的增濕效果更佳。

圖4 植物表面空氣濕度Fig.4 Comparison of relative humidity measured at 0 mm heights above

2.2 上部空氣溫濕度

為確定屋頂綠化對(duì)微氣候的影響效果，對(duì)其上部300 mm和700 mm處空氣溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在300 mm處，其上方空氣溫濕度與裸屋頂差別較小(見圖5)。落地生根對(duì)最高溫度的削峰效果優(yōu)于小葉片植物(佛甲草與小葉景天)，降溫約1 ℃。從平均溫度來看，小葉景天降溫1.70 ℃，這是因?yàn)樵谥形绲母邷剡^后，小葉景天上方300 mm處的空氣降溫迅速，尤其在23:00，低于裸屋頂約5 ℃。當(dāng)升高到700 mm(見圖6)，同300 mm的曲線變化相似，小葉景天上方的空氣溫度在14:00后急速下降，佛甲草和落地生根上部空氣溫度與裸屋頂相近。

圖5 300 mm處空氣溫度Fig.5 Air temperature at 300 mm above the

圖6 700 mm處空氣溫度Fig.6 Air temperature at 700 mm above the

對(duì)比300 mm處的濕度數(shù)據(jù)(見圖7)，佛甲草和落地生根上部空氣平均濕度僅比裸屋面高約2%，而小葉景天高出12.87%，平均濕度75.19%。分析增濕規(guī)律發(fā)現(xiàn)，植物在正午高溫后開始對(duì)微氣候增濕，在15:00，小葉景天300 mm處相對(duì)濕度為35.15%，高于裸屋面7.58%。日落后植物的增濕效果更加顯著，19：00小葉景天上部空氣濕度與裸屋頂?shù)牟钪颠_(dá)到最大，為33.1%。佛甲草與裸地面的最大差值出現(xiàn)在21：00，落地生根則出現(xiàn)在日落之前。當(dāng)升高到700 mm(見圖8)，落地生根和佛甲草上部空氣濕度曲線與裸地面重合，僅小葉景天上部空氣的濕度在午后高于裸地面，說明小葉景天對(duì)上部空氣的增濕效果最顯著，其次是佛甲草。

圖7 300 mm處空氣濕度Fig.7 Comparison of relative humidity measured at 300 mm heights above vegetation and hard

圖8 700mm處空氣濕度Fig.8 Comparison of relative humidity measured at 700 mm heights above vegetation and hard

2.3 熱輻射

從圖9、圖10可以看出，不同植物對(duì)太陽(yáng)輻射的反射和吸收轉(zhuǎn)化作用。日出后，屋頂熱輻射值迅速升高(見圖9)，綠化屋頂?shù)男甭噬踔脸^裸屋頂，導(dǎo)致綠化屋頂熱輻射峰值早于裸屋頂1 h。峰值過后至日落之前，植物的熱輻射值較裸屋頂下降更緩慢。對(duì)比熱輻射總量(見圖10)可以看出，3種植物中對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收由強(qiáng)到弱依次為落地生根、小葉景天和佛甲草，從葉片特征分析，落地生根葉片大且茂密，相對(duì)而言，吸收的太陽(yáng)輻射更多。

圖9 300 mm處反射輻射熱Fig.9 Reflected solar radiation heat of vegetation and hard surface at 300

圖10 熱輻射總量Fig.10 Amount of solar radiation heat of vegetation

3 分析與討論

小葉景天對(duì)上部空氣的降溫增濕效果最好，在300 mm處降溫1.7 ℃，在700 mm處降溫0.43 ℃，對(duì)比已有研究，與Peng等[6]、Alcazar等[17]的研究結(jié)論較為一致，與Speak等[18]在地中海氣候區(qū)屋頂綠化實(shí)驗(yàn)中300 mm處降溫1.06 ℃相比，降溫效果高出60%。小葉景天在700 mm處增濕7%，與林波榮[11]得到的草坪增濕上部空氣10%的結(jié)果也較一致。

3.1 降溫增濕原理

綠化屋頂因有植物和植物生長(zhǎng)所需的培養(yǎng)基質(zhì)，一方面，綠色植物能反射一部分太陽(yáng)輻射，同時(shí)通過光合作用吸收一部分太陽(yáng)輻射，減少屋頂層的太陽(yáng)輻射熱；另一方面，植物的培養(yǎng)基質(zhì)層(土壤)中含有水分，當(dāng)屋頂溫度升高時(shí)，土壤通過蒸發(fā)水分吸收熱量，土壤水分的蒸發(fā)和葉片的蒸騰作用也增加了周圍空氣的濕度。

與傳統(tǒng)屋頂一樣，綠化屋頂?shù)哪芰科胶庥商?yáng)輻射主導(dǎo)，有顯熱(對(duì)流)和潛熱(蒸發(fā))兩部分。植物的顯熱交換來自葉片表面和周圍空氣之間的溫差，受風(fēng)速和葉面積指數(shù)的影響；植物冠層的潛熱來自植物失去水分的過程(蒸騰)，由植物細(xì)胞間的氣孔開啟關(guān)閉而來。潛熱中的濕交換受風(fēng)速、表面粗糙度和大氣穩(wěn)定性的影響，當(dāng)植物冠層阻力小，葉片表面保持干燥，易于蒸發(fā)；當(dāng)冠層阻力大，水分向葉片表面運(yùn)動(dòng)，但不容易蒸發(fā)。在3種植物中，落地生根高度約為70 cm，小葉景天和佛甲草約為10～20 cm。較高的植物冠層中空氣間隙更大，葉片下的空氣對(duì)流增加，其隔熱和增濕效果均受到影響。

3.2 葉面積指數(shù)與反射輻射

植物層的降溫除了其葉片本身的蒸騰作用和對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收作用之外，遮陽(yáng)也是一項(xiàng)重要因素，遮蔽愈好則透過植物層的輻射熱量愈少，植物層的遮蔽作用一般采用植物葉面積指數(shù)來表示。葉面積指數(shù)LAI的測(cè)定方法主要包括葉面積儀測(cè)定法、紙樣稱重法等。但這些方法都適合于葉片面積較大的植物，對(duì)于景天科植物而言，由于其葉片面積小、群落覆蓋密集，筆者采用間接算法來估算植物的葉面積指數(shù)，并將直接法測(cè)得的數(shù)據(jù)作為參考。

根據(jù)門司、佐伯[19]對(duì)光強(qiáng)在群體內(nèi)自上而下的衰減與葉面積的關(guān)系，假定群體內(nèi)的葉片分布為一均勻介質(zhì)，則綠化植物層對(duì)太陽(yáng)輻射的透過率與植物層的葉面積之間的關(guān)系為

τ=exp(-K·LAI)

(1)

式中：τ為輻射的穿透函數(shù)；K為消光系數(shù)；LAI為葉面積指數(shù)。

消光系數(shù)與太陽(yáng)輻射的方向有關(guān)，根據(jù)已有資料[20]，對(duì)于直射輻射，K=0.5;對(duì)于散射輻射，K=0.8。代入前期試驗(yàn)測(cè)得的佛甲草、小葉景天和落地生根3種植物對(duì)太陽(yáng)輻射的葉片透射比，分別為0.21、0.18和0.10，近似假設(shè)3種植物的τ分別等于0.21、0.15、0.10。在重慶典型氣象年中，水平面的太陽(yáng)散射輻射占總輻射的一半以上，因此，植物對(duì)太陽(yáng)總輻射的消光系數(shù)按直射、散射各占一半的比率取為0.65，用式(1)可計(jì)算出佛甲草、小葉景天和落地生根植物當(dāng)量葉面積指數(shù)LAI分別為2.4、2.92和3.54。

將3種植物的葉面積指數(shù)和反射輻射總量進(jìn)行相關(guān)性分析，得到如圖11所示曲線，其相關(guān)系數(shù)R2=0.97。表明植物的葉面積指數(shù)與其反射輻射總量強(qiáng)相關(guān)，葉面積指數(shù)越大，反射的太陽(yáng)輻射量越少，說明葉片的大小、覆蓋面積與反射輻射呈反比關(guān)系。落地生根因其葉面積指數(shù)較大，反射到周圍空氣的熱輻射量更少，所以，其上部空氣的最高溫度始終最低，溫度日較差也小于其余兩種植物。而城市熱島效應(yīng)形成的原因之一，正是因?yàn)橛操|(zhì)表面在吸收太陽(yáng)輻射之后對(duì)周圍反射更多的輻射熱，導(dǎo)致周圍溫度升高。高葉面積指數(shù)的植物正好解決這一問題，通過減少對(duì)周圍環(huán)境的輻射，緩解城市熱島效應(yīng)。

圖11 葉面積指數(shù)與輻射熱相關(guān)性曲線Fig.11 Correlation curve of leaf area index and radiant

3.3 不同時(shí)段的降溫增濕效果

通過分析白天和夜間不同屋頂上方空氣的平均溫濕度變化，可以找到植物對(duì)微氣候的降溫規(guī)律。取7:00至19:00為白天，19:00至次日6:00為夜間，圖12、圖13分別表示白天和夜間屋頂表面和上部300、700 mm處的空氣平均溫度。在白天，除小葉景天外的屋頂，較低處的空氣溫度高于較高處，這是因?yàn)樵诎滋鞆?qiáng)烈的太陽(yáng)輻射下具有較高的表面溫度，隨后影響到了周圍的空氣溫度，這種影響隨著高度的升高逐漸減小，但兩種植物的曲線波動(dòng)在1 ℃以內(nèi)。而小葉景天在300 mm處的空氣溫度高于植物表面的空氣溫度，說明在白天小葉景天對(duì)周圍空氣有降溫效果，但是其效果受限于距離。

圖12 白天空氣溫度Fig.12 Mean temperature at different height above vegetation and hard surface during 7:00 am to 7:00

圖13 夜間空氣溫度Fig.13 Mean temperature at different height above vegetation and hard surface during 7:00 pm to 7:00

與白天相比，夜間的溫度曲線完全相反，越接近植被，周圍空氣溫度越低。這是因?yàn)樵谌章渲?，環(huán)境的空氣溫度明顯下降，植物對(duì)周圍空氣的降溫效果也被喚醒。在夜間，植被持續(xù)降低周圍空氣溫度，直至日出。比較裸屋頂上方的空氣溫度發(fā)現(xiàn)，測(cè)得的溫度差異不大，在300 mm處的空氣溫度總是高于其表面，這說明硬質(zhì)表面加熱周圍空氣，距離表面越遠(yuǎn)，周圍空氣溫度越低。說明硬質(zhì)表面在白天所吸收的熱量被再次以長(zhǎng)波的形式對(duì)外輻射，加熱周圍空氣，這實(shí)際上也是造成城市熱島效應(yīng)的原因之一。

圖14、圖15為白天和夜間的平均空氣濕度。白天和夜間植物表面的空氣濕度均高于裸屋頂表面，但在700 mm處，白天僅小葉景天上方的空氣濕度高于裸屋頂。在白天和夜間，植物在300 mm處的空氣濕度均低于其表面，說明在300 mm的范圍內(nèi)植物全天增濕周圍空氣。分析整日情況，佛甲草和落地生根的增濕效果在白天受到限制，只能對(duì)300 mm范圍內(nèi)的空氣進(jìn)行增濕，夜間則將增濕范圍擴(kuò)大至700 mm。而小葉景天日夜的空氣濕度變化曲線相近，空氣濕度也遠(yuǎn)高于其余3種屋頂。對(duì)比3種植物的特征發(fā)現(xiàn)，佛甲草和小葉景天都屬于較矮的景天科草本植物，其葉片肥厚，葉片中可儲(chǔ)存的水分較落地生根多，在受到高溫低濕的氣候影響后，通過蒸發(fā)出葉片內(nèi)的水分用以降低植物本身溫度，同時(shí)提高周圍空氣濕度，所以，佛甲草和小葉景天的增濕效果較落地生根更強(qiáng)。再比較佛甲草和小葉景天，佛甲草的增濕效果在白天的高溫下受到距離的限制，表現(xiàn)為白天其300 mm處的空氣濕度低于700 mm。然而，小葉景天不僅在中午的高溫之后冷卻空氣溫度，還可以在一整天都增加其周圍空氣的濕度，說明葉面積指數(shù)與增濕效果正向相關(guān)。

圖14 白天空氣濕度Fig.14 Mean related humidity at different height above vegetation and hard surface during 7am to

圖15 夜間空氣濕度Fig.15 Mean related humidity at different height above vegetation and hard surface during 7pm to

4 結(jié)論

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，證明屋頂綠化對(duì)微氣候確有降溫增濕作用，其降溫增濕作用從正午高溫之后持續(xù)至次日日出，夜間增濕作用更為突出，植物的降溫效果在其表面最顯著，其次是在300 mm處，日間降溫的影響范圍受限于700 mm。通過相關(guān)性計(jì)算發(fā)現(xiàn)，植物葉面積指數(shù)與其反射輻射量呈反向相關(guān)，植物葉面積指數(shù)越高，吸收太陽(yáng)輻射越多，同時(shí)，減少對(duì)微氣候的熱輻射，可以有效改善城市熱島效應(yīng)。

小葉景天葉片肥厚，葉片中可儲(chǔ)存的水分較多，且葉面積指數(shù)高于佛甲草，是綜合效果最好的植物，在其表面日間最大可降溫11.7 ℃，在300 mm和700 mm處夜間分別降溫4.64、3.97 ℃，其次是落地生根。小葉景天的最大增濕效果出現(xiàn)在19:00，增濕33.1%，其次是佛甲草。