粗放型屋頂綠化隔熱效果分析

作者簡介：楊真靜（1975），女，博士生，主要從事建筑節能與熱環境研究，（Email）young30331@163.com。

唐鳴放（通信作者），女，教授，博士生導師，（Email)tmf@cqu.edu.cn。摘要：以自然通風層的屋頂綠化為研究對象，對有無綠化屋頂內表面溫度進行比較，采用實測數據統計分析的方法，以全夏季為研究周期，按不同溫度區間分析屋頂內表面溫度的分布特性，比較2種狀態下屋頂內表面溫度的分布頻率以及總溫度，得到綠化屋頂內表面溫度<34 ℃出現的頻率占總周期的90％，是無綠化屋頂的1.6倍，大于36 ℃高溫的頻率為無綠化屋頂的4.6%，綠化屋頂內表面大于30 ℃的溫度總量約為無綠化屋頂的1/3，且綠化屋頂的隔熱性能與室外氣溫有較強的正向性，隨著氣溫的升高，綠化屋頂的隔熱性能體現得更加充分。

關鍵詞：屋頂；綠化；表面溫度；隔熱特性

中圖分類號： TU111文獻標志碼：文章編號：16744764（2012）03012405

Aralysis on Thermal Insulation Characteristics of Extensive Green Roofs

YANG Zhenjing1，TANG Mingfang1，ZHENG Shukui2

(1.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area， Ministry of Education， Chongqing University，

Chongqing 400045， P. R. China; 2.School of Architecture and Civil Engineering， Xihua University， Chengdu 610039， P. R. China)

Abstract:Through comparison of internal surface temperature (IST) of green roofs with that without green roofs through field measurement and statistics analysis， greenroof under natural convention climate in summer was analyzed. Distribution frequency and sum of IST under the conditions with and without green roofs were investigated by dividing IST into several ranges. It is shown that the frequency of IST lower than 34 ℃ for green roofs was 90%， which was about 1.6 times of that for roofs without green. While the frequency of IST exceeding 34 ℃ for green roofs was 4.6% of that for roofs without green， and the sum of IST exceeding 30 ℃ was about 1/3 of that for roofs without greening. Moreover， the property of thermal insulation of green roofs had strong positive relation with outdoor temperature. The thermal insulation characteristic was better as outdoor temperature grew up.

Key words:roofs; green; surface temperature; thermal insulation characteristic

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可，屋頂綠化是生態化的建筑節能措施，其綠化層可看作生態化的隔熱構件，將大部分的太陽熱輻射能轉化為土壤植物的蒸騰［1］，在不加熱周圍環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舒適度有明顯的效果［45］。對于屋頂綠化，從其熱工性能、節能評價、生態效益等方面國內外都有較多研究。目前有關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的理論模型上，Fang［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］按照數值模擬提出傳熱計算模型，計算特定氣候條件下各參數對傳熱的影響；Barrio等［912］建立了綠化屋頂的數學模型，并獲得一些綠化層的隔熱效果定量評價指標；孟慶林等［1314］確定了常用屋頂綠化植物的輻射參數，并據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量熱阻及其隔熱特性，已獲得一些植被層熱工性能參數。

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、室內空調狀態下，缺乏對全夏季晴雨相交下屋頂綠化的隔熱進行持續性研究，因為屋頂綠化本身作為建筑隔熱構件，其效果是植被層、土層綜合作用下的結果，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無法做出系統的分析。本文對屋頂綠化隔熱效果進行全夏季的持續測量，在自然通風狀態下比較有無綠化屋頂內表面溫度，按照科學統計的方法，分析其溫度分布，統計其溫度總量。〖=D(〗楊真靜，等：粗放型屋頂綠化隔熱效果分析〖=〗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）基質薄，荷載小。

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

圖1屋頂構造

因是通風隔熱屋頂，有上、下2個屋頂層，下層屋頂內表面直接在建筑室內，其溫度是受外擾和內擾的綜合結果，屋頂層的隔熱效果為綠化屋頂和通風隔熱層的共同作用，根據已有研究，對已采取了較好隔熱措施的建筑，屋頂綠化對室內的降溫沒有明顯效果［1012］，屋頂綠化隔熱結果最終是直接反映在上層屋頂的內表面溫度上，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，選擇測量內容為有、無綠化屋頂內表面溫度t′si、tsi，室外空氣溫度ta、濕度、太陽輻射強度、風速、降水量等氣候參數，數據采集間隔時間為1 h，測量時間為全夏季6月1日—9月29日，共122 d。

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135.9 W/m2，最大太陽輻射照度為985 W/m2，降雨6—8月都比較充沛，總降雨量為351.8 mm，平均風速為0.4 m/s。

圖2測試期間室外氣候參數

2內表面溫度比較分析

屋頂有、無綠化的差別直接體現在屋頂內表面溫度上。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，連續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據進行統計，從數據的分布來分析其熱特性。

測試期間，各測試點共記錄2 903次數據，將室外氣溫與屋頂內表面溫度進行統計，重點考察在高溫狀態下屋頂的隔熱能力，因此，從28 ℃開始按溫度2 ℃為步長，到46 ℃共分為9個時間區間，室外氣溫與有、無綠化內表面溫度分別落在這9個區間，每個區間的溫度分布頻率表示如下：

f(i，i+1.9)=∑nN，

i＝28、30、32、34、36、38、40、42、44(1)

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

按照式（1）的統計，得到各測試點溫度分布結果見表1。室外最高氣溫為38.7 ℃，分布于6個溫度區間；綠化屋頂內表面最高溫37.5 ℃，分布于5個溫度區間；無綠化屋頂內表面最高溫45.5 ℃，分布于9個溫度區間，最高溫比綠化屋頂高8 ℃。統計全部高于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）室外氣溫與內表面溫度頻率分布

溫度區間/℃室外氣溫綠化屋頂內

表面無綠化屋頂內

表面次數頻率/％次數頻率/％次數頻率/％28～29.944715.457019.637312.830～31.931510.959520.538013.132～33.92498.641914.437112.934～35.91625.61374.732411.236～37.9893.1220.82568.838～39.9150.5001946.740～41.90000692.442～43.90000250.944～45.90000110.4∑1 27744．11 74360.02 00369．1>34 ℃2669.21595.587930.3

從表1和圖3中分析得到，室外氣溫在28～299 ℃溫度區間內分布頻率最高，因為有太陽的直接輻射熱，有無綠化屋頂內表面溫度分布頻率最高的都落在30～31.9 ℃區間，比室外高出一個溫度區間。

在內表面溫度＜31.9 ℃的比較舒適的溫度范圍，綠化屋頂內表面溫度出現頻率最高，達到401％，占整個統計范圍的67％，比室外氣溫還高出13.8％，在該范圍，無綠化屋頂為25.9％?？梢娋G化屋頂內表面溫度在比較舒適溫度范圍的分布頻率是無綠化屋頂的1.5倍。

由圖3可見，有、無綠化屋頂內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、無綠化屋頂內表面溫度頻率最為接近，在該溫度范圍，綠化屋頂出現頻率為14.4％，無綠化屋頂出現頻率為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出截然不同的走勢，綠化屋頂的頻率急劇下降，止步于360～37.9 ℃的溫度范圍，此區間出現了22次，占總頻的0.76％，比室外氣溫的頻率要低得多，表現出顯著的隔熱能力。而無綠化屋頂內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 ℃的極端高溫區間仍出現了105次，占總次數的3.64％。

圖3室外氣溫與內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，高于34 ℃定義為高溫區，綠化屋頂內表面溫度在高溫區只出現了159次，占總頻的5.5％，而無綠化屋頂內表面在高溫區出現了879次，占總頻的30.3％（見表1），如果把28～40 ℃溫度范圍總頻率設為100％，那么，綠化屋頂內表面溫度90％都落在低溫區，高溫區僅為10％，而無綠化屋頂的內表面溫度在低溫區為56％，高溫區高達44％，綠化屋頂在能接受的相對低溫范圍出現頻率是無綠化屋頂的1.6倍，高溫范圍僅占無綠化屋頂的22.7％，綠化屋頂的降溫效果是顯而易見的。3內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下的表現，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計，有、無綠化屋頂內表面溫度總量反映了屋頂得到熱量總量的多少。

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

T(i，i+0.9)=∑(t（i，i+0.9）－i），

i＝30、31、32、……、45 ℃(2)

式中：T(i，i+0.9)為（i，i＋0.9）溫度區間內的溫度總量，℃；t（i，i+0.9）為溫度區間內逐時溫度，℃；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計區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％，而無綠化屋頂的溫度總量達到7 815.4 ℃，是綠化屋頂的3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表面，而綠化屋頂阻擋和吸收很大部分的熱量，其屋頂內表面的得熱量僅為無綠化屋頂的1/3。

在初始統計區間30～30.9 ℃，有、無綠化屋頂內表面的溫度總量相差還不是很大，綠化屋頂內表面溫度總量為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，無綠化屋頂內表面溫度反應劇烈，成倍上升，而綠化屋頂因其種植層，對室外氣溫反應較為遲鈍，在超過34 ℃的高溫區間，綠化屋頂反應更為遲鈍，溫度總量為無綠化屋頂的5.8％，因此可以說綠化屋頂在高溫下的隔熱表現更加突出。表2室外氣溫與內表面溫度總量

溫度區間/℃室外氣溫/℃綠化屋頂/℃無綠化屋頂/℃30～30.9737.41 023.31 545.531～31.9582.5705.41 356.032～32.9444.0442.51 141.833～33.9311.5239.4950.434～34.9214.6107.4784.135～35.9134.243.2623.836～36.973.512.8489.337～37.927.51.2357.738～38.94.30239.839～39.900146.540～40.90084.641～41.90057.542～42.90017.843～43.90012.544～44.9007.445～45.9001.1∑2 529.52 575.27 815.4圖4室外氣溫與內表面溫度總量圖

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 ℃前后發生變化，在低于32 ℃，綠化屋頂內表面比室外氣溫高，超過32 ℃，綠化屋頂內表面比室外氣溫低，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移了外，還具有調節溫度的作用，將高溫移向低溫，使溫度區間更短，也使內表面溫度更加穩定。4屋頂內表面日平均溫差與氣候相關性分析有無綠化內表面溫度差是屋頂綠化作用的結果，其比較可以反應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，統計其在各溫度區間內的天數，可以得到不同室外氣溫下的有無綠化屋頂內表面日平均溫差，其表達如下：

△t (i，i+0.9)=∑(tsi(i，i+0.9)－t′si(i，i+0.9))24n，

i＝30，31，32，33，……45 ℃(3)

式中：△t (i，i+0.9)為（i，i＋0.9）溫度區間內的日平均溫差，℃；tsi（i，i+0.9）為（i，i＋0.9）溫度區間內無綠化屋頂內表面逐時溫度，℃，每天24個數據；t′si（i，i+0.9）為（i，i＋0.9）溫度區間內有綠化屋頂內表面逐時溫度，℃；n為室外最高氣溫在（i，i＋0.9）溫度區間的天數，i為1 ℃步長的溫度值，分別為30、31，…，45 ℃。例如室外最高氣溫為36～36.9 ℃區間有9 d，則有無綠化屋頂的測試點各有24×9=216個數據，將各點的逐時溫差累加得到總溫差，除以216，得到該溫度區間下的日平均溫差。

按照式（3），得到以室外最高氣溫劃分的有、無綠化屋頂內表面日平均溫差，見圖5，可以看出有無綠化屋頂內表面溫差與室外氣溫具有很好的相關性，計算顯示其相關系數為0.96。這表明在高溫天氣范圍內，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，這種作用體現越充分。

圖5日平均溫差與氣候相關性

室外氣溫小于35 ℃時，有、無綠化屋頂內表面的逐時溫差有正有負，也即綠化屋頂內表面也出現過比無綠化屋頂內表面高情況，盡管這種情況次數不多，但超過35 ℃的高溫，內表面溫差都是正值，也即綠化屋頂內表面都比無綠化內表面溫度要低，而且相差的數值隨著室外氣溫的升高越來越大。5結論

1）在夏季高溫天氣，屋頂綠化對削減屋頂內表面溫度效果顯著，使屋頂內表面溫度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的1/5左右。無綠化屋頂對室外氣溫更加敏感，隨著氣溫的增加，無綠化屋頂內表面溫度反應劇烈，增長迅速，而綠化屋頂具有較強的溫度調節作用，屋頂內表面對氣溫反應較為遲鈍，內表面溫度相對穩定。

2）屋頂綠化因其土壤和植物的共同作用，屋頂內表面溫度總量在統計范圍內僅為無綠化屋頂的1/3，有效地阻擋了進入室內的熱量，相應減少了室內的降溫負荷。

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

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（編輯胡英奎）