屋頂綠化傳熱臨界溫度

唐鳴放，楊真靜，鄭澍奎

（重慶大學 建筑城規學院；山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶400045）

近年來，屋頂綠化在許多國家得到了普及和發展，屋頂綠化的生態節能功能受到廣泛重視，人們普遍認為屋頂綠化是解決城市能源和生態環境問題的一種有效措施。在建筑上種植綠化植物，改善了建筑的熱功能，通過植物對陽光、空氣、雨水等生物氣候資源的利用，減少了建筑空調能耗，緩解了城市熱島效應，改善了城市生態環境，屋頂綠化具有節能減排的綜合效益。

目前屋頂綠化節能研究大致分為：隔熱降溫效果的測量和 評 價［1－5］、熱 工 性 能 參 數［6－9］、隔 熱 機 理以 及熱濕傳遞理論［10－14］等。在這些研究中，可以直接應用于建筑節能工程的是屋頂綠化的熱工性能參數，通常采用實驗的方法把屋頂綠化的隔熱性能等同于保溫材料層。但在一些自然室溫的實驗中，出現了綠化屋頂與裸屋頂的內表面熱流方向相反的現象［15－16］，說明在這種情況下屋頂綠化的隔熱性能不能等同于保溫材料層。這是因為按照熱傳導原理，裸屋頂與保溫屋頂在同樣的實驗條件下內表面熱流方向應該是相同的。因此屋頂綠化在非空調室溫下的隔熱性能需要重新考慮，這對于提高室內舒適性、減少空調使用時間具有節能意義。筆者通過實驗研究，分析屋頂綠化的熱流方向與室內溫度的關系，提出新的隔熱特征參數。

1 臨界狀態及其存在性

在中國南方地區各種建筑隔熱降溫措施中，屋頂綠化具有地方氣候適應性和節能生態性。南方地區夏季太陽輻射強，高溫天氣多，但同時降雨也十分豐富，濕熱氣候創造了綠化植物繁榮茂盛的生長條件。綠化植物是氣候的產物，同時也是氣候的生產物，采用綠化措施對建筑圍護結構進行降溫隔熱實際上是一種氣候手段。采用氣候手段解決氣候帶給建筑的熱問題是一種和諧的生態過程。

氣候作用于綠化所產生的正面影響與氣候作用于建筑所產生的負面影響構成相互作用的雙方，其結果是存在一種傳熱平衡狀態。在一些屋頂綠化隔熱降溫實驗研究中證明了這種平衡狀態的存在。早在20世紀80年代，四川省建筑科學研究所等單位在成都對植被屋面夏季熱工參數進行了比較全面的測量，除了得到植被屋面隔熱效果特別顯著的結論外，還發現植被屋頂內表面平均熱流是從室內傳向屋頂，與對比的裸屋頂情況相反。后來在重慶進行的被動式屋頂綠化實驗中發現了同樣的現象［15］。另外，在日本進行的被動式建筑屋頂綠化實驗中也有同樣的報道［16］，在近年來新加坡進行的一項實驗中報道了植被屋頂內表面平均熱流為0的情況［1］。而在一些室內為空調環境的實驗中，植被屋頂內表面平均熱流是從屋頂傳向室內，與對比的裸屋頂情況相同［17］。雖然對屋頂綠化實驗的報道不少，但是能夠測量熱流的情況卻很少，因此這種現象并未被關注。這些實驗說明：在夏季晴天氣候條件下，對于空調房間，室內溫度較低，綠化屋頂向室內傳熱，熱流為正；對于被動式房間，室內溫度較高，綠化屋頂吸收室內熱量，熱流為負。因此可以推測：在室外氣候條件不變的情況下，當室內溫度由較低狀態向較高狀態變化時，綠化屋頂內表面熱流將會由正值變化為負值，在這種狀態變化過程中，應該存在一種臨界狀態，使內表面熱流為0，此為傳熱平衡狀態，臨界狀態的室內溫度可稱為傳熱臨界溫度。從已有的各種實驗中可以估計，屋頂綠化的傳熱臨界溫度應該在自然室溫與空調室溫之間，在此狀態，屋頂不向室內傳熱。

2 實驗設置與測量數據分析

通過對已有實驗結果的分析，推測了屋頂綠化傳熱臨界溫度的存在，但卻不能給出明確的數值，因為這些實驗是各自進行的，沒有哪個實驗同時完成了不同室內溫度的綠化屋頂內表面熱流的測量。因此，為了得到屋頂綠化的傳熱臨界溫度，需要根據實驗目的設置新的實驗。仍然采用綠化屋頂與裸屋頂的熱工對比實驗方法，通過采用空調與非空調狀態不同室溫的屋頂熱工參數測量，分析熱流與室內溫度的關系。

2.1 實驗設置

實驗在上海某綠化基地進行。實驗屋頂的房間為相鄰對比房，每間面積約20m2，安裝有同樣型號的壁掛式空調控制室內溫度。屋頂構造為鋼筋混凝土空心板加防水保護層，墻體為雙面抹灰磚墻。屋頂上的綠化為一種塊狀綠化產品，主要由種植盤、基質和植物組成。種植盤用粉煤灰和水泥混合壓制成型，具有排水和保肥的作用。種植盤內放置基質材料后，總厚度約為100mm，濕重量達到100kg／m2。種植的綠化植物為佛甲草，生長茂密。實驗時間為2007－08－07—2007－08－31，共25d，其中前面12d房間開啟空調，設置溫度25℃；后面13d關閉空調，房間自然室溫。測量內容為氣候參數、室內溫度、屋頂內表面溫度、熱流等熱工參數。

2.2 測量數據及分析

測量期間的氣候參數變化如圖1所示。可以看出，連續25d中大部分天氣為晴天，平均氣溫為30℃左右，最高氣溫為39℃。在房間開啟和關閉空調的2段測量期間氣候條件相近，測量結果可以進行比較。

圖2為綠化屋頂與裸屋頂的房間空氣溫度變化對比。在房間開啟空調期間，室內溫度比較接近，除了有一天停電關機導致溫度較高外，其余天氣的室內溫度都為25℃左右，并且變化很小。在房間關閉空調期間，室內溫度是由各部分圍護結構傳熱作用綜合形成的自然室溫。可以看出，綠化屋頂的自然室溫比裸屋頂低得多，并且每天的溫度變化也小得多，充分顯示了屋頂綠化對室內熱環境的正面影響。

圖3為綠化屋頂與裸屋頂的內表面熱流變化情況。在房間開啟空調期間，綠化屋頂與裸屋頂都向室內傳熱，熱流方向一致，但熱流大小差別很大。綠化屋頂的熱流數值小、變化也小，裸屋頂的熱流數值大、變化更大，說明屋頂綠化大量減少了空調房間的屋頂傳熱量，節能效果顯著。在房間關閉空調期間，綠化屋頂的熱流變為負值，說明屋頂吸收室內的熱量，它們來自墻體傳入室內的熱量。裸屋頂的熱流每天有極少數時間為負值，大多數時間為正值，而且峰值高，說明屋頂向室內傳熱多，導致室內溫度迅速升高。

圖1 氣候參數

圖2 室內溫度

圖3 屋頂內表面熱流

在房間開啟和關閉空調的2段測量期間，分別取連晴4d的測量數據進行平均，匯總得到表1和表2。可以看出，2段連晴天的氣候條件很接近，裸屋頂在2種不同的室內溫度情況下，熱流大小不同、方向一致，即使自然室溫高于室外氣溫，傳熱方向仍然是從室外傳向室內，這是因為裸屋頂的室外綜合溫度高于室內溫度。但綠化屋頂在2種不同的室內溫度情況下，熱流方向相反，即使自然室溫低于室外氣溫，傳熱方向也不是從室外傳向室內，而是從室內傳向屋頂。這與保溫材料傳熱有本質區別。

表1 開啟空調期間測量數據平均值

表2 關閉空調期間測量數據平均值

3 臨界溫度與氣溫的關系

實驗證明了屋頂綠化傳熱臨界溫度的存在，但是要想通過實驗方法調整室內溫度剛好達到熱流為0的臨界狀態是非常困難的，因為室外氣候不能控制，難以保證室內溫度調整在各種狀態都有相近的室外氣候條件。筆者將對實驗數據統計分析。

建筑上的傳熱現象都是由于室內、外溫差引起的，因此傳熱大小必然會與室內、外溫差有關系。但屋頂傳熱具有熱惰性，屋頂內表面熱流與室內、外溫差的變化不同步。如果考慮氣候條件具有周期性，則采用實驗數據的日平均值進行相關分析可以減小熱惰性的影響。

將25d測量期間的屋頂內表面熱流、室外氣溫與室內溫度的溫差進行日平均值相關系數計算，得到熱流與溫差的相關系數：綠化屋頂為0.89，裸屋頂為0.93。2種屋頂的熱流與溫差的相關性見圖4和圖5。

采用線性回歸得出2種屋頂的溫差與熱流的關系如下：

圖4 綠化屋頂熱流與溫差的關系

圖5 裸屋頂熱流與溫差的關系

式中：Δtg為室外氣溫與綠化屋頂的室內溫度之差，℃；Δt為室外氣溫與裸屋頂的室內溫度之差，℃；qg為綠化屋頂內表面熱流強度，W／m2；q為裸屋頂內表面熱流強度，W／m2。

在式（1）、（2）中，取熱流為0可以得出溫差：綠化屋頂為1.5℃，裸屋頂為－4.4℃。由此得出2種屋頂內表面不傳熱的室內臨界溫度與室外氣溫的關系為：

式中：ti，g為綠化屋頂的傳熱臨界溫度，℃；ti為裸屋頂的傳熱臨界溫度，℃；te為室外氣溫，℃。

由式（3）、（4）可見，綠化屋頂的傳熱臨界溫度比室外氣溫低1.5℃，裸屋頂的傳熱臨界溫度比室外氣溫高4.4℃。如果以測量期間的室外平均氣溫30℃計算，綠化屋頂的傳熱臨界溫度為28.5℃，裸屋頂的傳熱臨界溫度為34.4℃。由此可以得出，在不使用空調的情況下，綠化屋頂的室內溫度達到了人體適應性舒適水平，裸屋頂的室內環境不可居住。

4 討 論

屋頂綠化的傳熱臨界溫度也是一種隔熱特征參數。在室內溫度低于傳熱臨界溫度的情況下，屋頂綠化的隔熱性能可以采用等效熱工參數進行評價，而在室內溫度高于傳熱臨界溫度的情況下，不能采用等效熱工參數進行評價。這也說明了在一些被動式室內熱環境狀態下屋頂綠化不能采用等效熱工參數進行評價的原因。

屋頂綠化的傳熱臨界溫度對建筑節能設計具有新的意義。以這種傳熱臨界溫度設計的建筑熱環境可以達到人體適應性舒適水平，并且在節能建筑設計中可以不計屋頂傳熱，體形系數中的建筑外表面可以不計屋頂面積。這對于屋頂面積較大的建筑的節能設計尤其有利。

5 結 語

采用上海夏季氣候條件下的佛甲草屋頂綠化實驗方法，證明了屋頂綠化在室內人體可接受的熱環境范圍內存在著不向室內傳熱的臨界溫度狀態。通過屋頂內表面熱流與室內外溫差的相關性分析，得出屋頂綠化的傳熱臨界溫度比室外平均氣溫低1.5℃，而未采用保溫隔熱措施的裸屋頂的傳熱臨界溫度比室外平均氣溫高4.4℃。

［1］Nyuk Hien W，Puay Yok T，Yu C.Study of thermal performance of extensive rooftop greenery systems in the tropical climate ［J］.Building and Environment，2007，42：25－54.

［2］趙定國，薛偉成.輕型屋頂綠化的節電效果［J］.上海農業學報，2008，24（1），99－101.Zhao D G，Xue W C.Effect of light roof greening on saving electric power consumption ［J］.Acta Agriculture Shanghai，2008，24（1），99－101.

［3］Lazzarin R M，Castellotti F，Busato F.Experimental measurements and numerical modelling of a green roof［J］.Energy and Building，2005，37：1260－1267.

［4］Tang M F，Yang Z J.Thermal characteristics of green roof in natural climate ［J］.Journal of Central South University of Technology，2007，14：39－42.

［5］Fang C F.Evaluating the thermal reduction effect of plant layers on rooftops ［J］.Energy and Buildings，2008，40：1048－1052.

［6］孟慶林，張玉，張磊.熱氣候風洞內測定種植屋面當量熱阻［J］.暖通空調，2006，36（10）：111－113.Meng Q L，Zhang Y，Zhang L.Measurement of equivalent thermal resistance of planted roof in hotclimate wind tunnel［J］.Journal of HV＆AC，2006，36（10）：111－113.

［7］唐鳴放，楊真靜，鄭開麗.屋頂綠化隔熱等效熱阻［J］.重慶大學學報，2007，30（5）：1－3.Tang M F，Yang Z J，Zheng K L.Thermal R－values of green roof［J］.Journal of Chongqing University，2007，30（5）：1－3.

［8］唐鳴放，鄭澍奎，楊真靜.屋頂綠化節能熱工評價［J］.土木建筑與環境工程，2010，32（2）：90－93.Tang M F，Zheng S K，Yang Z J.Thermal performance and energy analysis of green roof［J］.Journal of Civil，Architectural ＆ Environmental Engineering，2010，32（2）：90－93.

［9］馮馳，張宇峰，孟慶林.植被屋頂熱工性能研究現狀［J］.華中建筑，2010（2）：91－94.Feng C，Zhang Y F，Meng Q L.Current research on the thermal properties on green roofs ［J］.Huazhong Architecture，2010（2）：91－94.

［10］Ayata T， Tabares－Velasco P C，Srebric J.An investigation of sensible heat fluxes at a green roof in a laboratory setup［J］.Building and Environment，2011，46：1851－1861

［11］馮馳，張宇峰，孟慶林.屋頂植被冠層能量方程的理論修正方法［J］.建筑科學，2009，25（10）：85－88.Feng C，Zhang Y F，Meng Q L.Correction method on energy equation of foliage layer for roof plants ［J］.Building Science，2009，25（10）：85－88.

［12］Alexandri E，Jones P.Developing a one－dimensional heat and mass transfer algorithm for describing the effect of green roofs on the built environment：Comparison with experimental results［J］.Building and Environment，2007，42：2835－2849.

［13］Sailor D J.A green roof model for building energy simulation programs［J］.Energy and Buildings，2008，40：1466－1478.

［14］Feng C，Meng Q L，Zhang Y F.Theoretical and experimental analysis of the energy balance of extensive green roofs［J］.Energy and Buildings，2010，42：959－965.

［15］白雪蓮.種植屋面能量傳輸和熱環境的研究［D］.重慶：重慶建筑大學，2000.

［16］Takakura T，Kitade S，Goto E.Cooling Effect of greenery cover over a building ［J］.Energy and Building，2000，31：1－6.

［17］唐鳴放，鄭開麗，嚴永紅，等.屋頂容器式輕型綠化熱工性能分析［J］.重慶大學學報，2009，32（9）：992－996.Tang M F，Zheng K L，Yan Y H，et al.Study on thermal performance of vessel type green roof ［J］.Journal of Chongqing University，2009，32（9）：992－996.