粗放式屋頂綠化的熱惰性

唐鳴放，王 東

（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）

粗放式屋頂綠化的熱惰性

唐鳴放，王 東

（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）

屋頂綠化的熱工性能是進行建筑節能工程設計和評價的依據，但目前對屋頂綠化熱工性能的研究很少關注熱惰性。以一種粗放式屋頂綠化在自然通風狀態下連續5個月的對比測量數據為依據，采用統計分析方法研究了屋頂綠化對氣候熱作用波動的衰減和延遲特性。結果表明，綠化屋頂與裸屋頂相比，對氣候熱作用波動的平均衰減倍數提高了1倍以上，延遲時間有所減少。

屋頂綠化；內表面溫度；熱惰性

當今城市面臨著能源需求不斷增大、城市熱島效應普遍增強和生態環境惡化等問題，因此城市可持續發展需要大力開展建筑節能、抑制建筑能耗的快速增長，同時還要廣泛開展城市生態環境建設，增加綠地、緩解城市熱島效應。在這種情況下，屋頂綠化作為一種有效的節能生態綜合措施受到廣泛重視，這不僅促進了屋頂綠化技術的應用和發展，也激發了人們對屋頂綠化研究的更多興趣。在改善熱環境方面，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］。在建筑節能方面，主要關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能效果測量的報道［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用于建筑節能工程，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，并以測量數據為依據確定屋頂綠化當量熱阻［12－15］。但是建筑材料層的熱阻是穩態傳熱狀態的性能參數，在周期性非穩態傳熱過程中只能表達平均傳熱狀態的熱工性能。在室外周期性熱作用下，建筑圍護結構還具有熱惰性，表現為內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，在許多實際測量中，已經得出屋頂綠化的內表面溫度波動很小，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、是否有當量熱惰性指標等問題值得研究。筆者以一種粗放式屋頂綠化的全夏季測量數據為依據，分析反映屋頂綠化熱惰性的內表面溫度波的衰減和延遲特性。

1 研究方法

1.1 實驗方法

屋頂綠化的熱惰性是對氣候周期性作用的熱反應，可以從屋頂綠化的隔熱效果與氣候參數之間的相關性來分析。屋頂綠化主要依靠植物遮陽、蒸發以及土層熱阻達到隔熱效果。植物遮陽的效果與植物種類、生長狀態和覆蓋程度有關，植物蒸發的效果與植物的蒸發特性和土層的含水量有關，土層熱阻與土質材料及其含濕量有關。這些因素中，植物的狀態和土層的含水量還是處于動態變化的過程中。植物的生長狀態隨季節變化，春、夏、秋三季會有不同的狀態，土層含水量與降雨氣候有關，也與人工澆水情況有關。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，其植物的生長狀態和土層的含濕量的動態變化都是以年為周期的氣候作用的結果。因此，選擇粗放式屋頂綠化進行全夏季熱工參數測量和分析，能反映氣候作用下這種屋頂綠化的熱惰性。

實驗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。屋頂結構為架空通風雙屋頂（見圖2），兩層屋面板之間的架空層高度為600 mm，前后開有通風口，氣流通暢。因此，上層屋頂的下側空間處于自然通風狀態，其內表面溫度直接反映屋頂隔熱的效果。在裸屋頂和草地屋頂的內表面布置溫度測點（見圖2），測溫儀為自記溫度計TR-52，儀器精度為±0.3℃，儀器固定在伸入架空層內的長木棍上，儀器探頭緊帖上層屋頂的內表面。布置溫度測點的屋頂所對應的房間，分別為兩戶相鄰住宅的廚房，其窗戶開啟自然通風。在附近屋頂布置氣象儀，為Davis小型氣象站，自動測量太陽輻射照度、氣溫、濕度、風速、降雨量等氣候參數，其中太陽輻射照度的精度為±5%，氣溫精度為±0.5℃。數據采集間隔為1 h，測量時間從5月1日持續到9月29日，共5個月，完全覆蓋了整個夏季。

圖1 測試屋頂

圖2 屋頂構造和內表面溫度測點

1.2 測量數據

測量期間，氣溫和太陽輻射照度的逐時變化見圖3，在室外氣候作用下，有、無草地的屋頂內表面溫度的逐時變化比較見圖4，按月平均的測量數據匯總見表1。從氣候參數的變化來看，每月都不相同，這不僅直接影響屋頂的傳熱量，還影響土層的濕狀態和植物狀態。

氣候對植物的影響是一種季節性的過程，從春季到秋季是草地植物的一個完整的生長周期，因此，下面以植物一個生長周期內的測量數據為依據，研究屋頂綠化對氣候參數日變化作用的熱惰性。

圖3 氣溫和太陽輻射照度

圖4 屋頂內表面溫度

表1 測量數據的月平均值

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，因此屋頂綠化在實際氣候下的熱惰性采用對比分析法。通風屋頂內表面溫度受氣溫影響大，難以確定屋頂對室外熱作用波動的衰減和延遲，因此，采用處于相同通風環境下的綠化屋頂和裸屋頂的內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的衰減性。

夏季氣候參數并不是每天都相同的周期函數，這就導致屋頂對室外熱作用波動的衰減和延遲每天都可能不同。在圖4中，兩個屋頂內表面溫度每天最大值的時間差不是固定值，為此對夏季長時間連續測量數據采用統計分析的方法，引入延時相關性的概念。屋頂的熱惰性使得室外熱作用波在內表面的反應出現延遲，如果延遲時間為τh，則將內表面溫度曲線向前移動τh，就會與室外熱作用波動曲線有最大的相關性。反過來，可以通過逐時向前移動內表面溫度曲線，使其與室外熱作用波動曲線的相關性達到最大來確定延遲時間。因此定義內表面溫度對室外氣候參數的延時相關系數如下：

式中：R（τ）為延時相關系數，x表示室外氣候參數逐時值，t表示內表面溫度逐時值。

按照式（1）計算延時相關系數隨時間τ的變化，找出最大延時相關系數對應的時間τ，即為延遲時間。用太陽輻射照度與氣溫的實測數據計算延時相關系數，找出達到最大值的時間為3 h，這與氣溫對于太陽輻射照度的實際延遲時間基本相符，說明這種方法確定延遲時間是合理的。此外，最大延時相關系數越大，表明氣候參數的波動對內表面溫度波動的影響越大；達到最大延時相關系數的時間越短，說明氣候參數的波動在內表面的反應越快。

2 熱惰性分析

2.1 溫度波幅

根據測量數據統計得到的屋頂內表面溫度的日變化幅度每天都不相同，如圖5、6所示。裸屋頂的內表面溫度變化幅度的大小與天氣有關，晴天變化幅度大，陰雨天變化幅度小，基本上無月份差別。綠化屋頂的內表面溫度變化幅度除了與天氣有關，還與季節有關，春季變化幅度小，然后增大。這是因為春季氣候溫和，降雨頻繁，植物生長茂盛，綠化層對太陽輻射的遮擋和蒸發效果好，因此屋頂內表面溫度變化幅度小。進入夏季以后，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，遮陽效果和蒸發效果都變差，屋頂抵抗熱作用的能力降低，導致內表面溫度變化幅度增大。

2.2 衰減倍數

屋頂對室外氣候熱作用波動的衰減倍數為室外熱作用波幅與內表面溫度波幅的比值。在相同的室外氣候熱作用下，綠化屋頂與裸屋頂的衰減倍數的比值，即為綠化屋頂相對于裸屋頂的相對衰減倍數，其大小為裸屋頂與綠化屋頂的內表面溫度波幅的比值。

圖5 裸屋頂內表面溫度變化幅度

圖6 綠化屋頂內表面溫度變化幅度

圖7為測量期間綠化屋頂的相對衰減倍數，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變化的特點。

圖7 綠化屋頂的相對衰減倍數

將綠化屋頂各月的相對衰減倍數取平均值，得到圖8?？梢姡拖募?個月來看，屋頂綠化的相對衰減倍數是6月大、7月和8月小，最小值為2。

圖8 各月綠化屋頂的平均相對衰減倍數

2.3 延遲時間

屋頂對室外氣候熱作用波動的延遲時間為內表面溫度最大值的時間與室外熱作用波動最大值的時間之差。在相同的室外氣候熱作用下，綠化屋頂與裸屋頂的內表面溫度最大值的時間之差，即為綠化屋頂相對于裸屋頂的相對延遲時間，其值為正（負）時，表示綠化屋頂對室外氣候熱作用波動的反映比裸屋頂慢（快）。

圖9為測量期間綠化屋頂的相對延遲時間，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，進入6月中旬以后曲線趨于平直。曲線上的數值為負值，說明綠化屋頂對室外氣候熱作用波動的反映比裸屋頂更快。

圖9 綠化屋頂的相對延遲時間

將綠化屋頂各月的相對延遲時間取平均值，得到圖10?？梢姡?月份綠化屋頂的平均相對延遲時間的數值最小，其余月份的平均相對延遲時間基本相同。表明5月份綠化屋頂對室外氣候熱作用波動的延遲時間與裸屋頂相近，其余月份綠化屋頂對室外氣候熱作用波動的延遲時間比裸屋頂少2 h左右。

圖10 各月綠化屋頂的平均相對延遲時間

室外氣候對屋頂的熱作用包括氣溫和太陽輻射，可分別計算屋頂對氣溫和太陽輻射作用的延遲時間。使用氣候參數和屋頂內表面溫度測量數據，按照式（1）計算出屋頂對氣溫和太陽輻射的延時相關系數，找出達到最大值的時間τ，可確定延遲時間。

圖11為屋頂對氣溫的延時相關系數變化曲線。從圖上可以看出，在每天24 h的熱作用周期波動下，延時相關系數也呈現24 h的周期波動，并且波動曲線逐漸下降，這說明第1天的氣溫變化對第2天屋頂內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，這也表現了綠化屋頂的蓄熱性。在延時數為24 h內，裸屋頂的延時相關曲線波動大，最大延時相關系數為0.96，說明裸屋頂內表面溫度對當天氣溫逐時變化的反應強；綠化屋頂的延時相關曲線波動小，最大延時相關系數為0.85，并且各時間的延時相關系數都在0.7以上，說明當天各時間的氣溫對綠化屋頂內表面溫度都有較大影響。從圖上還可以看出，兩種屋頂對當天氣溫變化的反應延遲是不同的，綠化屋頂的延遲時間為2 h，裸屋頂的延遲時間為3 h，即綠化屋頂對氣溫變化的反應比裸屋頂更快。

圖11 屋頂內表面溫度與氣溫的延時相關性

圖12為屋頂對太陽輻射照度的延時相關系數變化曲線。同樣可見，裸屋頂對太陽輻射逐時變化的反應比綠化屋頂更強，而且兩條曲線下降都比較慢，說明當天太陽輻射對第2天屋頂內表面溫度還有影響。圖上還看出，綠化屋頂對當天太陽輻射的延遲時間為3 h，裸屋頂的延遲時間為6 h，即綠化屋頂對太陽輻射變化的反應比裸屋頂更快。

圖12 屋頂內表面溫度與太陽輻射照度的延時相關性

以上針對氣溫和太陽輻射的作用，由測量數據統計分析得出，綠化屋頂的延遲時間比裸屋頂更短，這個結果的正確性可以用一段時間的測量數據進行驗證。圖13是連晴天的屋頂內表面溫度逐時變化，可以看出，綠化屋頂內表面溫度達到最大值的時間比裸屋頂更早，對此現象的科學解釋有待進一步研究。

圖13 屋頂內表面溫度

3 討論

1）在工程應用中屋頂綠化的衰減倍數取值。根據圖5，粗放式屋頂綠化的相對衰減倍數是變化的，擬合曲線的最小值為2。因此取屋頂綠化的相對衰減倍數為2，即屋頂綠化的衰減倍數為裸屋頂的衰減倍數的2倍，這樣就可以保證屋頂綠化的隔熱效果。根據屋頂構造及材料的熱物性參數，可以計算出裸屋頂在夏季隔熱情況下的衰減倍數為3.6，因此屋頂綠化的衰減倍數可取為7.2。

2）屋頂綠化的熱惰性是否可用當量熱惰性指標表達。如果把屋頂上覆土種植綠化植物看成屋頂上設置了保溫材料層，那么按照圍護結構周期傳熱原理，屋頂增加保溫材料層后熱惰性會增大，內表面溫度波的衰減和延遲都會增加。但上面的實驗分析得出，屋頂增加綠化層后，內表面溫度波的延遲時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別，使用當量熱惰性指標不能完全表達屋頂綠化的熱惰性。

4 結論

1）在屋頂下面空間自然通風狀態下，粗放式屋頂綠化對夏季氣候熱作用波動的衰減倍數在5月最大，8月最小，平均衰減倍數為裸屋頂的2倍以上。

2）屋頂覆土綠化后，對氣溫和太陽輻射熱作用波動的反應更快，延遲時間減少；反應強度減弱，內表面溫度與氣候參數的最大延時相關性降低。

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量熱惰性指標。

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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

國家科技支撐計劃課題（2013BAJ11B05）

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