覆土種植屋頂隔熱的保溫性能

胡偉，李伯鈞，田丹青，詹書俠

(浙江省園林植物與花卉研究所，浙江 杭州 311251)

屋頂是城市綠化最具潛力的可再利用空間[1]，屋頂農(nóng)業(yè)作為立體綠化的重要形式，具有增加城市綠地面積、緩解“熱島效應(yīng)”、保護(hù)建筑屋頂?shù)茸饔肹2-4]，有效緩解了人口、土地、環(huán)境三者間的矛盾[5-6]，涉及到綠色建筑節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、室內(nèi)環(huán)境和物業(yè)管理六大項(xiàng)中的五項(xiàng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗占全球總能耗的比例約為31%[7]，人們在室內(nèi)度過約90%的時間[8]，其中溫度是影響居住區(qū)舒適度的關(guān)鍵因素。不同的下墊面材料會深刻影響其溫度分布[9]，屋頂綠化5 cm粉煤灰基質(zhì)加1 cm佛甲草既有良好的隔熱降溫效果[10]，相變儲熱技術(shù)也被應(yīng)用于建筑節(jié)能[11]。在常見液體和固體物質(zhì)中，水的比熱容最大，而泥土本身是傳統(tǒng)的屋頂隔熱保溫材料，蓄水覆土種植屋頂作為一種新型節(jié)能模式，可直接影響建筑物的熱輻射、熱傳導(dǎo)以及熱對流，水和土壤疊加對屋頂溫度的綜合影響有待監(jiān)測和深入研究，為屋頂農(nóng)業(yè)和綠色建筑良性發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)地點(diǎn)在杭州市濮家小學(xué)筧新校區(qū)教學(xué)樓，種植屋面結(jié)構(gòu)為混凝土現(xiàn)澆平屋面基礎(chǔ)上蓄水覆土，8 cm多孔磚蓄水層+23 cm覆土種植層(屋頂+蓄水的屋頂農(nóng)業(yè)模式出自李伯鈞的專利技術(shù))，無特殊保溫層，蓄水層的存在大幅度降低屋頂農(nóng)業(yè)灌溉用水。對照屋頂在同一教學(xué)樓樓頂，為混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)加建材防水保溫層，>10 cm輕骨料混凝土找坡+3 cm擠塑聚苯保溫板+3 cm水泥沙漿找平+SBS卷材防水+4 cm鋼筋細(xì)石砼保護(hù)層。2016—2019年，在1月冷涼季和8月高溫季對蓄水覆土種植屋頂和對照屋頂連續(xù)7 d測溫，每隔1 h用WS-T21G-A溫度記錄儀連續(xù)監(jiān)測板頂(混凝土屋頂上表面)和板底(屋頂下表面即室內(nèi)天花板)、屋頂氣溫(屋頂上方1.5 m處)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同屋頂?shù)臅円箿夭钭兓瘜Ρ?/h3>

圖1顯示，2種屋頂?shù)臅円箿夭畛霈F(xiàn)明顯差異。以2016年8月5—11日數(shù)據(jù)為例，建材防水隔熱的對照處理，其屋頂表面溫度最高達(dá)69.1 ℃，板頂晝夜溫差介于10.0～39.1 ℃，平均溫差25.0 ℃；而種植屋頂處理的上表面(蓄水層與屋面接觸面)溫度變幅極小，晝夜溫差僅0.2～1.0 ℃，平均值僅為0.6 ℃。同時，屋頂不同的隔熱防水措施直接對室內(nèi)溫度產(chǎn)生影響，覆土屋頂板底(室內(nèi)天花板)晝夜溫差平均為0.9 ℃，僅0.2～2.6 ℃小幅變化，對照處理板底溫差在1.2～6.5 ℃，平均為3.7 ℃。

圖1 2016年夏季屋頂晝夜溫差周變化

圖2顯示，由2016—2019年的8月5—12日的晝夜溫度平均值可看出，2種屋面溫度差異在不同年份間的趨勢基本一致。綜合來看，屋頂覆土蓄水處理后，混凝土現(xiàn)澆頂板的上下表面溫度穩(wěn)定，受外界氣溫變化的影響小；單一建材防水隔熱屋頂雖能有效降低室內(nèi)溫度波動，但屋頂劇烈的溫差易導(dǎo)致屋面老化，甚至開裂漏水，高溫季節(jié)建材表面的熱輻射還會增加屋頂周邊的環(huán)境溫度。

圖2 屋頂晝夜溫差年際對比

2.2 夏季高溫季不同屋面溫度日變化

由圖3可知，對照處理建材隔熱板頂?shù)臏囟扰c板頂1.5 m處的氣溫日變化趨勢一致，高溫時段均出現(xiàn)在11：00—15：00，最高峰達(dá)52.21 ℃；頂板溫度變幅更大，比同時刻氣溫高7.95～9.48 ℃。建材隔熱板底以及覆土蓄水屋面板頂、板底的溫度都很穩(wěn)定，建材隔熱板底溫度比覆土蓄水屋面高出2.5～3.0 ℃，即2個處理的室內(nèi)環(huán)境受屋頂氣溫的影響小，覆土蓄水屋頂具有更佳的隔熱性能。

圖3 夏季屋頂溫度日變化

圖3也發(fā)現(xiàn)一個獨(dú)特的現(xiàn)象，覆土蓄水屋頂板底(室內(nèi)天花板)的溫度反而要高于板頂(蓄水層下墊面)溫度。常規(guī)思維會認(rèn)為，板底的溫度主要由板頂陽光輻照升溫后向下傳導(dǎo)，但事實(shí)并非如此，即在盛夏高溫天氣下，種植屋頂?shù)男钏畬幽軌蛭{并降低室內(nèi)部分熱量，屋頂覆土可發(fā)揮“夏涼”的獨(dú)特隔熱功效。

2.3 冬季低溫季不同屋面溫度變化特征

圖4為2018年1月23—25日連續(xù)記錄溫度，3日內(nèi)氣溫介于-6.2～7.4 ℃，建材隔熱裸屋頂?shù)谋砻鏈囟炔▌臃浅４螅?9.3～15.7 ℃波動，變化幅度遠(yuǎn)超過氣溫波動，白天溫度高于氣溫，而不易理解的是其夜間溫度反而低于氣溫。覆土蓄水屋頂頂板、底板溫度并未隨外界氣溫高低起伏而變化，3日內(nèi)的溫度穩(wěn)定在2.0～5.1 ℃，覆土蓄水處理的溫度整體高于常規(guī)建材隔熱處理，板底溫度比對照平均高出4.52 ℃。可見屋頂覆土蓄水擁有“冬暖”的強(qiáng)大保暖功能。另外，平穩(wěn)的溫度既增加了室內(nèi)的舒適性，也有助于延長建筑屋頂?shù)氖褂脡勖?/p>

圖4 2018年冬季屋頂溫度變化(3日)

3 討論

屋頂覆土蓄水后上下表面的溫度平穩(wěn)，晝夜溫差變動小。夏季高溫時，覆土蓄水屋面板底溫度比建材隔熱屋頂板底低2.5～3.0 ℃；冬季低溫時，覆土蓄水屋面室內(nèi)溫度比對照平均高4.52 ℃。覆土蓄水屋頂真正實(shí)現(xiàn)了“冬暖夏涼”的生態(tài)節(jié)能效果。

隨著城市規(guī)模的逐年擴(kuò)大，城市“熱島效應(yīng)”在夏季非常明顯，屋頂覆土種植后，其溫度波動幅度大大降低，有效減少了屋頂向大氣的熱源輻射；高溫季節(jié)減少熱量自頂板向室內(nèi)傳導(dǎo)，發(fā)揮了溫度調(diào)節(jié)器的作用；蓄水層更增強(qiáng)了對溫度的調(diào)蓄能力，可逆向吸附室內(nèi)熱量。

多年實(shí)踐證明，凡無特殊隔熱保溫要求，覆土種植屋面一般不需另設(shè)隔熱層，實(shí)施屋頂種植可節(jié)省大量的隔熱保溫材料。