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]，屋頂農業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”、保護建筑屋頂等作用[2-4]，有效緩解了人口、土地、環境三者間的矛盾[5-6]，涉及到綠色建筑節能、節地、節水、節材、室內環境和物業管理六大項中的五項。據統計，建筑能耗占全球總能耗的比例約為31%[7]，人們在室內度過約90%的時間[8]，其中溫度是影響居住區舒適度的關鍵因素。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粉煤灰基質加1 cm佛甲草既有良好的隔熱降溫效果[10]，相變儲熱技術也被應用于建筑節能[11]。在常見液體和固體物質中，水的比熱容最大，而泥土本身是傳統的屋頂隔熱保溫材料，蓄水覆土種植屋頂作為一種新型節能模式，可直接影響建筑物的熱輻射、熱傳導以及熱對流，水和土壤疊加對屋頂溫度的綜合影響有待監測和深入研究，為屋頂農業和綠色建筑良性發展提供參考。

1 材料與方法

試驗地點在杭州市濮家小學筧新校區教學樓，種植屋面結構為混凝土現澆平屋面基礎上蓄水覆土，8 cm多孔磚蓄水層+23 cm覆土種植層(屋頂+蓄水的屋頂農業模式出自李伯鈞的專利技術)，無特殊保溫層，蓄水層的存在大幅度降低屋頂農業灌溉用水。對照屋頂在同一教學樓樓頂，為混凝土現澆結構加建材防水保溫層，>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鋼筋細石砼保護層。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7 d測溫，每隔1 h用WS-T21G-A溫度記錄儀連續監測板頂(混凝土屋頂上表面)和板底(屋頂下表面即室內天花板)、屋頂氣溫(屋頂上方1.5 m處)。

2 結果與分析

2.1 不同屋頂的晝夜溫差變化對比

圖1顯示，2種屋頂的晝夜溫差出現明顯差異。以2016年8月5—11日數據為例，建材防水隔熱的對照處理，其屋頂表面溫度最高達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溫度產生影響，覆土屋頂板底(室內天花板)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，混凝土現澆頂板的上下表面溫度穩定，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溫度波動，但屋頂劇烈的溫差易導致屋面老化，甚至開裂漏水，高溫季節建材表面的熱輻射還會增加屋頂周邊的環境溫度。

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的溫度與板頂1.5 m處的氣溫日變化趨勢一致，高溫時段均出現在11：00—15：00，最高峰達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個處理的室內環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也發現一個獨特的現象，覆土蓄水屋頂板底(室內天花板)的溫度反而要高于板頂(蓄水層下墊面)溫度。常規思維會認為，板底的溫度主要由板頂陽光輻照升溫后向下傳導，但事實并非如此，即在盛夏高溫天氣下，種植屋頂的蓄水層能夠吸納并降低室內部分熱量，屋頂覆土可發揮“夏涼”的獨特隔熱功效。

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日連續記錄溫度，3日內氣溫介于-6.2～7.4 ℃，建材隔熱裸屋頂的表面溫度波動非常大，在-9.3～15.7 ℃波動，變化幅度遠超過氣溫波動，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日內的溫度穩定在2.0～5.1 ℃，覆土蓄水處理的溫度整體高于常規建材隔熱處理，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”的強大保暖功能。另外，平穩的溫度既增加了室內的舒適性，也有助于延長建筑屋頂的使用壽命。

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，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，覆土蓄水屋面室內溫度比對照平均高4.52 ℃。覆土蓄水屋頂真正實現了“冬暖夏涼”的生態節能效果。

隨著城市規模的逐年擴大，城市“熱島效應”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；高溫季節減少熱量自頂板向室內傳導，發揮了溫度調節器的作用；蓄水層更增強了對溫度的調蓄能力，可逆向吸附室內熱量。

多年實踐證明，凡無特殊隔熱保溫要求，覆土種植屋面一般不需另設隔熱層，實施屋頂種植可節省大量的隔熱保溫材料。