綠色屋頂?shù)某鞘薪禍嘏c建筑節(jié)能效果研究

何亦軒（武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070）

伴隨我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市化進程越來越快，城市化向人們展現(xiàn)繁華的同時，也存在嚴重的污染，例如，噪聲污染、空氣污染等，并且人為熱排放量也在逐漸增加，導(dǎo)致城市出現(xiàn)的熱島效應(yīng)比較明顯，城市生態(tài)環(huán)境正在不斷惡化，基于此，我國越來越多的城市開始探索節(jié)能減排之路，綠色屋頂既能夠達到節(jié)能減排的要求，又不占用城市稀缺的土地資源，可為城市可持續(xù)發(fā)展提供支持。綠色屋頂是由美國在20世紀90年代提出的，其主要目的為了緩解城市暴雨洪澇災(zāi)害，對于延遲徑流峰值以及減少徑流量發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并且對環(huán)境方面也能夠產(chǎn)生較好的效應(yīng)。相較于傳統(tǒng)屋頂，其反射率更高，間接地使屋頂熱阻增加，從而使靜輻射熱量大大減少[1]，在室內(nèi)外發(fā)揮著有效的降溫作用，切實能夠?qū)Τ鞘袩釐u效應(yīng)予以有效緩解，同時能夠?qū)κ覂?nèi)起到隔熱作用，使建筑能耗降低，利于城市熱環(huán)境的改善。因此，在城市推行綠色屋頂，具有多方面效益。

1 綠色屋頂概述

1.1 綠色屋頂?shù)膬?nèi)涵

對于綠色屋頂?shù)亩x一直沒有定論，常規(guī)定義中，人們會將綠色屋頂理解為構(gòu)筑物頂面開設(shè)種植空間后所形成的一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，這種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)主要是由防水層、屋頂承載結(jié)構(gòu)、種植基層、保溫層、蓄水層、排水層以及給排水設(shè)施等構(gòu)成[2]。該結(jié)構(gòu)能夠有效發(fā)揮隔離紫外線的功能，并且還能夠使城市綠化實現(xiàn)立體化，提升城市生態(tài)綠化景觀的層次感。當(dāng)前綠色屋頂所起的作用不斷增加，定義也越來越廣泛，不僅僅發(fā)揮美化空間的作用，對于休憩納涼、調(diào)節(jié)溫度以及節(jié)約能源方面均發(fā)揮重要作用。

1.2 綠色屋頂?shù)闹饕悇e

通常來講，綠色屋頂種植范圍包含三個等級，即高層建筑頂部、構(gòu)筑物中間層以及露天平臺，無論綠色屋頂?shù)姆N植范圍及等級如何，其種植采用的方式一定是與地面脫離的，但并不是說屋頂上只要放置綠植便屬于綠色屋頂，綠色屋頂在業(yè)界有其評估體系和標準。根據(jù)評估體系和標準大致可將綠色屋頂?shù)念悇e劃分為兩大類別，即開放型綠色屋頂和密集型綠色屋頂兩種[3]，兩種類別的綠色屋頂各方面對比如表1所示。

表1 開放型與密集型綠色屋頂?shù)膶Ρ?/p>

開放型綠色屋頂與密集型綠色屋頂各有優(yōu)劣。前者的優(yōu)勢在于其承重比較輕，一般可達到80kg/m2～150kg/m2，并且維護費用也比較低，適用于大面積項目改造，改造費用也比較便宜，在0°～30°的坡屋頂適合應(yīng)用，植物可以自由生長[4]。但開放型綠色屋頂同時也存在一定的劣勢，主要表現(xiàn)在植物類別選擇方面比較有限，無法滿足休閑娛樂用途，并且在視覺方面并無吸引力，尤其是在旱季；后者的優(yōu)勢在于其能夠通過屋頂達到各種使用效果，主要可應(yīng)用于栽種食物、休閑休憩、開放空間等，且這種類型的綠色屋頂有良好的絕緣性，可有效發(fā)揮隔熱御寒作用，可供觀賞，具有較強的吸引力。密集型綠色屋頂也具有一定的劣勢，如施工成本比較高，不適合改造工程，且負重也比較大，可達到300kg/m2～1000kg/m2，需要對其設(shè)置灌排系統(tǒng)。

根據(jù)兩種類型的綠色屋頂對比，在建設(shè)綠色屋頂時可以依據(jù)其對比結(jié)果，并結(jié)合自身的實際情況，對綠色屋頂?shù)念愋瓦M行合理化選擇。

2 綠色屋頂?shù)某鞘薪禍匦Ч治?/h2>

2.1 綠色屋頂對城市產(chǎn)生的降溫效果

綠色屋頂對于調(diào)節(jié)溫度以及減輕城市熱島效應(yīng)發(fā)揮著重要作用，但由于綠色屋頂各層結(jié)構(gòu)的環(huán)境存在差異，導(dǎo)致各層降溫效果也存在明顯的差異，在開展實際測溫工作時，一般會對綠色屋頂?shù)臏y量點位進行確定，常見的測量點位主要包括基質(zhì)底部、基質(zhì)中間部位、基質(zhì)表層、屋頂上方以及室內(nèi)，在開展測溫試驗中，通常會選取常規(guī)屋頂?shù)慕ㄖ镞M行測溫，并對上述測量點位相同的位置進行溫度測量，然后將綠色屋頂各點位測溫結(jié)果與常規(guī)屋頂各點位測溫結(jié)果進行對比，通過數(shù)據(jù)對比了解綠色屋頂?shù)某鞘薪禍匦Ч?/p>

筆者在國內(nèi)某市開展了實地研究，研究主要是采用了手持測溫儀（西安夏溪電子儀器制造有限公司生產(chǎn)）對該市兩幢高度幾乎相同的高層建筑進行定點測溫，兩人以微信作為溝通交流的工具，根據(jù)百度地圖確定兩幢樓之間的距離為900m，其中筆者測量的高層建筑屋頂為綠色屋頂，同事測量的高層建筑屋頂為常規(guī)鋼混屋頂，測量點位的確定以綠色屋頂為準。本次實地測量結(jié)果通過微信語言交流，盡量保證了測量時間、測量點位、氣候情況等方面高度一致，對測量點位共進行了三次測量，測量時間分別為早8：00、中午12：00以及晚上6：00，并對測量結(jié)果及時記錄，通過測量得出的對比結(jié)果如表2所示。

表2 實地溫度測量結(jié)果對比/℃

從表2可以觀察到，各時點該市綠色屋頂建筑在各測量點位上的測量溫度均比常規(guī)鋼混屋頂對應(yīng)點位的測量溫度低，其中，從早8：00測量溫度結(jié)果來看，各測量點位的溫差在1.5℃～2.7℃之間；中午12：00測量溫度結(jié)果來看，各測量點位的溫差在2.8℃～6.1℃之間；晚上6：00測量溫度結(jié)果來看，各測量點位的溫差在2.0℃～2.4℃之間。說明該市中午時段，綠色屋頂?shù)慕禍匦Ч罴眩饕且驗橹形鐨鉁馗撸G色屋頂與常規(guī)鋼混屋頂之間的溫度差異比較明顯，而早晚溫度與中午溫度相對低，使溫差降低，但無論處于何時段，均可說明綠色屋頂?shù)慕禍匦Ч容^好。

2.2 影響綠色屋頂降溫效果的因素

相關(guān)研究顯示[5]，綠色屋頂降溫效果的影響因素主要包括氣候因素、季節(jié)因素以及植物類型選擇因素。氣候因素方面，對于一些干旱或者是半干旱氣候區(qū)，其水分存在明顯的不足，并且在太陽輻射的作用下，會導(dǎo)致植物蒸騰作用受到影響，導(dǎo)致綠色屋頂降溫效果受到影響，而濕潤氣候以及寒冷氣候，則屋頂降溫效果會較好一些，見圖1所示。

圖1不同氣候類型和季節(jié)條件下綠色屋頂降溫效果對比

季節(jié)因素方面，如圖1所示，秋季與其他三個季節(jié)相比，其降溫效果比較差，主要是因為秋季的氣候比較干燥，并且土壤含水量相對較低，尤其是一些植物在秋季時凋零，導(dǎo)致植物覆蓋率低，從而造成蔭蔽效應(yīng)減弱；植物類型選擇因素方面，非景天科植物與景天科植物相比，其降溫效果更好，兩者溫差大概相差1.4℃，這可能是因為景天科植物有其特殊的酸代謝方式，當(dāng)溫度較高或者是太陽輻射比較強的情況下，會導(dǎo)致景天科植物氣孔關(guān)閉，從而造成植物蒸騰作用降低，使其降溫效果減弱。

基于綠色屋頂降溫效果的影響因素，要求設(shè)計及施工人員在開展綠色屋頂設(shè)計施工時，必須關(guān)注各類影響因素，結(jié)合施工所在地的實際情況，對綠色屋頂進行合理設(shè)計和施工，從而提升綠色屋頂?shù)慕禍匦Ч?/p>

3 綠色屋頂?shù)慕ㄖ?jié)能效果分析

3.1 綠色屋頂對建筑產(chǎn)生的節(jié)能效果

綠色屋頂對建筑耗能產(chǎn)生的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在制冷節(jié)能和供暖節(jié)能兩個方面。綠色屋頂所發(fā)揮的制冷節(jié)能效果要高于供暖節(jié)能效果，主要是因為綠色屋頂可通過綠色植物發(fā)揮蔭蔽效應(yīng)，并且植物的蒸騰作用也能夠?qū)ㄖa(chǎn)生降溫作用，其所產(chǎn)生的降溫會對建筑制冷能耗進行節(jié)控，而對部分供暖能耗予以抵消。有研究表示，綠色屋頂所產(chǎn)生的制冷節(jié)能效果一般在-11.77%～90%范圍內(nèi)，平均節(jié)能效果達到26.8%；而供暖節(jié)能效果則通常在-19.9%～48%范圍內(nèi)，平均節(jié)能效果可達到8.09%，由此可見，制冷節(jié)能效果要高于供暖節(jié)能效果，這與本研究看法一致，可以說明綠色屋頂能夠?qū)ㄖ哪墚a(chǎn)生一定的節(jié)能效果。

3.2 影響綠色屋頂建筑節(jié)能效果的因素

綠色屋頂建筑節(jié)能的效果受氣候、植物覆蓋、基質(zhì)及保溫層厚度等因素影響。

首先，從氣候因素來講，對于干旱、半干旱氣候地區(qū)，由于在此類氣候條件下，對城市的降溫效果并不好，并且受城市的熱島效應(yīng)所影響，所以在供暖節(jié)能方面要優(yōu)于濕潤、半濕潤地區(qū)。據(jù)相關(guān)調(diào)查研究表明，綠色屋頂對干旱、半干旱地區(qū)建筑的供暖節(jié)能效果大概可達到19.2%，而對濕潤、半濕潤氣候地區(qū)的供暖節(jié)能效果僅為13.6%，兩種氣候區(qū)之間的節(jié)能效果相差5.6%，對于寒冷氣候地區(qū)，其供暖節(jié)能效果會更差，僅為9%，與干旱、半干旱地區(qū)建筑的供暖節(jié)能效果相差10.2%。而對于建筑的制冷節(jié)能，則恰好與之相反，干旱、半干旱地區(qū)建筑的制冷節(jié)能效果為20.5%左右，而濕潤、半濕潤地區(qū)建筑的制冷節(jié)能效果可達到33.9%左右，兩者相差13.4%，說明綠色屋頂在各種氣候類型下，均能夠發(fā)揮建筑節(jié)能的效果。

其次，植物覆蓋因素方面，景天科植物的抗旱性良好，而草本植物以及其他類型植物對水分的依賴度比較高，并且景天科植物具有良好的耐寒性，很容易在冬季存活，與非景天科植物對比而言，景天科植物在供暖節(jié)能和制冷節(jié)能方面所產(chǎn)生的效果均比較均衡，但受干旱、半干旱氣候特點影響，其降溫效果會比非景天科植物差，導(dǎo)致其制冷節(jié)能效果要低于非景天科植物。

最后，從基質(zhì)及保溫層厚度等因素來看，事實證明，綠色屋頂保溫層越厚，則其建筑節(jié)能效果便會越差，并且厚度如果每增加1cm，則綠色屋頂?shù)慕ㄖ评涔?jié)能和供暖節(jié)能便均會降低1%左右。伴隨隔熱等級的持續(xù)增加，綠色屋頂所發(fā)揮的建筑節(jié)能效果不僅不會提升，反而會出現(xiàn)降低，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因在于：當(dāng)隔熱性能處于良好的情況下，綠色屋頂所產(chǎn)生的蒸騰作用會被隔熱層所阻隔，導(dǎo)致蒸騰作用所發(fā)揮的降溫效果得以降低，這說明提升屋頂隔熱等級無法實現(xiàn)綠色屋頂節(jié)能效果的提升。同時也能說明，對于一些老舊建筑，且保溫效果不足的情況下，若通過對其進行綠色屋頂改造，也可發(fā)揮綠色屋頂?shù)慕ㄖ?jié)能效果。

對于基質(zhì)厚度方面來講，基質(zhì)厚度增加的情況與屋頂保溫層厚度增加相同，會對綠色屋頂植物的蒸騰作用產(chǎn)生阻隔，從而使降溫效果得以減弱；同時，基質(zhì)厚度一旦增加，會對土壤保水能力產(chǎn)生影響，兩者是正相關(guān)的關(guān)系，一旦土壤的保水能力提升，將會導(dǎo)致蒸發(fā)量增加，從而使建筑溫度受到影響，所以基質(zhì)厚度也會對建筑節(jié)能效果產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié)語

綜合上述內(nèi)容，綠色屋頂對于城市降溫以及建筑節(jié)能效果可產(chǎn)生比較明顯的作用，對我國城市當(dāng)前節(jié)能減排的目標可發(fā)揮巨大的推動作用，并且在開展綠色屋頂設(shè)計施工時，可以根據(jù)施工所在地的氣候條件、建筑特點等因素合理選擇綠色屋頂?shù)念愋停瑥亩玫貙崿F(xiàn)其降溫效果和建筑節(jié)能效果，通過對綠色屋頂作用的有效發(fā)揮，使城市節(jié)能減排的目標得以實現(xiàn)，進而減少城市污染，降低城市熱島效應(yīng)，實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。