駱天慶 周婷慧 劉東 黃麗君

屋頂作為建筑外圍護結(jié)構(gòu)的一部分，造成的室外溫差傳熱耗熱量遠遠大于任何一面外墻的耗熱量[1]。屋頂綠化是建筑屋面節(jié)能的一種重要方式。在夏季空調(diào)季節(jié)，通過屋頂綠化隔擋太陽輻射發(fā)揮節(jié)能效應尤為重要。目前基于屋頂綠化節(jié)能效應的研究主要圍繞屋頂綠化的熱工性能和原理[2]以及對暖通空調(diào)的影響[3]展開，具體涉及隔熱保溫、當量熱工參數(shù)、隔熱機理、數(shù)學模型建立、節(jié)電效果及軟件模擬能耗等研究①。中國在風景園林專業(yè)領(lǐng)域，尤為關(guān)注不同類型的屋頂綠化所具有的隔熱保溫性能②。草坪式屋頂綠化的隔熱保溫性能相對較弱[4]；但針對中國城市中大量的既有建筑開展草坪式屋頂綠化，可形成廣泛的屋頂綠化[5]，有利于緩解城市熱島效應[6]。

綜合分析草坪式屋頂綠化隔熱保溫性能的研究發(fā)現(xiàn)：1）基于實測的隔熱保溫性能主要以屋面內(nèi)外表面溫度、室內(nèi)外溫度、裸屋面溫度、植物表面溫度、環(huán)境溫度、太陽輻射等相關(guān)參數(shù)的比較分析來表達；2）受地帶性氣候條件、試驗條件和屋頂綠化建設參數(shù)的制約，隔熱保溫研究結(jié)果差異顯著，有必要針對不同地區(qū)、不同形式的屋頂綠化進行研究；3）已有研究多針對夏季白天的隔熱效果，夜間的熱效應研究較少；4）受建筑周邊環(huán)境的影響，城市建筑屋面的日照條件具有多樣性，但由此引發(fā)的屋頂綠化隔熱保溫性能和節(jié)能效應差異并未有比較性研究（表1）[7-15]。

表1 草坪式屋頂綠化節(jié)能效應相關(guān)研究歸納Tab.1 The review of energy saving studies on extensive green roofs

鑒于模塊式是可適應更多建筑屋面形式的草坪式屋頂綠化構(gòu)造方式[16]，且佛甲草（Sedum lineare）是適合上海地區(qū)屋頂綠化大面積推廣的代表性植物[17]，本研究以佛甲草模塊式屋頂綠化為研究對象，針對試驗屋頂上不同的日照區(qū)間，借鑒以往研究文獻的數(shù)據(jù)采集分析方式，利用熱電偶晝夜連續(xù)測取的多點溫度數(shù)據(jù)和HOBO小氣象站監(jiān)測的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、太陽輻射數(shù)據(jù)，基于測試日的環(huán)境溫度及太陽總輻射，從引起溫度變化的屋面?zhèn)鳠岷蜁r滯效應兩個方面，綜合分析佛甲草種植模塊的晝夜隔熱保溫的效果。

1 材料與方法

1.1 佛甲草種植模塊與試驗屋頂概況

試驗用佛甲草種植模塊，采用上海茵能實業(yè)有限公司的種植槽（IN-WD5050，規(guī)格為長500 mm×寬500 mm×高100 mm），基質(zhì)層為泥炭土和蚯蚓糞按3∶1體積比混合物，厚度為80 mm（圖1）。實驗期間未有降雨，土壤平均含水量為9%，2017年7月26日06：00—07：00進行1 h人工澆灌。

試驗模塊排布于上海市共青森林公園的10號公廁的屋頂上。該屋面為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由15 mm水泥砂漿找平層、防水層、35 mm混凝土找平加鋼筋網(wǎng)片、防水層及表皮約1 mm厚油氈瓦構(gòu)成（圖1），屋面材質(zhì)較易吸熱，且受溫度熱脹冷縮影響容易老化。屋面形式為坡屋面，南北坡向屋面屋脊高4.8 m、屋檐高4.1 m；東西坡向屋面高度分兩個層次，高屋面屋脊高4.3 m、屋檐高3.6 m，低屋面屋脊高3.1 m、屋檐高2.6 m。建筑東南側(cè)分別有樹冠中心距建筑1.2 m、1.4 m、3.6 m的3棵大樹，樹冠高度約5 m，由于屋面的不同坡向及大樹的遮擋影響，屋面不同區(qū)域的太陽輻射強度和日照時數(shù)差別較大。

1.2 試驗屋頂日照分區(qū)

屋面得熱主要來源于太陽輻射。影響太陽輻射的主要因素包括緯度位置、天氣狀況、海拔高低和日照時數(shù)。同一緯度、同一天氣、同一海拔高度的情況下，一日內(nèi)不同朝向的照射面上的太陽輻射強度差別明顯[18]。因此，試驗首先運用ECOTECT軟件對試驗場地和建筑環(huán)境建模，并依據(jù)長三角地區(qū)四季劃分統(tǒng)計得出6月12日—10月5日為夏季的結(jié)論[19]，選擇這一時間區(qū)間進行日照分析。然后將獲得的太陽輻射強度和時長數(shù)據(jù)導入SPSS軟件進行聚類分析，將試驗屋面區(qū)分為4個日照區(qū)間，分別是日照Ⅰ區(qū)、日照Ⅱ區(qū)、日照Ⅲ區(qū)、日照Ⅳ區(qū)，每一日照區(qū)間均布置3盆佛甲草種植模塊進行溫度數(shù)據(jù)測量（圖2）。

1.3 溫度數(shù)據(jù)測量及測點布置

試驗設備為HOBO U30便攜式自動氣象站、熱電偶溫度模塊ADAM-4118，分別用于試驗屋頂環(huán)境溫度和日照最為強烈的南北坡太陽輻射數(shù)據(jù)的采集，以及屋面溫度及佛甲草種植模塊溫度數(shù)據(jù)的選點測量（表2）。

對于各日照區(qū)間內(nèi)的每一個佛甲草測盆，均布置綠化屋面（種植盆盆底）、佛甲草表面、裸屋面3類測點進行溫度測試（圖2）。綠化屋面各測點的編號為d1、d2、d3、d7、d8、d9、d13、d14、d15、d19、d20、d21，測溫時熱電偶探頭置于種植盆底的油氈瓦下；佛甲草表面各測點的編號為f1、f2、f3、f7、f8、f9、f13、f14、f15、f19、f20、f21，測溫時，用佛甲草莖葉緊密包裹探頭，并用鋁箔纏繞固定，以減少太陽輻射的影響[20]；裸屋面測點編號為 4、5、6、10、11、12、16、17、18、22、23、24，測溫時熱電偶探頭放置在油氈瓦下。

1.4 溫度數(shù)據(jù)采集和分析方法

HOBO U30便攜式自動氣象站全天24 h按分鐘連續(xù)采集環(huán)境溫度和太陽輻射數(shù)據(jù)，試驗取每小時內(nèi)的平均值數(shù)據(jù)進行分析。

熱電偶模塊則擇日布點，在測試時段內(nèi)每20 s記錄一次，連續(xù)采集測點溫度數(shù)據(jù)，試驗取每小時的平均溫度數(shù)據(jù)進行分析。為了獲得上海地區(qū)夏季極端高溫天氣下屋頂綠化的節(jié)能效應，試驗依據(jù)上海市天氣預報，選擇了2017年7月25—28日的連續(xù)2個高溫紅色預警和2個高溫橙色預警進行測量。因測試探頭共12組，故每24 h測試時段內(nèi)在同一日照區(qū)間僅測試一組綠化屋面（種植盆底）、佛甲草表面和裸屋面的晝夜溫度數(shù)據(jù)。各測試日的天氣情況詳見表3，測點組合詳見表4。

1 試驗佛甲草模塊屋頂綠化構(gòu)造圖The constructional details of the trial green roof and the sedum module

2 試驗屋頂夏季屋面日照分區(qū)及佛甲草種植模塊和溫度數(shù)據(jù)測點分布The space intervals of solar radiation in summer and the distribution of the sedum modules and testing points on the trial green roof

表2 實驗設備規(guī)格及測量參數(shù)Tab.2 Specifications of experimental equipments and measurement parameters

表3 測試日的天氣情況Tab.3 The meteorological condition of the testing days

數(shù)據(jù)分析依據(jù)天氣預報的晝夜劃分方式，以晚20：00至第二天早08：00為夜間，08：00至20：00為白天，從4個方面進行分析比較：1）采用3個試驗日內(nèi)的環(huán)境溫度及太陽輻射的單日小時平均數(shù)據(jù)，與3日總平均數(shù)據(jù)進行比較，考察3個試驗日環(huán)境溫度差異情況；2）利用4個日照區(qū)間的綠化屋面、裸屋面、佛甲草表面和環(huán)境的3日平均小時溫度值進行晝夜對比分析，探察佛甲草模塊綠化屋面的保溫隔熱效果差異；3）將各日照區(qū)間的綠化屋面、裸屋面、佛甲草表面的3日平均小時溫度值及其最大值進行比較分析，考察不同日照時數(shù)影響下，佛甲草模塊綠化屋面晝夜節(jié)能保溫效應的差異；4）抽取3個試驗日內(nèi)，環(huán)境溫度和太陽輻射的單日小時平均數(shù)據(jù)的最大值出現(xiàn)的時間，與各日照區(qū)間的綠化屋面、裸屋面和佛甲草表面溫度的最大值所出現(xiàn)的時間進行比較，推斷佛甲草模塊綠化屋面的最高溫度時滯效應及時滯小時數(shù)。

2 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗日環(huán)境溫度與太陽輻射狀況

3個試驗日中，首日的環(huán)境溫度較其他2日稍高，但是3日的總體數(shù)據(jù)差異不大：環(huán)境溫度的標準差僅為0.396 ℃，南坡太陽輻射的標準差為22.67μ E，北坡太陽輻射的標準差為14.69μE（表5）。

2.2 佛甲草模塊晝夜隔熱保溫作用差異

對比4個不同日照區(qū)間綠化屋面溫度、裸屋面溫度和佛甲草表面溫度的3日每小時平均晝夜數(shù)據(jù)（圖3），可以發(fā)現(xiàn)：1）白天裸屋面的溫度跳躍非常明顯（如日照Ⅰ區(qū)的裸屋面溫度最高達到了60 ℃以上，最高溫度與最低溫度的差值約30 ℃）；佛甲草表面的溫度跳躍也頗明顯，但是小于裸屋面；4個日照區(qū)間的綠化屋面的溫度曲線則保持平穩(wěn)；總體上看，白天裸屋面的溫度＞佛甲草表面溫度＞環(huán)境溫度＞綠化屋面的溫度；2）午后裸屋面的溫度開始下降，夜間21：00左右開始低于綠化屋面直到次日早晨07：00左右；佛甲草表面溫度也在午后開始下降，于17：00左右開始低于綠化屋面，時間較裸屋面約提前了4 h，且夜間溫度整體低于裸屋面、綠化屋面和環(huán)境溫度，夜間21：00至次日早晨07：00時段內(nèi)溫度低于30 ℃；總體上看，夜間綠化屋面溫度＞環(huán)境溫度＞裸屋面溫度＞佛甲草表面溫度。

表4 各測試時段的測點組合Tab.4 Numbers of the measuring points for each testing period

表5 南北坡太陽輻射及環(huán)境溫度的差異Tab.5 The comparison of daily temperature and PAR on the southern and northern slopes

3 4個日照區(qū)間綠化屋面、裸屋面、佛甲草表面晝夜環(huán)境溫度對比The daily temperature changes of the bottom and top of green modules as well as the roof surface without modules in different space intervals of solar radiation through the day and night

2.3 日照環(huán)境差異對于佛甲草模塊晝夜節(jié)能保溫效應的影響

對比4個日照區(qū)間的綠化屋面、佛甲草表面和裸屋面的3天晝夜平均溫度的最大值和平均值（表6），發(fā)現(xiàn)：1）白天綠化屋面溫度的最大值與平均值均為I區(qū)＞II區(qū)＞III區(qū)＞IV區(qū)；裸屋面溫度的平均值為I區(qū)＞II區(qū)＞III區(qū)＞IV區(qū)，最大值為I區(qū)＞III區(qū)＞II區(qū)＞IV區(qū)；佛甲草表面最高溫出現(xiàn)在日照II區(qū)；2）夜間綠化屋面溫度與裸屋面溫度的最大值、平均值均為I區(qū)＞II區(qū)＞III區(qū)＞IV區(qū)，佛甲草表面溫度的最大值和平均值出現(xiàn)在日照II區(qū)；3）裸屋面與綠化屋面的平均溫度值的差值在白天出現(xiàn)遞減，在夜間出現(xiàn)遞增；裸屋面與佛甲草表面的平均溫度值差值，白天表現(xiàn)為I區(qū)＞III區(qū)＞IV區(qū)＞II區(qū)，夜間表現(xiàn)為遞減（表7）。

2.4 裸屋面與佛甲草屋面綠化的最高溫度時滯效應

南北坡太陽輻射的最大值出現(xiàn)在10：00—12：00，環(huán)境溫度最大值出現(xiàn)在13：00—14：00，太陽輻射與環(huán)境溫度存在約3 h的時滯效應（表8）。裸屋面、佛甲草表面的白天最高溫度時段與太陽輻射或環(huán)境溫度的最大值時段接近，綠化屋面的白天最高溫度時段在19：00，與裸屋面相比平均延時6 h（表9）。

3 討論

上海地區(qū)佛甲草綠化屋面在夏季典型高溫日，晝夜溫度變化平穩(wěn)，同時在不同的日照區(qū)間也表現(xiàn)平穩(wěn)，受太陽輻射的影響較小，可有效減緩裸屋面的晝夜溫差劇變，對延長屋面材料的使用壽命非常有利。

在夏季典型高溫日，晝夜晴天為主的天氣條件下，佛甲草屋頂綠化的保溫隔熱效能總體上表現(xiàn)為白天隔熱（最大屋面降溫值可達28℃以上），夜間保溫（21：00至次晨07：00，日照最強區(qū)的裸屋面溫度與佛甲草綠化屋面溫度平均值差值約–1.4 ℃）；僅日照最弱的IV區(qū)，夜間仍然是隔熱（裸屋面溫度與佛甲草綠化屋面溫度平均值差值約0.1 ℃），表明日照強區(qū)屋頂綠化存在蓄熱、散熱不及裸屋面。綜上，佛甲草綠化屋面在夏季白天的隔熱效果明顯，有利于建筑空調(diào)節(jié)能，但其夏季夜間的保溫效能則不利于建筑空調(diào)節(jié)能，需要結(jié)合建筑屋頂?shù)娜照涨闆r、屋頂構(gòu)造自身的保溫隔熱性能、以及建筑的晝夜使用節(jié)律做進一步的深入研究。此外，盡管2017年7月26日晨的人工澆灌造成測試溫度值相應下降，但因澆灌時段及后續(xù)降溫時段臨近晝夜交替的時間節(jié)點，降溫影響應只涉及晝隔熱、夜保溫的更替時間而不致造成晝隔熱夜保溫情況的徹底改變。

從日均溫和最高溫看，佛甲草綠化屋面溫度均隨日照強度和時數(shù)的增減而增減，且4個日照區(qū)間由強到弱綠化屋面溫度與裸屋面的白天溫度差值呈現(xiàn)遞減趨勢，說明日照越強，佛甲草屋頂綠化對屋面的降溫效果越明顯；佛甲草表面溫度4個日照區(qū)間表現(xiàn)不規(guī)律，可能受植物本身蒸騰作用、風速等因素的影響。

屋面受熱來源主要為太陽輻射，日照最強區(qū)間比日照最弱區(qū)間白天的隔熱效果明顯，夜間保溫也相對明顯，日照弱區(qū)夜間幾乎不存在保溫。

綠化屋面最高溫度出現(xiàn)于19：00，存在時滯效應，這可能是導致夜間綠化屋面保溫的主要原因。最高溫出現(xiàn)在日照最強區(qū)間，提示時滯效應與太陽輻射關(guān)系密切。因此，要減少屋頂綠化夜間屋面保溫，需對綠化屋面蓄熱、散熱時滯效應進行深入研究。

綜合佛甲草綠化屋面在夏季白天的隔熱效能和夜間的保溫效能，為達成建筑節(jié)能的優(yōu)化效果，依據(jù)試驗結(jié)果推測，在日照強的屋面上，佛甲草模塊應該是非滿鋪狀態(tài)，從而使夜間的散熱和白天的降溫效果可能達到平衡；依據(jù)主導風向非滿鋪布置屋頂綠化模塊，增加通風，有助于夏季夜間綠化屋面的降溫，可減少高溫時滯效應，實現(xiàn)屋頂綠化夏季節(jié)能效應的最大化。

表6 4個日照區(qū)間的綠化屋面、佛甲草表面、裸屋面之晝夜溫度的最大值、平均值Tab.6 The maximum and mean temperatures of the bottom and top of green modules,as well as the roof surface without modules in different space intervals of solar radiation through the day and night

表7 4個日照區(qū)間的裸屋面分別與綠化屋面、佛甲草表面晝夜平均值差值Tab.7 The D-value of the mean temperatures between the roof surface without modules and green modules (the bottom and top) in different space intervals of solar radiation through the day and night

表8 南北坡太陽輻射及環(huán)境溫度最大值的出現(xiàn)時間Tab.8 The time of maximum daily temperature and PAR on the southern and northern slopes

表9 4個日照區(qū)間綠化屋面、佛甲草表面、裸屋面的最高溫度時間表Tab.9 The time of maximum temperature of the bottom and top of green modules, as well as the roof surface without modules in different space intervals of solar radiation

4 結(jié)論

上海地區(qū)草坪式佛甲草綠化屋面在夏季典型高溫日可有效減緩建筑屋面的晝夜溫差劇變，其總體保溫隔熱效能表現(xiàn)為白天隔熱、夜間保溫；其中白天顯著的隔熱效能有利于建筑空調(diào)節(jié)能；夜間的保溫效能雖相對不顯著，但會不利于建筑空調(diào)節(jié)能，需要結(jié)合建筑屋頂構(gòu)造自身的保溫隔熱性能、屋面日照條件以及建筑的晝夜使用節(jié)律做進一步的深入研究，以期達到屋頂綠化經(jīng)濟價值與節(jié)能效益的最大化。

注釋：

① 綠化屋面的節(jié)能效能是當前的研究熱點，國外的相關(guān)研究很多，主要發(fā)表在《Energy & building》《Building & Environment》《Ecological Engineering》等刊物上。

② 在CNKI中以“屋頂綠化”為主題高級檢索，在風景園林專業(yè)相關(guān)的《中國園林》《中國園藝文摘》《城市環(huán)境與城市生態(tài)》《上海農(nóng)業(yè)學報》《福建林業(yè)科學》《西北林業(yè)學報》《湖南農(nóng)業(yè)科學》等雜志發(fā)表的屋頂綠化相關(guān)的11篇節(jié)能文獻，都集中在基于實測的屋面隔熱保溫方面。

③ 文中圖1～3均為作者自繪；表1根據(jù)參考文獻[7-15]繪制；表2～9由作者自繪。