上海佛甲草模块式屋顶绿化夏季昼夜节能效应研究

骆天庆 周婷慧 刘东 黄丽君

屋顶作为建筑外围护结构的一部分，造成的室外温差传热耗热量远远大于任何一面外墙的耗热量[1]。屋顶绿化是建筑屋面节能的一种重要方式。在夏季空调季节，通过屋顶绿化隔挡太阳辐射发挥节能效应尤为重要。目前基于屋顶绿化节能效应的研究主要围绕屋顶绿化的热工性能和原理[2]以及对暖通空调的影响[3]展开，具体涉及隔热保温、当量热工参数、隔热机理、数学模型建立、节电效果及软件模拟能耗等研究①。中国在风景园林专业领域，尤为关注不同类型的屋顶绿化所具有的隔热保温性能②。草坪式屋顶绿化的隔热保温性能相对较弱[4]；但针对中国城市中大量的既有建筑开展草坪式屋顶绿化，可形成广泛的屋顶绿化[5]，有利于缓解城市热岛效应[6]。

综合分析草坪式屋顶绿化隔热保温性能的研究发现：1）基于实测的隔热保温性能主要以屋面内外表面温度、室内外温度、裸屋面温度、植物表面温度、环境温度、太阳辐射等相关参数的比较分析来表达；2）受地带性气候条件、试验条件和屋顶绿化建设参数的制约，隔热保温研究结果差异显著，有必要针对不同地区、不同形式的屋顶绿化进行研究；3）已有研究多针对夏季白天的隔热效果，夜间的热效应研究较少；4）受建筑周边环境的影响，城市建筑屋面的日照条件具有多样性，但由此引发的屋顶绿化隔热保温性能和节能效应差异并未有比较性研究（表1）[7-15]。

表1 草坪式屋顶绿化节能效应相关研究归纳Tab.1 The review of energy saving studies on extensive green roofs

鉴于模块式是可适应更多建筑屋面形式的草坪式屋顶绿化构造方式[16]，且佛甲草（Sedum lineare）是适合上海地区屋顶绿化大面积推广的代表性植物[17]，本研究以佛甲草模块式屋顶绿化为研究对象，针对试验屋顶上不同的日照区间，借鉴以往研究文献的数据采集分析方式，利用热电偶昼夜连续测取的多点温度数据和HOBO小气象站监测的环境温度数据、太阳辐射数据，基于测试日的环境温度及太阳总辐射，从引起温度变化的屋面传热和时滞效应两个方面，综合分析佛甲草种植模块的昼夜隔热保温的效果。

1 材料与方法

1.1 佛甲草种植模块与试验屋顶概况

试验用佛甲草种植模块，采用上海茵能实业有限公司的种植槽（IN-WD5050，规格为长500 mm×宽500 mm×高100 mm），基质层为泥炭土和蚯蚓粪按3∶1体积比混合物，厚度为80 mm（图1）。实验期间未有降雨，土壤平均含水量为9%，2017年7月26日06：00—07：00进行1 h人工浇灌。

试验模块排布于上海市共青森林公园的10号公厕的屋顶上。该屋面为钢筋混凝土结构，由15 mm水泥砂浆找平层、防水层、35 mm混凝土找平加钢筋网片、防水层及表皮约1 mm厚油毡瓦构成（图1），屋面材质较易吸热，且受温度热胀冷缩影响容易老化。屋面形式为坡屋面，南北坡向屋面屋脊高4.8 m、屋檐高4.1 m；东西坡向屋面高度分两个层次，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。建筑东南侧分别有树冠中心距建筑1.2 m、1.4 m、3.6 m的3棵大树，树冠高度约5 m，由于屋面的不同坡向及大树的遮挡影响，屋面不同区域的太阳辐射强度和日照时数差别较大。

1.2 试验屋顶日照分区

屋面得热主要来源于太阳辐射。影响太阳辐射的主要因素包括纬度位置、天气状况、海拔高低和日照时数。同一纬度、同一天气、同一海拔高度的情况下，一日内不同朝向的照射面上的太阳辐射强度差别明显[18]。因此，试验首先运用ECOTECT软件对试验场地和建筑环境建模，并依据长三角地区四季划分统计得出6月12日—10月5日为夏季的结论[19]，选择这一时间区间进行日照分析。然后将获得的太阳辐射强度和时长数据导入SPSS软件进行聚类分析，将试验屋面区分为4个日照区间，分别是日照Ⅰ区、日照Ⅱ区、日照Ⅲ区、日照Ⅳ区，每一日照区间均布置3盆佛甲草种植模块进行温度数据测量（图2）。

1.3 温度数据测量及测点布置

试验设备为HOBO U30便携式自动气象站、热电偶温度模块ADAM-4118，分别用于试验屋顶环境温度和日照最为强烈的南北坡太阳辐射数据的采集，以及屋面温度及佛甲草种植模块温度数据的选点测量（表2）。

对于各日照区间内的每一个佛甲草测盆，均布置绿化屋面（种植盆盆底）、佛甲草表面、裸屋面3类测点进行温度测试（图2）。绿化屋面各测点的编号为d1、d2、d3、d7、d8、d9、d13、d14、d15、d19、d20、d21，测温时热电偶探头置于种植盆底的油毡瓦下；佛甲草表面各测点的编号为f1、f2、f3、f7、f8、f9、f13、f14、f15、f19、f20、f21，测温时，用佛甲草茎叶紧密包裹探头，并用铝箔缠绕固定，以减少太阳辐射的影响[20]；裸屋面测点编号为 4、5、6、10、11、12、16、17、18、22、23、24，测温时热电偶探头放置在油毡瓦下。

1.4 温度数据采集和分析方法

HOBO U30便携式自动气象站全天24 h按分钟连续采集环境温度和太阳辐射数据，试验取每小时内的平均值数据进行分析。

热电偶模块则择日布点，在测试时段内每20 s记录一次，连续采集测点温度数据，试验取每小时的平均温度数据进行分析。为了获得上海地区夏季极端高温天气下屋顶绿化的节能效应，试验依据上海市天气预报，选择了2017年7月25—28日的连续2个高温红色预警和2个高温橙色预警进行测量。因测试探头共12组，故每24 h测试时段内在同一日照区间仅测试一组绿化屋面（种植盆底）、佛甲草表面和裸屋面的昼夜温度数据。各测试日的天气情况详见表3，测点组合详见表4。

1 试验佛甲草模块屋顶绿化构造图The constructional details of the trial green roof and the sedum module

2 试验屋顶夏季屋面日照分区及佛甲草种植模块和温度数据测点分布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 实验设备规格及测量参数Tab.2 Specifications of experimental equipments and measurement parameters

表3 测试日的天气情况Tab.3 The meteorological condition of the testing days

数据分析依据天气预报的昼夜划分方式，以晚20：00至第二天早08：00为夜间，08：00至20：00为白天，从4个方面进行分析比较：1）采用3个试验日内的环境温度及太阳辐射的单日小时平均数据，与3日总平均数据进行比较，考察3个试验日环境温度差异情况；2）利用4个日照区间的绿化屋面、裸屋面、佛甲草表面和环境的3日平均小时温度值进行昼夜对比分析，探察佛甲草模块绿化屋面的保温隔热效果差异；3）将各日照区间的绿化屋面、裸屋面、佛甲草表面的3日平均小时温度值及其最大值进行比较分析，考察不同日照时数影响下，佛甲草模块绿化屋面昼夜节能保温效应的差异；4）抽取3个试验日内，环境温度和太阳辐射的单日小时平均数据的最大值出现的时间，与各日照区间的绿化屋面、裸屋面和佛甲草表面温度的最大值所出现的时间进行比较，推断佛甲草模块绿化屋面的最高温度时滞效应及时滞小时数。

2 试验结果与数据分析

2.1 试验日环境温度与太阳辐射状况

3个试验日中，首日的环境温度较其他2日稍高，但是3日的总体数据差异不大：环境温度的标准差仅为0.396 ℃，南坡太阳辐射的标准差为22.67μ E，北坡太阳辐射的标准差为14.69μE（表5）。

2.2 佛甲草模块昼夜隔热保温作用差异

对比4个不同日照区间绿化屋面温度、裸屋面温度和佛甲草表面温度的3日每小时平均昼夜数据（图3），可以发现：1）白天裸屋面的温度跳跃非常明显（如日照Ⅰ区的裸屋面温度最高达到了60 ℃以上，最高温度与最低温度的差值约30 ℃）；佛甲草表面的温度跳跃也颇明显，但是小于裸屋面；4个日照区间的绿化屋面的温度曲线则保持平稳；总体上看，白天裸屋面的温度＞佛甲草表面温度＞环境温度＞绿化屋面的温度；2）午后裸屋面的温度开始下降，夜间21：00左右开始低于绿化屋面直到次日早晨07：00左右；佛甲草表面温度也在午后开始下降，于17：00左右开始低于绿化屋面，时间较裸屋面约提前了4 h，且夜间温度整体低于裸屋面、绿化屋面和环境温度，夜间21：00至次日早晨07：00时段内温度低于30 ℃；总体上看，夜间绿化屋面温度＞环境温度＞裸屋面温度＞佛甲草表面温度。

表4 各测试时段的测点组合Tab.4 Numbers of the measuring points for each testing period

表5 南北坡太阳辐射及环境温度的差异Tab.5 The comparison of daily temperature and PAR on the southern and northern slopes

3 4个日照区间绿化屋面、裸屋面、佛甲草表面昼夜环境温度对比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 日照环境差异对于佛甲草模块昼夜节能保温效应的影响

对比4个日照区间的绿化屋面、佛甲草表面和裸屋面的3天昼夜平均温度的最大值和平均值（表6），发现：1）白天绿化屋面温度的最大值与平均值均为I区＞II区＞III区＞IV区；裸屋面温度的平均值为I区＞II区＞III区＞IV区，最大值为I区＞III区＞II区＞IV区；佛甲草表面最高温出现在日照II区；2）夜间绿化屋面温度与裸屋面温度的最大值、平均值均为I区＞II区＞III区＞IV区，佛甲草表面温度的最大值和平均值出现在日照II区；3）裸屋面与绿化屋面的平均温度值的差值在白天出现递减，在夜间出现递增；裸屋面与佛甲草表面的平均温度值差值，白天表现为I区＞III区＞IV区＞II区，夜间表现为递减（表7）。

2.4 裸屋面与佛甲草屋面绿化的最高温度时滞效应

南北坡太阳辐射的最大值出现在10：00—12：00，环境温度最大值出现在13：00—14：00，太阳辐射与环境温度存在约3 h的时滞效应（表8）。裸屋面、佛甲草表面的白天最高温度时段与太阳辐射或环境温度的最大值时段接近，绿化屋面的白天最高温度时段在19：00，与裸屋面相比平均延时6 h（表9）。

3 讨论

上海地区佛甲草绿化屋面在夏季典型高温日，昼夜温度变化平稳，同时在不同的日照区间也表现平稳，受太阳辐射的影响较小，可有效减缓裸屋面的昼夜温差剧变，对延长屋面材料的使用寿命非常有利。

在夏季典型高温日，昼夜晴天为主的天气条件下，佛甲草屋顶绿化的保温隔热效能总体上表现为白天隔热（最大屋面降温值可达28℃以上），夜间保温（21：00至次晨07：00，日照最强区的裸屋面温度与佛甲草绿化屋面温度平均值差值约–1.4 ℃）；仅日照最弱的IV区，夜间仍然是隔热（裸屋面温度与佛甲草绿化屋面温度平均值差值约0.1 ℃），表明日照强区屋顶绿化存在蓄热、散热不及裸屋面。综上，佛甲草绿化屋面在夏季白天的隔热效果明显，有利于建筑空调节能，但其夏季夜间的保温效能则不利于建筑空调节能，需要结合建筑屋顶的日照情况、屋顶构造自身的保温隔热性能、以及建筑的昼夜使用节律做进一步的深入研究。此外，尽管2017年7月26日晨的人工浇灌造成测试温度值相应下降，但因浇灌时段及后续降温时段临近昼夜交替的时间节点，降温影响应只涉及昼隔热、夜保温的更替时间而不致造成昼隔热夜保温情况的彻底改变。

从日均温和最高温看，佛甲草绿化屋面温度均随日照强度和时数的增减而增减，且4个日照区间由强到弱绿化屋面温度与裸屋面的白天温度差值呈现递减趋势，说明日照越强，佛甲草屋顶绿化对屋面的降温效果越明显；佛甲草表面温度4个日照区间表现不规律，可能受植物本身蒸腾作用、风速等因素的影响。

屋面受热来源主要为太阳辐射，日照最强区间比日照最弱区间白天的隔热效果明显，夜间保温也相对明显，日照弱区夜间几乎不存在保温。

绿化屋面最高温度出现于19：00，存在时滞效应，这可能是导致夜间绿化屋面保温的主要原因。最高温出现在日照最强区间，提示时滞效应与太阳辐射关系密切。因此，要减少屋顶绿化夜间屋面保温，需对绿化屋面蓄热、散热时滞效应进行深入研究。

综合佛甲草绿化屋面在夏季白天的隔热效能和夜间的保温效能，为达成建筑节能的优化效果，依据试验结果推测，在日照强的屋面上，佛甲草模块应该是非满铺状态，从而使夜间的散热和白天的降温效果可能达到平衡；依据主导风向非满铺布置屋顶绿化模块，增加通风，有助于夏季夜间绿化屋面的降温，可减少高温时滞效应，实现屋顶绿化夏季节能效应的最大化。

表6 4个日照区间的绿化屋面、佛甲草表面、裸屋面之昼夜温度的最大值、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个日照区间的裸屋面分别与绿化屋面、佛甲草表面昼夜平均值差值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 南北坡太阳辐射及环境温度最大值的出现时间Tab.8 The time of maximum daily temperature and PAR on the southern and northern slopes

表9 4个日照区间绿化屋面、佛甲草表面、裸屋面的最高温度时间表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 结论

上海地区草坪式佛甲草绿化屋面在夏季典型高温日可有效减缓建筑屋面的昼夜温差剧变，其总体保温隔热效能表现为白天隔热、夜间保温；其中白天显著的隔热效能有利于建筑空调节能；夜间的保温效能虽相对不显著，但会不利于建筑空调节能，需要结合建筑屋顶构造自身的保温隔热性能、屋面日照条件以及建筑的昼夜使用节律做进一步的深入研究，以期达到屋顶绿化经济价值与节能效益的最大化。

注释：

① 绿化屋面的节能效能是当前的研究热点，国外的相关研究很多，主要发表在《Energy & building》《Building & Environment》《Ecological Engineering》等刊物上。

② 在CNKI中以“屋顶绿化”为主题高级检索，在风景园林专业相关的《中国园林》《中国园艺文摘》《城市环境与城市生态》《上海农业学报》《福建林业科学》《西北林业学报》《湖南农业科学》等杂志发表的屋顶绿化相关的11篇节能文献，都集中在基于实测的屋面隔热保温方面。

③ 文中图1～3均为作者自绘；表1根据参考文献[7-15]绘制；表2～9由作者自绘。