屋面生态节能板温度效应研究

陈怡，李绍才，孙海龙

（1.四川大学 生命科学学院，生物资源与生态环境教育部重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065）

0 引言

屋面绿化由于其生态节能功能在许多国家得到了普及和推广，是改善居住环境质量的有效措施，目前绿化屋面的主要价值体现在降低建筑能耗、延长屋面寿命和减小暴雨产生的地面径流3个方面[1]。绿化后的屋面由于植被层对太阳辐射的反射和遮挡作用，植物的蒸腾作用和光合作用[2]以及基质的水分相变吸收的大量潜热，屋面隔热从被动抵抗转变为主动吸收消化，大大增加了屋面的热惰性，达到降温节能的效果[3]。冬季低温干燥，基质层干土壤的导热系数低，热阻效果明显，达到保温节能的效果[4]。

屋面生态节能板是一种轻型屋面绿化技术，既具有较高的节能效果，又具有荷载轻、造价低、施工快捷、管理简便等特点，建成后具有持续的生态节能效果。因此，本试验在屋面生态节能板的功能构造上，通过模拟试验，比较分析屋面生态节能板不同播种密度和保水剂用量下屋面内表面的温度参数指标，旨在分析屋面生态节能板的湿热传递过程，及播种密度和保水剂用量对其生态效果和节能效果的影响，为优化屋面生态节能板的功能构造，增强节能效果，改善室内热环境的工程应用提供依据，有利于我国屋面绿化技术的推广应用。

1 试验

1.1 试验地概况

试验于2016年6月～2017年5月在四川省彭州市升平镇山地生态工程技术研究中心进行。升平镇地处成都平原西北部，属于亚热带温和湿润气候，全年平均气温16.9℃，最热月8月，月均温达27.1℃，最冷月1月，月均温4.7℃，年平均风速1.3 m/s，东北风向为主，年平均降雨量1146.5 mm，主要集中在7、8月，年平均蒸发量1536.4 mm，年平均相对湿度79%，全年无霜期平均为276 d。

1.2 试验材料

屋面生态节能板单幅宽1 m、长3 m、厚5 cm，体积密度1.2 g/cm3，其构造如图1所示，从上到下分别为水分截留槽、水分入渗孔、水分下渗孔、种子萌发带、辐照反射层、温度调节层、种子堆、阻光层、基材层和水/根调节层。水分截留槽的主要功能是截留雨水，为生态节能板提供水分的供给；水分入渗孔和水分下渗孔则是保证水分充分进入到种子萌发堆和基材层，增加透气；辐照反射层和阻光层通过反射阻光达到减缓昼间辐射升温、夜间辐射散热、抑制水分蒸发等效果；温度调节层的作用是缓冲调节热传导过程、缓冲降雨侵蚀、辅助阻光等；种子萌发堆由混合种子和表面覆土组成，是保障种子萌发和幼苗生长的物质基础；基材层是用草炭、紫色土、肥料、消毒剂按一定比例压制成人工土壤颗粒，并配合一定量的保水剂混合而成，可保障屋面生态节能板在裸露屋面上快速建立起稳定的植物系统；水/根调节层具有防止水分下渗，阻止植物根系穿刺的功能，保障了建筑屋面结构的稳定。该屋面生态节能板是一种轻质屋面绿化系统，通过将植被种子与生长基质结合起来，形成易于铺设的板状产品，具有低荷载、施工速度快、不受场地条件限制、易管养等特点。

图1 屋面生态节能板的构造

1.3 试验方法

试验主要研究播种密度和保水剂用量对屋面生态节能板植物生长和节能效果的影响，每个变量因素设计3个水平，为全因子试验设计（见表1），将DxWy作为各处理组合的通用代码（Dx代表播种密度的某个组合，分别为 D1、D2、D3；Wy代表保水剂的某个用量组合分别为W1、W2、W3），将无屋面生态节能板的裸屋面作为对照组，共10个处理组合。屋面生态节能 板 按 对 照 组 、D1W1、D1W2、D1W3、D2W1、D2W2、D2W3、D3W1、D3W2、D3W3依次相邻铺设在10间连排的混凝土屋面模型上，每间房屋面积同单幅屋面生态节能板，屋面最高处1.2 m，坡度为15°，坡向朝南，周围无建筑遮挡，采光通风良好。根据屋面立地条件和环境气候，选取了具有耐旱、耐贫瘠、抗病虫害特性的紫穗槐和黄荆2种落叶灌木作为屋面生态节能板的建植物种，根据设计密度计算[5]出播种量见表2。试件于2015年4月铺设完成后，进行一次性均匀饱和浇水，通过水分蒸发模型修正计算试验条件水分补给及补给量进行后续浇水，本试验不进行养分人为补给，试验测试开始时植物生长情况已趋于稳定，2016年8月，采用比叶重法[6]对叶面积指数进行测试。有无绿化的屋面内表面温度是评价屋面保温隔热效果的重要指标[7]，因此，对10个不同处理组合的屋面内表面温度和室外大气温度进行测试。

表1 试验变量因素设计

表2 屋面生态节能板植物指标及播种量

1.4 测试数据采集

屋面内表面测点布置在房间屋面表面中间位置，采用STHA-MOO2温度传感器，感应范围-40～+100℃，精度0.2℃，设计步长10 min，每月采集1次数据。H21-001型自动气象站放置于混凝土屋面模型东侧的草坪中，用于采集大气温度、气压、风速、相对湿度、降雨量等气象参数，数据采集间隔时间为1h，每月采集1次数据。应用Microsoft Excel 2010、IBM SPSS Statistics22.0软件对数据进行统计处理、分析及绘图。

2 试验结果与分析

2.1 叶面积指数分析

屋面生态节能板的热作用过程主要包括植物层的反射作用、蒸腾作用、光合作用、对流换热作用和基材层的长波辐射作用、蓄热传热作用等，其中植物冠层减弱了太阳辐射对屋面的热作用，是屋面生态节能板具有隔热性能的主要原因[8]。叶面积指数是研究植物冠层表面物质和能量交换的重要参数[9]，是决定屋面生态节能板热工性能的关键因素之一。因此，对叶面积指数进行统计分析，研究播种密度和保水剂用量对叶面积指数的影响，通过对植物参数指标的控制达到优化节能的效果。不同处理组合对叶面积指数的影响见表3。

表3 不同处理组合时的叶面积指数

由表3可以看出，在保水剂用量一定的条件下，不同播种密度屋面生态节能板的叶面积指数均为D1Wy＞D2Wy＞D3Wy，播种密度对叶面积指数的影响表现为抑制作用；以在W2条件下的3种处理组合为例，当保水剂用量为W2水平时，叶面积指数达到最大2.47，W1和W3水平下叶面积指数比W2水平分别低6.67%和13.3%，说明由于保水剂的强吸水性，基质含水量增大，促进了植物植株和叶片的生长，叶面积指数呈增加趋势。

2.2 温度年变化特征

根据温度传感器测得的屋面内表面温度变化，从2016年6月起，每3个月为1组，划分为夏、秋、冬、春4个季度[10]，对照和各处理组合屋面内表面月均温度及温度变化幅度见表4。

表4 不同处理组合的月均温度及温度变化幅度

由表4可见，对照和不同处理组合屋面生态节能板屋面内表面温度年变化特征与大气温度年变化特征基本一致，最高温出现在8月，最低温出现在1月。对照和不同处理组合屋面生态节能板屋面内表面温度均表现出明显的季节性差异：在夏季屋面生态节能板温度均低于对照组温度，起到隔热降温的效果，且随着屋面生态节能板播种密度的增大而减小，不同保水剂用量之间的隔热降温幅度随保水剂用量增加呈现出先增大后减小的趋势；在秋季9～11月随着气温的降低，屋面生态节能板的隔热效应逐渐减弱，到11月出现屋面生态节能板温度高于对照组，表现出一定的保温效应，不同处理组合条件下屋面温度未表现出明显规律；在冬季屋面生态节能板温度均高于对照组，起到保热升温的效果，增温效应随着播种密度的增大而减小，但没有明显差异，保水剂用量对升温效应有抑制作用，但也没有明显规律；在春季随着气温的回升，到4月份时屋面生态节能板温度低于对照组，又表现出一定的隔热效应，且随着播种密度的增大，隔热效应增加，在不同保水剂用量之间，没有表现出一致的规律。由于屋面生态节能板所选植物均为落叶灌木，春、夏季节随叶面积指数的增大，不同处理组合间的隔热降温效果差异显著，而秋、冬季节植物落叶后，不同处理组合间差异减弱，保热升温效果差异不明显。

2.3 温度月变化特征

屋面生态节能板的节能效应主要表现在夏季高温天气的隔热降温作用和冬季低温天气的保热升温作用，所以选取夏季最热月8月和冬季最冷月1月作为典型代表月份进行节能效应的分析。8月的气象参数如图2所示，室外大气平均温度为28.33℃，月最大温差为10.26℃，最高气温为31.1℃，降雨充沛且平均，总降雨量为91.7 mm，平均相对湿度79.87%，平均风速2.0 m/s。

图2 8月室外气候参数

夏季8月对照屋面的日均温度为28.34℃，平均日振幅为10.07℃，图3显示了8月不同处理组合条件下屋面生态节能板的日均温度与日振幅：与对照组相比，屋面生态节能板屋面内表面日均温度降低了0.88～2.67℃，不同处理组合日均温度随着播种密度增大而升高，说明播种密度减弱了隔热效果，而不同保水剂用量条件下，日均温度未表现出明显差异；相比对照组屋面，屋面生态节能板的日振幅明显降低，减小了54.22%～61.37%，较大减缓了屋面温差，有助于延长屋面的使用寿命，不同屋面温度日振幅随播种密度增大，对屋面温差衰减作用逐渐减弱，保水剂用量对日振幅的影响呈现出先增强后减弱的趋势，说明在一定范围内保水剂用量增大能增强屋面生态节能板的隔热效果，超过一定范围后，隔热作用减弱。

图3 不同处理组合8月日均温度和日温度振幅比较

1月的气象参数如图4所示，室外大气平均温度为7.79℃，月最大温差为5.37℃，最高气温为10.5℃，降雨极少，总降雨量3.6 mm，平均相对湿度81.05%，平均风速1.6 m/s。

图4 1月室外气候参数

冬季1月对照屋面的日均温度为9.82℃，平均日振幅为5.58℃，随着太阳辐射的减少，冬季气温逐渐下降，但与夏季相比，试验区冬季气候更为缓和，对照组屋面和屋面生态节能板的日均温度变化幅度和日振幅都较夏季更为缓和，图5显示了1月不同处理组合条件下屋面生态节能板的日均温与日振幅：与对照组相比，屋面生态节能板屋面内表面日均温度升高了0.10～1.02℃，表现出保温作用，播种密度对屋面日均温度未表现出明显的影响，不同保水剂用量在各密度下均随保水剂用量增加呈现先增加后减小的变化规律；在日振幅上，相比对照组减小了52.87%～56.81%，各处理组合间差异不明显，在不同保水剂用量处理组合下也呈现出先减小后增加的趋势。由于物候影响，屋面生态节能板植物紫穗槐和黄荆都为落叶灌木，冬季落叶后，屋面生态节能板的保温效果主要为基质层的作用，因此不同播种密度处理组合之间没有明显差异，而保水剂在基质层中在一定范围内减缓了温度的变化，但超过一定范围后则表现出抑制作用。

图5 不同处理组合1月日均温度和日温度振幅比较

2.4 温度日变化特征

屋面生态节能板温度变化受湿热传递的共同作用，晴天与雨天的作用机理不同[11]，因此夏季选择雨后连续晴天的8月19日，冬季选择晴天无风的1月24日作为典型代表日，对不同处理组合条件下的日温度变化进行分析。

根据实测资料，夏季典型日不同处理组合条件下温度随时间的变化规律见图6。

图6 不同处理组合下绿化屋面内表面夏季日温度变化

由图6可以看出，不同处理组合条件下屋面生态节能板内表面升温和降温过程基本一致，温度在06∶00左右达到最低，最高温度在14∶00～16∶00。屋面生态节能板温度在各播种密度下，W3处理组合受太阳辐射影响较大，日振幅最大，其中W2处理组合温度变化幅度最小，但各保水剂用量处理组合最高温度和最低温度出现的时刻相差不大，最高温度W3＞W2＞W1，最低温度基本相同。不同播种密度处理组合下，D3日振幅最大，D1受太阳辐射影响较小，温度变幅最小，日振幅随播种密度的增加而增大，不同播种密度处理组合下日振幅较不同保水剂用量处理组合的差异更明显，说明播种密度对屋面生态节能板温度的日振幅影响更大。

根据实测资料，冬季典型日不同处理组合屋面生态节能板内表面温度随时间的变化规律见图7。

图7 不同处理组合下绿化屋面内表面冬季日温度变化

由图7可以看出，不同处理组合之间日温度的变化规律基本相同，10∶00～17∶00 为升温时段，0∶00～9∶00、18∶00～0∶00 为降温时段，在17∶00左右达到最高温。不同保水剂用量处理组合下，日温差差异不大，W3处理组合稍高于其他组合，但差异很小，说明在冬季保水剂用量对屋面生态节能板影响较小。不同播种密度条件下，日温度变化几乎相同，播种密度在冬季对屋面生态节能板内温度影响也较小。与对照组相比，日均温度升高0.85～0.92℃，日振幅减小50.52%～52.85%，主要是由于基质层起到的保温作用使屋面温度升高。

3 机理分析

播种密度是影响植物生长和生理特性的重要影响因素，播种密度的增大会加剧植物种间和种内对资源的竞争，过密的势态会造成光照的不足，以及对水分、养分的争夺，导致单株植物生长受到抑制。播种密度与叶面积指数呈负相关性，可能与叶面积指数的测试时间及植物生长的物候变化有关，不同时期叶面积呈现出周期性变化规律，以及所选植物的生长特性有关，本试验测试的是紫穗槐与黄荆混合群落夏季盛期时的叶面积指数，所以播种密度对其影响结果有所不同。

杨永辉等[12]研究表明，在相同土壤水吸力下，随着保水剂用量的增加，土壤含水量相应增加；在相同含水率时，土壤水吸力随着保水剂用量的增加而增大。本试验中随着保水剂用量的增加，屋面生态节能板的叶面积指数呈先增大后减小的趋势，可能是由于保水剂使得基质含水量增大，促进植物对水分的吸收，但超出一定范围后，过高的基质含水量使得根系对水分吸收出现抑制作用，这与杨杰等[13]的研究结果类似。

屋面生态节能板对屋面的隔热作用显著，主要是由于绿化屋面的植被层、基质土壤层和屋面板结构层3个部分共同作用产生的结果：利用冠层对太阳辐射的遮挡、植被的蒸腾、光合作用的潜热换热；湿润状态下基质的蒸发耗散，干燥时较小的导热系数；结构层围护材料增大热阻，以达到较好的隔热效果。白雪莲等[14]在此基础上，建立了屋面板-土壤-植被-大气系统的完整的传热传湿综合模型，定性揭示了绿化屋面的原理。由于屋面生态节能板的节能效果主要受湿热传递的影响，基质层的厚度、含湿量和叶面积指数是决定绿化屋面热工性能的关键性因素，因此本试验选取了会对叶面积指数和土壤湿度影响较大的生态措施，播种密度和保水剂用量进行二因素交叉分组试验设计。播种密度对叶面积指数产生显著影响，进而对夏季屋面生态节能板的隔热降温作用显著，而冬季由于植物的枯落，播种密度对保温作用较小。保水剂具有调节土壤水、热、气状况，减缓低温波动，在一定程度上使土壤结构和水热状况得到改善。一方面，保水剂作用于植物生长，不同用量对叶面积指数产生影响，影响夏季的隔热降温效果；另一方面，保水剂提高了基质含水量，并具有一定的蒸发抑制作用，对基质层的热过程有较大影响。绿化屋面是一种活的建筑构件，受到太阳辐射、室外气温、降水量、空气相对湿度、风速、基质含湿量等因素的影响，保温隔热效果与环境条件有显著关系，因此，在节能效果上还应考虑环境背景的差异。本试验仅研究了播种密度和保水剂用量2个限制因素，对优化屋面生态节能板的生态效应和节能效应有一定积极意义，还可对其他结构条件进行进一步探讨。

4 结语

（1）不同处理组合屋面生态节能板在4～10月都表现出降温作用，在夏季6～8月最为明显，与对照组相比屋面生态节能板内表面日均温度降低0.96～2.57℃。11月至隔年3月表现出保温作用，在冬季12月～隔年2月最明显，与对照组相比屋面生态节能板日均温度升高1.05～1.72℃。说明屋面生态节能板在夏、冬两季均表现出较好的节能效果，且夏季随气温的升高，隔热效果增强，冬季随气温的降低，保温效果增强。

（2）不同处理组合屋面生态节能板在夏季典型月随播种密度的增大，隔热效应减弱，随着保水剂用量的增加，隔热效应表现出先增大后减弱的趋势，明显降低了屋面的日均温度和日振幅；在冬季典型月播种密度对保温效应的影响较小，保水剂在一定用量范围内促进了保温效应，超过一定范围后表现出抑制作用。

（3）不同处理组合屋面生态节能板日温度变化规律基本一致，呈现出早晚低、中午高的形式。在夏季D1W2处理组合日均温度最低，日振幅最小，隔热效果最佳；在冬季D2W2处理组合日均温度最高，日振幅较小，保温效果最佳。