绿色屋顶的城市降温与建筑节能效果研究

何亦轩（武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070）

伴随我国经济的不断发展，城市化进程越来越快，城市化向人们展现繁华的同时，也存在严重的污染，例如，噪声污染、空气污染等，并且人为热排放量也在逐渐增加，导致城市出现的热岛效应比较明显，城市生态环境正在不断恶化，基于此，我国越来越多的城市开始探索节能减排之路，绿色屋顶既能够达到节能减排的要求，又不占用城市稀缺的土地资源，可为城市可持续发展提供支持。绿色屋顶是由美国在20世纪90年代提出的，其主要目的为了缓解城市暴雨洪涝灾害，对于延迟径流峰值以及减少径流量发挥着至关重要的作用，并且对环境方面也能够产生较好的效应。相较于传统屋顶，其反射率更高，间接地使屋顶热阻增加，从而使静辐射热量大大减少[1]，在室内外发挥着有效的降温作用，切实能够对城市热岛效应予以有效缓解，同时能够对室内起到隔热作用，使建筑能耗降低，利于城市热环境的改善。因此，在城市推行绿色屋顶，具有多方面效益。

1 绿色屋顶概述

1.1 绿色屋顶的内涵

对于绿色屋顶的定义一直没有定论，常规定义中，人们会将绿色屋顶理解为构筑物顶面开设种植空间后所形成的一种创新结构，这种创新结构主要是由防水层、屋顶承载结构、种植基层、保温层、蓄水层、排水层以及给排水设施等构成[2]。该结构能够有效发挥隔离紫外线的功能，并且还能够使城市绿化实现立体化，提升城市生态绿化景观的层次感。当前绿色屋顶所起的作用不断增加，定义也越来越广泛，不仅仅发挥美化空间的作用，对于休憩纳凉、调节温度以及节约能源方面均发挥重要作用。

1.2 绿色屋顶的主要类别

通常来讲，绿色屋顶种植范围包含三个等级，即高层建筑顶部、构筑物中间层以及露天平台，无论绿色屋顶的种植范围及等级如何，其种植采用的方式一定是与地面脱离的，但并不是说屋顶上只要放置绿植便属于绿色屋顶，绿色屋顶在业界有其评估体系和标准。根据评估体系和标准大致可将绿色屋顶的类别划分为两大类别，即开放型绿色屋顶和密集型绿色屋顶两种[3]，两种类别的绿色屋顶各方面对比如表1所示。

表1 开放型与密集型绿色屋顶的对比

开放型绿色屋顶与密集型绿色屋顶各有优劣。前者的优势在于其承重比较轻，一般可达到80kg/m2～150kg/m2，并且维护费用也比较低，适用于大面积项目改造，改造费用也比较便宜，在0°～30°的坡屋顶适合应用，植物可以自由生长[4]。但开放型绿色屋顶同时也存在一定的劣势，主要表现在植物类别选择方面比较有限，无法满足休闲娱乐用途，并且在视觉方面并无吸引力，尤其是在旱季；后者的优势在于其能够通过屋顶达到各种使用效果，主要可应用于栽种食物、休闲休憩、开放空间等，且这种类型的绿色屋顶有良好的绝缘性，可有效发挥隔热御寒作用，可供观赏，具有较强的吸引力。密集型绿色屋顶也具有一定的劣势，如施工成本比较高，不适合改造工程，且负重也比较大，可达到300kg/m2～1000kg/m2，需要对其设置灌排系统。

根据两种类型的绿色屋顶对比，在建设绿色屋顶时可以依据其对比结果，并结合自身的实际情况，对绿色屋顶的类型进行合理化选择。

2 绿色屋顶的城市降温效果分析

2.1 绿色屋顶对城市产生的降温效果

绿色屋顶对于调节温度以及减轻城市热岛效应发挥着重要作用，但由于绿色屋顶各层结构的环境存在差异，导致各层降温效果也存在明显的差异，在开展实际测温工作时，一般会对绿色屋顶的测量点位进行确定，常见的测量点位主要包括基质底部、基质中间部位、基质表层、屋顶上方以及室内，在开展测温试验中，通常会选取常规屋顶的建筑物进行测温，并对上述测量点位相同的位置进行温度测量，然后将绿色屋顶各点位测温结果与常规屋顶各点位测温结果进行对比，通过数据对比了解绿色屋顶的城市降温效果。

笔者在国内某市开展了实地研究，研究主要是采用了手持测温仪（西安夏溪电子仪器制造有限公司生产）对该市两幢高度几乎相同的高层建筑进行定点测温，两人以微信作为沟通交流的工具，根据百度地图确定两幢楼之间的距离为900m，其中笔者测量的高层建筑屋顶为绿色屋顶，同事测量的高层建筑屋顶为常规钢混屋顶，测量点位的确定以绿色屋顶为准。本次实地测量结果通过微信语言交流，尽量保证了测量时间、测量点位、气候情况等方面高度一致，对测量点位共进行了三次测量，测量时间分别为早8：00、中午12：00以及晚上6：00，并对测量结果及时记录，通过测量得出的对比结果如表2所示。

表2 实地温度测量结果对比/℃

从表2可以观察到，各时点该市绿色屋顶建筑在各测量点位上的测量温度均比常规钢混屋顶对应点位的测量温度低，其中，从早8：00测量温度结果来看，各测量点位的温差在1.5℃～2.7℃之间；中午12：00测量温度结果来看，各测量点位的温差在2.8℃～6.1℃之间；晚上6：00测量温度结果来看，各测量点位的温差在2.0℃～2.4℃之间。说明该市中午时段，绿色屋顶的降温效果最佳，主要是因为中午气温高，绿色屋顶与常规钢混屋顶之间的温度差异比较明显，而早晚温度与中午温度相对低，使温差降低，但无论处于何时段，均可说明绿色屋顶的降温效果比较好。

2.2 影响绿色屋顶降温效果的因素

相关研究显示[5]，绿色屋顶降温效果的影响因素主要包括气候因素、季节因素以及植物类型选择因素。气候因素方面，对于一些干旱或者是半干旱气候区，其水分存在明显的不足，并且在太阳辐射的作用下，会导致植物蒸腾作用受到影响，导致绿色屋顶降温效果受到影响，而湿润气候以及寒冷气候，则屋顶降温效果会较好一些，见图1所示。

图1不同气候类型和季节条件下绿色屋顶降温效果对比

季节因素方面，如图1所示，秋季与其他三个季节相比，其降温效果比较差，主要是因为秋季的气候比较干燥，并且土壤含水量相对较低，尤其是一些植物在秋季时凋零，导致植物覆盖率低，从而造成荫蔽效应减弱；植物类型选择因素方面，非景天科植物与景天科植物相比，其降温效果更好，两者温差大概相差1.4℃，这可能是因为景天科植物有其特殊的酸代谢方式，当温度较高或者是太阳辐射比较强的情况下，会导致景天科植物气孔关闭，从而造成植物蒸腾作用降低，使其降温效果减弱。

基于绿色屋顶降温效果的影响因素，要求设计及施工人员在开展绿色屋顶设计施工时，必须关注各类影响因素，结合施工所在地的实际情况，对绿色屋顶进行合理设计和施工，从而提升绿色屋顶的降温效果。

3 绿色屋顶的建筑节能效果分析

3.1 绿色屋顶对建筑产生的节能效果

绿色屋顶对建筑耗能产生的节能效果主要体现在制冷节能和供暖节能两个方面。绿色屋顶所发挥的制冷节能效果要高于供暖节能效果，主要是因为绿色屋顶可通过绿色植物发挥荫蔽效应，并且植物的蒸腾作用也能够对建筑产生降温作用，其所产生的降温会对建筑制冷能耗进行节控，而对部分供暖能耗予以抵消。有研究表示，绿色屋顶所产生的制冷节能效果一般在-11.77%～90%范围内，平均节能效果达到26.8%；而供暖节能效果则通常在-19.9%～48%范围内，平均节能效果可达到8.09%，由此可见，制冷节能效果要高于供暖节能效果，这与本研究看法一致，可以说明绿色屋顶能够对建筑耗能产生一定的节能效果。

3.2 影响绿色屋顶建筑节能效果的因素

绿色屋顶建筑节能的效果受气候、植物覆盖、基质及保温层厚度等因素影响。

首先，从气候因素来讲，对于干旱、半干旱气候地区，由于在此类气候条件下，对城市的降温效果并不好，并且受城市的热岛效应所影响，所以在供暖节能方面要优于湿润、半湿润地区。据相关调查研究表明，绿色屋顶对干旱、半干旱地区建筑的供暖节能效果大概可达到19.2%，而对湿润、半湿润气候地区的供暖节能效果仅为13.6%，两种气候区之间的节能效果相差5.6%，对于寒冷气候地区，其供暖节能效果会更差，仅为9%，与干旱、半干旱地区建筑的供暖节能效果相差10.2%。而对于建筑的制冷节能，则恰好与之相反，干旱、半干旱地区建筑的制冷节能效果为20.5%左右，而湿润、半湿润地区建筑的制冷节能效果可达到33.9%左右，两者相差13.4%，说明绿色屋顶在各种气候类型下，均能够发挥建筑节能的效果。

其次，植物覆盖因素方面，景天科植物的抗旱性良好，而草本植物以及其他类型植物对水分的依赖度比较高，并且景天科植物具有良好的耐寒性，很容易在冬季存活，与非景天科植物对比而言，景天科植物在供暖节能和制冷节能方面所产生的效果均比较均衡，但受干旱、半干旱气候特点影响，其降温效果会比非景天科植物差，导致其制冷节能效果要低于非景天科植物。

最后，从基质及保温层厚度等因素来看，事实证明，绿色屋顶保温层越厚，则其建筑节能效果便会越差，并且厚度如果每增加1cm，则绿色屋顶的建筑制冷节能和供暖节能便均会降低1%左右。伴随隔热等级的持续增加，绿色屋顶所发挥的建筑节能效果不仅不会提升，反而会出现降低，产生这种现象的主要原因在于：当隔热性能处于良好的情况下，绿色屋顶所产生的蒸腾作用会被隔热层所阻隔，导致蒸腾作用所发挥的降温效果得以降低，这说明提升屋顶隔热等级无法实现绿色屋顶节能效果的提升。同时也能说明，对于一些老旧建筑，且保温效果不足的情况下，若通过对其进行绿色屋顶改造，也可发挥绿色屋顶的建筑节能效果。

对于基质厚度方面来讲，基质厚度增加的情况与屋顶保温层厚度增加相同，会对绿色屋顶植物的蒸腾作用产生阻隔，从而使降温效果得以减弱；同时，基质厚度一旦增加，会对土壤保水能力产生影响，两者是正相关的关系，一旦土壤的保水能力提升，将会导致蒸发量增加，从而使建筑温度受到影响，所以基质厚度也会对建筑节能效果产生一定的影响。

4 结语

综合上述内容，绿色屋顶对于城市降温以及建筑节能效果可产生比较明显的作用，对我国城市当前节能减排的目标可发挥巨大的推动作用，并且在开展绿色屋顶设计施工时，可以根据施工所在地的气候条件、建筑特点等因素合理选择绿色屋顶的类型，从而更好地实现其降温效果和建筑节能效果，通过对绿色屋顶作用的有效发挥，使城市节能减排的目标得以实现，进而减少城市污染，降低城市热岛效应，实现城市的可持续发展。