屋面生態(tài)節(jié)能板溫度效應(yīng)研究

陳怡，李紹才，孫海龍

（1.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

0 引言

屋面綠化由于其生態(tài)節(jié)能功能在許多國家得到了普及和推廣，是改善居住環(huán)境質(zhì)量的有效措施，目前綠化屋面的主要價(jià)值體現(xiàn)在降低建筑能耗、延長屋面壽命和減小暴雨產(chǎn)生的地面徑流3個(gè)方面[1]。綠化后的屋面由于植被層對太陽輻射的反射和遮擋作用，植物的蒸騰作用和光合作用[2]以及基質(zhì)的水分相變吸收的大量潛熱，屋面隔熱從被動(dòng)抵抗轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)吸收消化，大大增加了屋面的熱惰性，達(dá)到降溫節(jié)能的效果[3]。冬季低溫干燥，基質(zhì)層干土壤的導(dǎo)熱系數(shù)低，熱阻效果明顯，達(dá)到保溫節(jié)能的效果[4]。

屋面生態(tài)節(jié)能板是一種輕型屋面綠化技術(shù)，既具有較高的節(jié)能效果，又具有荷載輕、造價(jià)低、施工快捷、管理簡便等特點(diǎn)，建成后具有持續(xù)的生態(tài)節(jié)能效果。因此，本試驗(yàn)在屋面生態(tài)節(jié)能板的功能構(gòu)造上，通過模擬試驗(yàn)，比較分析屋面生態(tài)節(jié)能板不同播種密度和保水劑用量下屋面內(nèi)表面的溫度參數(shù)指標(biāo)，旨在分析屋面生態(tài)節(jié)能板的濕熱傳遞過程，及播種密度和保水劑用量對其生態(tài)效果和節(jié)能效果的影響，為優(yōu)化屋面生態(tài)節(jié)能板的功能構(gòu)造，增強(qiáng)節(jié)能效果，改善室內(nèi)熱環(huán)境的工程應(yīng)用提供依據(jù)，有利于我國屋面綠化技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年6月～2017年5月在四川省彭州市升平鎮(zhèn)山地生態(tài)工程技術(shù)研究中心進(jìn)行。升平鎮(zhèn)地處成都平原西北部，屬于亞熱帶溫和濕潤氣候，全年平均氣溫16.9℃，最熱月8月，月均溫達(dá)27.1℃，最冷月1月，月均溫4.7℃，年平均風(fēng)速1.3 m/s，東北風(fēng)向?yàn)橹?，年平均降雨?146.5 mm，主要集中在7、8月，年平均蒸發(fā)量1536.4 mm，年平均相對濕度79%，全年無霜期平均為276 d。

1.2 試驗(yàn)材料

屋面生態(tài)節(jié)能板單幅寬1 m、長3 m、厚5 cm，體積密度1.2 g/cm3，其構(gòu)造如圖1所示，從上到下分別為水分截留槽、水分入滲孔、水分下滲孔、種子萌發(fā)帶、輻照反射層、溫度調(diào)節(jié)層、種子堆、阻光層、基材層和水/根調(diào)節(jié)層。水分截留槽的主要功能是截留雨水，為生態(tài)節(jié)能板提供水分的供給；水分入滲孔和水分下滲孔則是保證水分充分進(jìn)入到種子萌發(fā)堆和基材層，增加透氣；輻照反射層和阻光層通過反射阻光達(dá)到減緩晝間輻射升溫、夜間輻射散熱、抑制水分蒸發(fā)等效果；溫度調(diào)節(jié)層的作用是緩沖調(diào)節(jié)熱傳導(dǎo)過程、緩沖降雨侵蝕、輔助阻光等；種子萌發(fā)堆由混合種子和表面覆土組成，是保障種子萌發(fā)和幼苗生長的物質(zhì)基礎(chǔ)；基材層是用草炭、紫色土、肥料、消毒劑按一定比例壓制成人工土壤顆粒，并配合一定量的保水劑混合而成，可保障屋面生態(tài)節(jié)能板在裸露屋面上快速建立起穩(wěn)定的植物系統(tǒng)；水/根調(diào)節(jié)層具有防止水分下滲，阻止植物根系穿刺的功能，保障了建筑屋面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。該屋面生態(tài)節(jié)能板是一種輕質(zhì)屋面綠化系統(tǒng)，通過將植被種子與生長基質(zhì)結(jié)合起來，形成易于鋪設(shè)的板狀產(chǎn)品，具有低荷載、施工速度快、不受場地條件限制、易管養(yǎng)等特點(diǎn)。

圖1 屋面生態(tài)節(jié)能板的構(gòu)造

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要研究播種密度和保水劑用量對屋面生態(tài)節(jié)能板植物生長和節(jié)能效果的影響，每個(gè)變量因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平，為全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)（見表1），將DxWy作為各處理組合的通用代碼（Dx代表播種密度的某個(gè)組合，分別為 D1、D2、D3；Wy代表保水劑的某個(gè)用量組合分別為W1、W2、W3），將無屋面生態(tài)節(jié)能板的裸屋面作為對照組，共10個(gè)處理組合。屋面生態(tài)節(jié)能 板 按 對 照 組 、D1W1、D1W2、D1W3、D2W1、D2W2、D2W3、D3W1、D3W2、D3W3依次相鄰鋪設(shè)在10間連排的混凝土屋面模型上，每間房屋面積同單幅屋面生態(tài)節(jié)能板，屋面最高處1.2 m，坡度為15°，坡向朝南，周圍無建筑遮擋，采光通風(fēng)良好。根據(jù)屋面立地條件和環(huán)境氣候，選取了具有耐旱、耐貧瘠、抗病蟲害特性的紫穗槐和黃荊2種落葉灌木作為屋面生態(tài)節(jié)能板的建植物種，根據(jù)設(shè)計(jì)密度計(jì)算[5]出播種量見表2。試件于2015年4月鋪設(shè)完成后，進(jìn)行一次性均勻飽和澆水，通過水分蒸發(fā)模型修正計(jì)算試驗(yàn)條件水分補(bǔ)給及補(bǔ)給量進(jìn)行后續(xù)澆水，本試驗(yàn)不進(jìn)行養(yǎng)分人為補(bǔ)給，試驗(yàn)測試開始時(shí)植物生長情況已趨于穩(wěn)定，2016年8月，采用比葉重法[6]對葉面積指數(shù)進(jìn)行測試。有無綠化的屋面內(nèi)表面溫度是評價(jià)屋面保溫隔熱效果的重要指標(biāo)[7]，因此，對10個(gè)不同處理組合的屋面內(nèi)表面溫度和室外大氣溫度進(jìn)行測試。

表1 試驗(yàn)變量因素設(shè)計(jì)

表2 屋面生態(tài)節(jié)能板植物指標(biāo)及播種量

1.4 測試數(shù)據(jù)采集

屋面內(nèi)表面測點(diǎn)布置在房間屋面表面中間位置，采用STHA-MOO2溫度傳感器，感應(yīng)范圍-40～+100℃，精度0.2℃，設(shè)計(jì)步長10 min，每月采集1次數(shù)據(jù)。H21-001型自動(dòng)氣象站放置于混凝土屋面模型東側(cè)的草坪中，用于采集大氣溫度、氣壓、風(fēng)速、相對濕度、降雨量等氣象參數(shù)，數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間為1h，每月采集1次數(shù)據(jù)。應(yīng)用Microsoft Excel 2010、IBM SPSS Statistics22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理、分析及繪圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 葉面積指數(shù)分析

屋面生態(tài)節(jié)能板的熱作用過程主要包括植物層的反射作用、蒸騰作用、光合作用、對流換熱作用和基材層的長波輻射作用、蓄熱傳熱作用等，其中植物冠層減弱了太陽輻射對屋面的熱作用，是屋面生態(tài)節(jié)能板具有隔熱性能的主要原因[8]。葉面積指數(shù)是研究植物冠層表面物質(zhì)和能量交換的重要參數(shù)[9]，是決定屋面生態(tài)節(jié)能板熱工性能的關(guān)鍵因素之一。因此，對葉面積指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究播種密度和保水劑用量對葉面積指數(shù)的影響，通過對植物參數(shù)指標(biāo)的控制達(dá)到優(yōu)化節(jié)能的效果。不同處理組合對葉面積指數(shù)的影響見表3。

表3 不同處理組合時(shí)的葉面積指數(shù)

由表3可以看出，在保水劑用量一定的條件下，不同播種密度屋面生態(tài)節(jié)能板的葉面積指數(shù)均為D1Wy＞D2Wy＞D3Wy，播種密度對葉面積指數(shù)的影響表現(xiàn)為抑制作用；以在W2條件下的3種處理組合為例，當(dāng)保水劑用量為W2水平時(shí)，葉面積指數(shù)達(dá)到最大2.47，W1和W3水平下葉面積指數(shù)比W2水平分別低6.67%和13.3%，說明由于保水劑的強(qiáng)吸水性，基質(zhì)含水量增大，促進(jìn)了植物植株和葉片的生長，葉面積指數(shù)呈增加趨勢。

2.2 溫度年變化特征

根據(jù)溫度傳感器測得的屋面內(nèi)表面溫度變化，從2016年6月起，每3個(gè)月為1組，劃分為夏、秋、冬、春4個(gè)季度[10]，對照和各處理組合屋面內(nèi)表面月均溫度及溫度變化幅度見表4。

表4 不同處理組合的月均溫度及溫度變化幅度

由表4可見，對照和不同處理組合屋面生態(tài)節(jié)能板屋面內(nèi)表面溫度年變化特征與大氣溫度年變化特征基本一致，最高溫出現(xiàn)在8月，最低溫出現(xiàn)在1月。對照和不同處理組合屋面生態(tài)節(jié)能板屋面內(nèi)表面溫度均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異：在夏季屋面生態(tài)節(jié)能板溫度均低于對照組溫度，起到隔熱降溫的效果，且隨著屋面生態(tài)節(jié)能板播種密度的增大而減小，不同保水劑用量之間的隔熱降溫幅度隨保水劑用量增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；在秋季9～11月隨著氣溫的降低，屋面生態(tài)節(jié)能板的隔熱效應(yīng)逐漸減弱，到11月出現(xiàn)屋面生態(tài)節(jié)能板溫度高于對照組，表現(xiàn)出一定的保溫效應(yīng)，不同處理組合條件下屋面溫度未表現(xiàn)出明顯規(guī)律；在冬季屋面生態(tài)節(jié)能板溫度均高于對照組，起到保熱升溫的效果，增溫效應(yīng)隨著播種密度的增大而減小，但沒有明顯差異，保水劑用量對升溫效應(yīng)有抑制作用，但也沒有明顯規(guī)律；在春季隨著氣溫的回升，到4月份時(shí)屋面生態(tài)節(jié)能板溫度低于對照組，又表現(xiàn)出一定的隔熱效應(yīng)，且隨著播種密度的增大，隔熱效應(yīng)增加，在不同保水劑用量之間，沒有表現(xiàn)出一致的規(guī)律。由于屋面生態(tài)節(jié)能板所選植物均為落葉灌木，春、夏季節(jié)隨葉面積指數(shù)的增大，不同處理組合間的隔熱降溫效果差異顯著，而秋、冬季節(jié)植物落葉后，不同處理組合間差異減弱，保熱升溫效果差異不明顯。

2.3 溫度月變化特征

屋面生態(tài)節(jié)能板的節(jié)能效應(yīng)主要表現(xiàn)在夏季高溫天氣的隔熱降溫作用和冬季低溫天氣的保熱升溫作用，所以選取夏季最熱月8月和冬季最冷月1月作為典型代表月份進(jìn)行節(jié)能效應(yīng)的分析。8月的氣象參數(shù)如圖2所示，室外大氣平均溫度為28.33℃，月最大溫差為10.26℃，最高氣溫為31.1℃，降雨充沛且平均，總降雨量為91.7 mm，平均相對濕度79.87%，平均風(fēng)速2.0 m/s。

圖2 8月室外氣候參數(shù)

夏季8月對照屋面的日均溫度為28.34℃，平均日振幅為10.07℃，圖3顯示了8月不同處理組合條件下屋面生態(tài)節(jié)能板的日均溫度與日振幅：與對照組相比，屋面生態(tài)節(jié)能板屋面內(nèi)表面日均溫度降低了0.88～2.67℃，不同處理組合日均溫度隨著播種密度增大而升高，說明播種密度減弱了隔熱效果，而不同保水劑用量條件下，日均溫度未表現(xiàn)出明顯差異；相比對照組屋面，屋面生態(tài)節(jié)能板的日振幅明顯降低，減小了54.22%～61.37%，較大減緩了屋面溫差，有助于延長屋面的使用壽命，不同屋面溫度日振幅隨播種密度增大，對屋面溫差衰減作用逐漸減弱，保水劑用量對日振幅的影響呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢，說明在一定范圍內(nèi)保水劑用量增大能增強(qiáng)屋面生態(tài)節(jié)能板的隔熱效果，超過一定范圍后，隔熱作用減弱。

圖3 不同處理組合8月日均溫度和日溫度振幅比較

1月的氣象參數(shù)如圖4所示，室外大氣平均溫度為7.79℃，月最大溫差為5.37℃，最高氣溫為10.5℃，降雨極少，總降雨量3.6 mm，平均相對濕度81.05%，平均風(fēng)速1.6 m/s。

圖4 1月室外氣候參數(shù)

冬季1月對照屋面的日均溫度為9.82℃，平均日振幅為5.58℃，隨著太陽輻射的減少，冬季氣溫逐漸下降，但與夏季相比，試驗(yàn)區(qū)冬季氣候更為緩和，對照組屋面和屋面生態(tài)節(jié)能板的日均溫度變化幅度和日振幅都較夏季更為緩和，圖5顯示了1月不同處理組合條件下屋面生態(tài)節(jié)能板的日均溫與日振幅：與對照組相比，屋面生態(tài)節(jié)能板屋面內(nèi)表面日均溫度升高了0.10～1.02℃，表現(xiàn)出保溫作用，播種密度對屋面日均溫度未表現(xiàn)出明顯的影響，不同保水劑用量在各密度下均隨保水劑用量增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律；在日振幅上，相比對照組減小了52.87%～56.81%，各處理組合間差異不明顯，在不同保水劑用量處理組合下也呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢。由于物候影響，屋面生態(tài)節(jié)能板植物紫穗槐和黃荊都為落葉灌木，冬季落葉后，屋面生態(tài)節(jié)能板的保溫效果主要為基質(zhì)層的作用，因此不同播種密度處理組合之間沒有明顯差異，而保水劑在基質(zhì)層中在一定范圍內(nèi)減緩了溫度的變化，但超過一定范圍后則表現(xiàn)出抑制作用。

圖5 不同處理組合1月日均溫度和日溫度振幅比較

2.4 溫度日變化特征

屋面生態(tài)節(jié)能板溫度變化受濕熱傳遞的共同作用，晴天與雨天的作用機(jī)理不同[11]，因此夏季選擇雨后連續(xù)晴天的8月19日，冬季選擇晴天無風(fēng)的1月24日作為典型代表日，對不同處理組合條件下的日溫度變化進(jìn)行分析。

根據(jù)實(shí)測資料，夏季典型日不同處理組合條件下溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖6。

圖6 不同處理組合下綠化屋面內(nèi)表面夏季日溫度變化

由圖6可以看出，不同處理組合條件下屋面生態(tài)節(jié)能板內(nèi)表面升溫和降溫過程基本一致，溫度在06∶00左右達(dá)到最低，最高溫度在14∶00～16∶00。屋面生態(tài)節(jié)能板溫度在各播種密度下，W3處理組合受太陽輻射影響較大，日振幅最大，其中W2處理組合溫度變化幅度最小，但各保水劑用量處理組合最高溫度和最低溫度出現(xiàn)的時(shí)刻相差不大，最高溫度W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1，最低溫度基本相同。不同播種密度處理組合下，D3日振幅最大，D1受太陽輻射影響較小，溫度變幅最小，日振幅隨播種密度的增加而增大，不同播種密度處理組合下日振幅較不同保水劑用量處理組合的差異更明顯，說明播種密度對屋面生態(tài)節(jié)能板溫度的日振幅影響更大。

根據(jù)實(shí)測資料，冬季典型日不同處理組合屋面生態(tài)節(jié)能板內(nèi)表面溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖7。

圖7 不同處理組合下綠化屋面內(nèi)表面冬季日溫度變化

由圖7可以看出，不同處理組合之間日溫度的變化規(guī)律基本相同，10∶00～17∶00 為升溫時(shí)段，0∶00～9∶00、18∶00～0∶00 為降溫時(shí)段，在17∶00左右達(dá)到最高溫。不同保水劑用量處理組合下，日溫差差異不大，W3處理組合稍高于其他組合，但差異很小，說明在冬季保水劑用量對屋面生態(tài)節(jié)能板影響較小。不同播種密度條件下，日溫度變化幾乎相同，播種密度在冬季對屋面生態(tài)節(jié)能板內(nèi)溫度影響也較小。與對照組相比，日均溫度升高0.85～0.92℃，日振幅減小50.52%～52.85%，主要是由于基質(zhì)層起到的保溫作用使屋面溫度升高。

3 機(jī)理分析

播種密度是影響植物生長和生理特性的重要影響因素，播種密度的增大會加劇植物種間和種內(nèi)對資源的競爭，過密的勢態(tài)會造成光照的不足，以及對水分、養(yǎng)分的爭奪，導(dǎo)致單株植物生長受到抑制。播種密度與葉面積指數(shù)呈負(fù)相關(guān)性，可能與葉面積指數(shù)的測試時(shí)間及植物生長的物候變化有關(guān)，不同時(shí)期葉面積呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律，以及所選植物的生長特性有關(guān)，本試驗(yàn)測試的是紫穗槐與黃荊混合群落夏季盛期時(shí)的葉面積指數(shù)，所以播種密度對其影響結(jié)果有所不同。

楊永輝等[12]研究表明，在相同土壤水吸力下，隨著保水劑用量的增加，土壤含水量相應(yīng)增加；在相同含水率時(shí)，土壤水吸力隨著保水劑用量的增加而增大。本試驗(yàn)中隨著保水劑用量的增加，屋面生態(tài)節(jié)能板的葉面積指數(shù)呈先增大后減小的趨勢，可能是由于保水劑使得基質(zhì)含水量增大，促進(jìn)植物對水分的吸收，但超出一定范圍后，過高的基質(zhì)含水量使得根系對水分吸收出現(xiàn)抑制作用，這與楊杰等[13]的研究結(jié)果類似。

屋面生態(tài)節(jié)能板對屋面的隔熱作用顯著，主要是由于綠化屋面的植被層、基質(zhì)土壤層和屋面板結(jié)構(gòu)層3個(gè)部分共同作用產(chǎn)生的結(jié)果：利用冠層對太陽輻射的遮擋、植被的蒸騰、光合作用的潛熱換熱；濕潤狀態(tài)下基質(zhì)的蒸發(fā)耗散，干燥時(shí)較小的導(dǎo)熱系數(shù)；結(jié)構(gòu)層圍護(hù)材料增大熱阻，以達(dá)到較好的隔熱效果。白雪蓮等[14]在此基礎(chǔ)上，建立了屋面板-土壤-植被-大氣系統(tǒng)的完整的傳熱傳濕綜合模型，定性揭示了綠化屋面的原理。由于屋面生態(tài)節(jié)能板的節(jié)能效果主要受濕熱傳遞的影響，基質(zhì)層的厚度、含濕量和葉面積指數(shù)是決定綠化屋面熱工性能的關(guān)鍵性因素，因此本試驗(yàn)選取了會對葉面積指數(shù)和土壤濕度影響較大的生態(tài)措施，播種密度和保水劑用量進(jìn)行二因素交叉分組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。播種密度對葉面積指數(shù)產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而對夏季屋面生態(tài)節(jié)能板的隔熱降溫作用顯著，而冬季由于植物的枯落，播種密度對保溫作用較小。保水劑具有調(diào)節(jié)土壤水、熱、氣狀況，減緩低溫波動(dòng)，在一定程度上使土壤結(jié)構(gòu)和水熱狀況得到改善。一方面，保水劑作用于植物生長，不同用量對葉面積指數(shù)產(chǎn)生影響，影響夏季的隔熱降溫效果；另一方面，保水劑提高了基質(zhì)含水量，并具有一定的蒸發(fā)抑制作用，對基質(zhì)層的熱過程有較大影響。綠化屋面是一種活的建筑構(gòu)件，受到太陽輻射、室外氣溫、降水量、空氣相對濕度、風(fēng)速、基質(zhì)含濕量等因素的影響，保溫隔熱效果與環(huán)境條件有顯著關(guān)系，因此，在節(jié)能效果上還應(yīng)考慮環(huán)境背景的差異。本試驗(yàn)僅研究了播種密度和保水劑用量2個(gè)限制因素，對優(yōu)化屋面生態(tài)節(jié)能板的生態(tài)效應(yīng)和節(jié)能效應(yīng)有一定積極意義，還可對其他結(jié)構(gòu)條件進(jìn)行進(jìn)一步探討。

4 結(jié)語

（1）不同處理組合屋面生態(tài)節(jié)能板在4～10月都表現(xiàn)出降溫作用，在夏季6～8月最為明顯，與對照組相比屋面生態(tài)節(jié)能板內(nèi)表面日均溫度降低0.96～2.57℃。11月至隔年3月表現(xiàn)出保溫作用，在冬季12月～隔年2月最明顯，與對照組相比屋面生態(tài)節(jié)能板日均溫度升高1.05～1.72℃。說明屋面生態(tài)節(jié)能板在夏、冬兩季均表現(xiàn)出較好的節(jié)能效果，且夏季隨氣溫的升高，隔熱效果增強(qiáng)，冬季隨氣溫的降低，保溫效果增強(qiáng)。

（2）不同處理組合屋面生態(tài)節(jié)能板在夏季典型月隨播種密度的增大，隔熱效應(yīng)減弱，隨著保水劑用量的增加，隔熱效應(yīng)表現(xiàn)出先增大后減弱的趨勢，明顯降低了屋面的日均溫度和日振幅；在冬季典型月播種密度對保溫效應(yīng)的影響較小，保水劑在一定用量范圍內(nèi)促進(jìn)了保溫效應(yīng)，超過一定范圍后表現(xiàn)出抑制作用。

（3）不同處理組合屋面生態(tài)節(jié)能板日溫度變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)出早晚低、中午高的形式。在夏季D1W2處理組合日均溫度最低，日振幅最小，隔熱效果最佳；在冬季D2W2處理組合日均溫度最高，日振幅較小，保溫效果最佳。