论文部分内容阅读
摘要：轻型种植屋面作为种植屋面的一种典型技术方法，短短几年内已成为城市绿化的主要趋势。本文针对西安地区气候条件，以轻型种植屋面为研究对象，通过测试分析了轻型种植屋面在夏季对屋面温度的影响。结果表明，轻型种植屋面在夏季相比于硬化表面，温度可降低5.58℃以上，对整体外界环境热效应起到冷却效果，有实际的节能意义。
关键词：轻型种植屋面 屋顶绿化 屋面温度 节能
1.绪论
种植屋面又称屋顶绿化，就是在以满足建筑屋顶的设计要求为前提，对各类建筑物、构筑物等的顶部，进行覆土种植的绿化綠化方式，包括建筑物的屋顶、露台、阳台、建筑物的空中平台和厂房的屋顶等。它是绿化方式由传统的地面空间上升到立体空间的综合性技术，是在有限的城市空间中提高绿化率的最有效的方式之一，具有隔热、生态、景观综合效益三方面的优势。
轻型种植屋面作为种植屋面的一个典型技术方法，短短几年内已成为城市绿化的主要趋势，对促进政府解决城市屋顶荒漠化问题发挥了很重要的功效。目前中国市场上广泛应用的佛甲草轻型种植屋面的做法如下：
选择景天科佛甲草类植物，在地面生产好一定规格的块状产品备用；施工前先对屋面进行防水处理；再在处理好的屋面上做好图案设计，铺好走路通道，设置好阻拦植物扩展的栏边；在栏边内铺置2㎝～3㎝的营养基质，铺上生产好的佛甲草屋顶绿化苗块，浇一次透水即可。简单方便，随铺随活，只需以后稍加管理。佛甲草苗块的培育方法为：在无纺布上铺置2㎝左右的基质然后栽种佛甲草，再将整张无纺布放置在另一基质上，把水浇透，一周左右后即可生根成块。搬运时可直接整块移动无纺布。
轻型种植屋面技术有施工快捷，增加荷载小，安全隐患小，管理成本低，技术成熟等优势，建设成本为100元/㎡左右，研究时间已达10年以上，目前该技术使用面积占各城市屋面绿化总面积的比例约为深圳市55%，北京市45%，上海市35%。[1][2]
2.试验概况与测试结果
2.1西安夏季气候特征
本文针对西安地区夏季气候特征，通过测试研究了轻型种植屋面在夏季对屋面温度的影响。
西安地区夏季为7-8月，以典型气象年夏季特征为例，西安地区夏季最高温度达37.9℃，最热月平均温度达26.7℃。降水量集中在夏季，月平均含湿量最高达16.77 g/㎏干空气，夏季平均相对湿度达67.2%-72.9%，为一年中气候最湿润的季节。西安地区夏季风速为一年中最低的，平均风速为1.9 m/s。昼夜温差大，早晚凉爽，中午炎热，日较差18.8℃以上。夏季太阳辐射照度值达到最高，日平均辐射照度达18.67 MJ/㎡。
2.2实验内容和方法
实验选取了2012年夏季7月19日～25日6天时间，以西安市某4层建筑平屋顶上佛甲草轻型种植屋面为研究对象，主要使用的仪器为热电偶温度巡检记录仪、风速仪、温湿度计。分别测定了室外空气温度，无种植屋面外表面温度，种植屋面土壤下表面温度， 种植屋面土壤上表面温度，种植屋面草尖温度，风速。
太阳辐射强度数据采集、风速与温度记录时间间隔为每半小时有一个记录。测点布置示意图如下，室外空气温度测点布置在屋顶上方1m高的空气中。
图1 测点布置示意图
西安在全国热工设计气候分区属寒冷地区，年平均气温13.5℃，最热月平均气温26.5℃，最冷月平均气温为-0.1℃。选择市区某种植屋面的植物为景天科佛甲草，采用满铺种植方式，已生长一年，长势良好。种植基质为人工配制土，厚度为5㎝，试验期间未进行过人工浇水。无种植屋面为普通混凝土防水屋面。
2.3屋面表面温度测试结果
由于测试期间出现多云天气，测试结果选取具有代表性的晴天7月20日00：00时～7月22日24：00时共计72小时的实测数据进行分析。图2为种植屋面土壤下表面温度，无种植屋面外温度和室外空气温度在试验3天中随时间变化的实测值。
图2 屋面表面温度与室外空气温度实测值
如图2所示，种植屋面土壤下表面温度与无种植屋面外表面温度随室外空气温度的变化趋势一致，在白天有太阳辐射的时间段，二者的绝对温度差异较大。
白天无种植屋面外表面温度上升速度快，温度增量高，整体温度高于室外空气温度。而白天的种植屋面温度上升速度缓慢，温度增量低，整体温度低于室外空气温度。
当太阳辐射强度大，室外空气温度高时，两者的差异较大。晚上无种植屋面与种植屋面的温度随室外空气温度同样逐渐下降，但差异不大。
表1给列出了种植屋面与无种植屋面正午温度差异，从表1中可以看出，测试日内正午时间时二者温度最大差值达到15.54℃。
表1 屋面与无种植屋面正午温度差异（℃）
2012年 时间 种植屋面土壤下表面温度 无种植屋面外表面温度 差值
7月20日 12：00 29.14 37.21 8.07
13：00 28.95 37.01 8.06
14：00 29.23 39.26 10.03
15：00 31.52 45.44 13.92
7月21日 12：00 27.85 41.19 13.34
13：00 29.39 44.93 15.54
14：00 30.42 45.96 15.54
15：00 30.76 45.73 14.97
7月22日 12：00 27.84 40.53 12.69
13：00 29.47 41.63 12.16
14：00 30.09 42.81 12.72
15：00 30.55 43.72 13.17 7月20日～7月22日，3日的种植屋面土壤下表面和普通无种植屋面外表面温度的几项比较值列于表2。
表2 种植屋面土壤下表面和无种植屋面外表面温度比较
时间 项目名称 最高温度/℃（出现时间） 最低温度/℃（出现时间） 日平均温度/℃ 温度波幅/℃
7月20日 种植屋面 31.52（15：00） 25.62（7：30） 27.9 2.95
无种植屋面 45.44（15：00） 24.89（6：30） 33.33 10.28
室外空气温度 44.78（14：30） 24.16（3：30） 31.95 10.31
7月21日 种植屋面 30.96（16：00） 23.94（8：00） 27.57 3.51
无种植屋面 46.77（13：30） 24.93（6：30） 33.55 10.92
室外空气温度 45.30（16：00） 26.15（23：30） 31.66 9.58
7月22日 种植屋面 30.72（15：30） 24.01（8：00） 27.13 3.36
无种植屋面 43.72（15：00） 25.93（06：30） 32.45 8.9
室外空气温度 40.73（14：30） 23.48（5：30） 29.61 8.63
由表1分析可见，种植屋面土壤下表面温度日平均值比普通无种植屋面外表面温度日平均值低5.43℃、5.98℃、5.32℃。种植屋面外表面温度较稳定，变化幅度较小，测试期间始终在27.53±4℃范围内波动。而普通无种植屋面外表面温度则极其敏感地随室外温度而变化，日较差在这3日分别为20.55℃、21.84℃、17.79℃。种植屋面土壤下表面温度与普通无种植屋面外表面每日的最高温度与最低温度出现时间均有一定延迟。
2.4 种植屋面结构层温度变化状况
白天在太阳辐射下，种植屋面结构层自下而上的温度如下图所示。
图3 种植屋面温度变化
白天在太陽辐射下，种植屋面结构层自上而下温度逐渐降低，草尖温度最高，土壤上表面温度次之，土壤下表面温度最低。晚上，种植屋面结构层温度变化差异不大。
3.测试结果分析
西安地区的建筑在夏季多采用空调制冷，室外温度高于室内温度，白天，热量主要由室外传向室内。屋顶上接受太阳照射的辐射热，约有20%～30%的热量被反射，剩余被屋顶接受的辐射热，一部分经屋顶内部以导热方式传向室内，另一部分则由屋顶表面向大气层辐射，并通过对流换热的方式将热量传递给周围空气。屋顶的结构传热主要以导热方式为主，在屋顶刚性结构相同的情况下，刚性屋面的上表面温度对室内的屋面温度有很大影响，进而对室内温度产生影响。
种植屋面与无种植屋面昼夜向空气散发的热量可用下式分析：
（1）[3]
式中 —单位面积屋面昼夜向空气散发的热量（J/㎡）
—屋面向空气散热强度（J/㎡）
—对流换热系数（J/㎡·℃）
—屋面温度（℃）
—空气温度（℃）
对流换热系数 其值一般由雷诺数（Re）和普朗特数（Pr）确定，根据实验的经验公式，种植屋面的对流换热系数取 [4]
无种植屋面的对流换热叙述取夏季外表面受迫对流情况下 [5]
其中v为风速，取测试期间测得的风速平均值
以7月20日测试数据为代表，公式（1）可简写为
代入实际数据得单位种植屋面散热量约为Q=-3377455.2 J/㎡，整体表现为失热，无种植屋面散热量约为Q=1483178.4 J/㎡，整体表现为得热。
由此可见，种植屋面的整体热效应是冷却空气，与无种植屋面相比，种植屋面在植物冠层通过光合作用、呼吸作用及蒸腾作用消耗掉大量吸收的热量，降低了屋顶的表面温度。因此，屋面采用种植形式增强了屋面的隔热性能，使屋面的温度变化减缓，避免了屋面在周期热作用下温度剧烈振动，保护了结构层和防水层不致于因较大的温度应力作用而开始损坏。由于种植屋面使刚性屋顶表面温度大幅下降，以导热方式传向室内的热量进一步减少，从而可以在降低室内温度，保持环境热平衡上有好的表现。
4.结论
（1）本文对西安气候条件下进行的轻型种植屋面绿化隔热进行实际测试并分析，证实种植屋面相较于无种植屋面，刚性结构外表面温度可降低5.58℃以上，增强了屋面的隔热性能，减缓屋面温度变化的幅度，降低了传向室内的热量，对周围环境起到冷却效果，具有实际的节能意义。
（2）白天在太阳辐射作用下，种植屋面结构层自上而下温度逐渐降低，草尖温度最高，土壤上表面温度次之，土壤下表面温度最低。晚上，种植屋面结构层温度无较大差异。
参考文献
[1]赵定国.屋顶绿化及轻型平屋顶绿化技术[J].中国建筑防水，2004，4：17-19
[2]赵定国，唐鸣放，章正民.屋顶绿化节能降耗的定量分析[J].中国园艺文摘，2009，（12）：27-30
[3]唐鸣放，白雪莲.城市屋面绿化生态热效应[J].城市环境与城市生态，2000，13（4）：9-10
[4]冯雅，陈启高.种植屋面热过程的研究[J].太阳能学报，1999，20（3）：311- 315
[5]刘加平.建筑物理[M].第三版、北京：中国建筑工业出版社，2000.5-6
关键词：轻型种植屋面 屋顶绿化 屋面温度 节能
1.绪论
种植屋面又称屋顶绿化，就是在以满足建筑屋顶的设计要求为前提，对各类建筑物、构筑物等的顶部，进行覆土种植的绿化綠化方式，包括建筑物的屋顶、露台、阳台、建筑物的空中平台和厂房的屋顶等。它是绿化方式由传统的地面空间上升到立体空间的综合性技术，是在有限的城市空间中提高绿化率的最有效的方式之一，具有隔热、生态、景观综合效益三方面的优势。
轻型种植屋面作为种植屋面的一个典型技术方法，短短几年内已成为城市绿化的主要趋势，对促进政府解决城市屋顶荒漠化问题发挥了很重要的功效。目前中国市场上广泛应用的佛甲草轻型种植屋面的做法如下：
选择景天科佛甲草类植物，在地面生产好一定规格的块状产品备用；施工前先对屋面进行防水处理；再在处理好的屋面上做好图案设计，铺好走路通道，设置好阻拦植物扩展的栏边；在栏边内铺置2㎝～3㎝的营养基质，铺上生产好的佛甲草屋顶绿化苗块，浇一次透水即可。简单方便，随铺随活，只需以后稍加管理。佛甲草苗块的培育方法为：在无纺布上铺置2㎝左右的基质然后栽种佛甲草，再将整张无纺布放置在另一基质上，把水浇透，一周左右后即可生根成块。搬运时可直接整块移动无纺布。
轻型种植屋面技术有施工快捷，增加荷载小，安全隐患小，管理成本低，技术成熟等优势，建设成本为100元/㎡左右，研究时间已达10年以上，目前该技术使用面积占各城市屋面绿化总面积的比例约为深圳市55%，北京市45%，上海市35%。[1][2]
2.试验概况与测试结果
2.1西安夏季气候特征
本文针对西安地区夏季气候特征，通过测试研究了轻型种植屋面在夏季对屋面温度的影响。
西安地区夏季为7-8月，以典型气象年夏季特征为例，西安地区夏季最高温度达37.9℃，最热月平均温度达26.7℃。降水量集中在夏季，月平均含湿量最高达16.77 g/㎏干空气，夏季平均相对湿度达67.2%-72.9%，为一年中气候最湿润的季节。西安地区夏季风速为一年中最低的，平均风速为1.9 m/s。昼夜温差大，早晚凉爽，中午炎热，日较差18.8℃以上。夏季太阳辐射照度值达到最高，日平均辐射照度达18.67 MJ/㎡。
2.2实验内容和方法
实验选取了2012年夏季7月19日～25日6天时间，以西安市某4层建筑平屋顶上佛甲草轻型种植屋面为研究对象，主要使用的仪器为热电偶温度巡检记录仪、风速仪、温湿度计。分别测定了室外空气温度，无种植屋面外表面温度，种植屋面土壤下表面温度， 种植屋面土壤上表面温度，种植屋面草尖温度，风速。
太阳辐射强度数据采集、风速与温度记录时间间隔为每半小时有一个记录。测点布置示意图如下，室外空气温度测点布置在屋顶上方1m高的空气中。
图1 测点布置示意图
西安在全国热工设计气候分区属寒冷地区，年平均气温13.5℃，最热月平均气温26.5℃，最冷月平均气温为-0.1℃。选择市区某种植屋面的植物为景天科佛甲草，采用满铺种植方式，已生长一年，长势良好。种植基质为人工配制土，厚度为5㎝，试验期间未进行过人工浇水。无种植屋面为普通混凝土防水屋面。
2.3屋面表面温度测试结果
由于测试期间出现多云天气，测试结果选取具有代表性的晴天7月20日00：00时～7月22日24：00时共计72小时的实测数据进行分析。图2为种植屋面土壤下表面温度，无种植屋面外温度和室外空气温度在试验3天中随时间变化的实测值。
图2 屋面表面温度与室外空气温度实测值
如图2所示，种植屋面土壤下表面温度与无种植屋面外表面温度随室外空气温度的变化趋势一致，在白天有太阳辐射的时间段，二者的绝对温度差异较大。
白天无种植屋面外表面温度上升速度快，温度增量高，整体温度高于室外空气温度。而白天的种植屋面温度上升速度缓慢，温度增量低，整体温度低于室外空气温度。
当太阳辐射强度大，室外空气温度高时，两者的差异较大。晚上无种植屋面与种植屋面的温度随室外空气温度同样逐渐下降，但差异不大。
表1给列出了种植屋面与无种植屋面正午温度差异，从表1中可以看出，测试日内正午时间时二者温度最大差值达到15.54℃。
表1 屋面与无种植屋面正午温度差异（℃）
2012年 时间 种植屋面土壤下表面温度 无种植屋面外表面温度 差值
7月20日 12：00 29.14 37.21 8.07
13：00 28.95 37.01 8.06
14：00 29.23 39.26 10.03
15：00 31.52 45.44 13.92
7月21日 12：00 27.85 41.19 13.34
13：00 29.39 44.93 15.54
14：00 30.42 45.96 15.54
15：00 30.76 45.73 14.97
7月22日 12：00 27.84 40.53 12.69
13：00 29.47 41.63 12.16
14：00 30.09 42.81 12.72
15：00 30.55 43.72 13.17 7月20日～7月22日，3日的种植屋面土壤下表面和普通无种植屋面外表面温度的几项比较值列于表2。
表2 种植屋面土壤下表面和无种植屋面外表面温度比较
时间 项目名称 最高温度/℃（出现时间） 最低温度/℃（出现时间） 日平均温度/℃ 温度波幅/℃
7月20日 种植屋面 31.52（15：00） 25.62（7：30） 27.9 2.95
无种植屋面 45.44（15：00） 24.89（6：30） 33.33 10.28
室外空气温度 44.78（14：30） 24.16（3：30） 31.95 10.31
7月21日 种植屋面 30.96（16：00） 23.94（8：00） 27.57 3.51
无种植屋面 46.77（13：30） 24.93（6：30） 33.55 10.92
室外空气温度 45.30（16：00） 26.15（23：30） 31.66 9.58
7月22日 种植屋面 30.72（15：30） 24.01（8：00） 27.13 3.36
无种植屋面 43.72（15：00） 25.93（06：30） 32.45 8.9
室外空气温度 40.73（14：30） 23.48（5：30） 29.61 8.63
由表1分析可见，种植屋面土壤下表面温度日平均值比普通无种植屋面外表面温度日平均值低5.43℃、5.98℃、5.32℃。种植屋面外表面温度较稳定，变化幅度较小，测试期间始终在27.53±4℃范围内波动。而普通无种植屋面外表面温度则极其敏感地随室外温度而变化，日较差在这3日分别为20.55℃、21.84℃、17.79℃。种植屋面土壤下表面温度与普通无种植屋面外表面每日的最高温度与最低温度出现时间均有一定延迟。
2.4 种植屋面结构层温度变化状况
白天在太阳辐射下，种植屋面结构层自下而上的温度如下图所示。
图3 种植屋面温度变化
白天在太陽辐射下，种植屋面结构层自上而下温度逐渐降低，草尖温度最高，土壤上表面温度次之，土壤下表面温度最低。晚上，种植屋面结构层温度变化差异不大。
3.测试结果分析
西安地区的建筑在夏季多采用空调制冷，室外温度高于室内温度，白天，热量主要由室外传向室内。屋顶上接受太阳照射的辐射热，约有20%～30%的热量被反射，剩余被屋顶接受的辐射热，一部分经屋顶内部以导热方式传向室内，另一部分则由屋顶表面向大气层辐射，并通过对流换热的方式将热量传递给周围空气。屋顶的结构传热主要以导热方式为主，在屋顶刚性结构相同的情况下，刚性屋面的上表面温度对室内的屋面温度有很大影响，进而对室内温度产生影响。
种植屋面与无种植屋面昼夜向空气散发的热量可用下式分析：
（1）[3]
式中 —单位面积屋面昼夜向空气散发的热量（J/㎡）
—屋面向空气散热强度（J/㎡）
—对流换热系数（J/㎡·℃）
—屋面温度（℃）
—空气温度（℃）
对流换热系数 其值一般由雷诺数（Re）和普朗特数（Pr）确定，根据实验的经验公式，种植屋面的对流换热系数取 [4]
无种植屋面的对流换热叙述取夏季外表面受迫对流情况下 [5]
其中v为风速，取测试期间测得的风速平均值
以7月20日测试数据为代表，公式（1）可简写为
代入实际数据得单位种植屋面散热量约为Q=-3377455.2 J/㎡，整体表现为失热，无种植屋面散热量约为Q=1483178.4 J/㎡，整体表现为得热。
由此可见，种植屋面的整体热效应是冷却空气，与无种植屋面相比，种植屋面在植物冠层通过光合作用、呼吸作用及蒸腾作用消耗掉大量吸收的热量，降低了屋顶的表面温度。因此，屋面采用种植形式增强了屋面的隔热性能，使屋面的温度变化减缓，避免了屋面在周期热作用下温度剧烈振动，保护了结构层和防水层不致于因较大的温度应力作用而开始损坏。由于种植屋面使刚性屋顶表面温度大幅下降，以导热方式传向室内的热量进一步减少，从而可以在降低室内温度，保持环境热平衡上有好的表现。
4.结论
（1）本文对西安气候条件下进行的轻型种植屋面绿化隔热进行实际测试并分析，证实种植屋面相较于无种植屋面，刚性结构外表面温度可降低5.58℃以上，增强了屋面的隔热性能，减缓屋面温度变化的幅度，降低了传向室内的热量，对周围环境起到冷却效果，具有实际的节能意义。
（2）白天在太阳辐射作用下，种植屋面结构层自上而下温度逐渐降低，草尖温度最高，土壤上表面温度次之，土壤下表面温度最低。晚上，种植屋面结构层温度无较大差异。
参考文献
[1]赵定国.屋顶绿化及轻型平屋顶绿化技术[J].中国建筑防水，2004，4：17-19
[2]赵定国，唐鸣放，章正民.屋顶绿化节能降耗的定量分析[J].中国园艺文摘，2009，（12）：27-30
[3]唐鸣放，白雪莲.城市屋面绿化生态热效应[J].城市环境与城市生态，2000，13（4）：9-10
[4]冯雅，陈启高.种植屋面热过程的研究[J].太阳能学报，1999，20（3）：311- 315
[5]刘加平.建筑物理[M].第三版、北京：中国建筑工业出版社，2000.5-6