全 文 ：第 wv卷 第 {期
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林 业 科 学
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清华大学超低能耗示范楼绿化屋面的温度分布特征
殷丽峰 李树华
k中国农业大学观赏园艺与园林系 北京 tsss|wl
关键词 } 屋顶绿化 ~水泥屋面 ~温度分布
中图分类号 }≥zvt1u 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszls{ p stwv p sx
收稿日期 }ussy p ts p vs ∀
基金项目 }国家/十五0攻关重大专项课题kussw…„xty„tul ∀
Τεµ περατυρε Χηαραχτερ οφ Ροοφ Γρεενινγ ον Λοω Ενεργψ ∆εµο Βυιλδινγ οφ Τσινγηυα Υνιϖερσιτψ
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kΛανδσχαπε Αρχηιτεχτυρε ∆επαρτµεντo Χηινα Αγριχυλτυραλ Υνιϖερσιτψ Βειϕινγ tsss|wl
Αβστραχτ } •²²©ªµ¨ ±¨¬±ª¦¤±¬±¦µ¨¤¶¨ ¤µ¨¤¶²©ªµ¨ ±¨¤±§¬°³µ²√¨ ¦¨²¯²ª¬¦¤¯ ±¨√¬µ²±°¨ ±·¬±¦¬·¼q…¤¶¨§²±µ²²©ªµ¨ ±¨¬±ª¬± ²¯º
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Κεψ ωορδσ} µ²²©ªµ¨ ±¨¬±ª~¦¨ °¨ ±·µ²²©~·¨°³¨µ¤·∏µ¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²±
屋顶绿化是改善城市环境的有效途径之一 o绿化后的屋顶 o由于植物本身对太阳辐射的反射和遮挡作
用 o造成绿化屋面与水泥屋面的差异 o这种热力或动力差异 o首先通过垂直方向的湍流交换和辐射传递过程 o
把下垫面的特征量输送到上方气层 o从而改变近地层的温 !湿特征和风速分布 o通过背景风场和热力环流的
平流输送及其他间接作用 o改变该地区的气候要素场 o进而改善城市气候k骆高远 ousstl ∀研究表明 o屋顶绿
化对于改善城市环境有着积极的作用k≤«¨ ²±ª ετ αλqoussv ~’±°∏µ¤ ετ αλqousstl ∀通过屋顶绿化 o最大程度
可降低屋顶表面温度 tx ε !室温 u1s ∗ u1w ε k财团法人都市绿化技术开发机构 ousswl ∀同时 o屋顶绿化可以
抑制建筑物内部温度的上升 o增加湿度 o防止光照反射 !防风 o对小环境的改善有显著效果k∞¯ ¤¨± ot||{l ∀而
绿化场地周围的若干/小气候改善0的交叉作用使城市整体的气候条件得以改善 o针对日益严重的/城市热
岛0 o屋顶绿化是一条有效的解决途径k‘¬¤¦«²∏ousstl ∀
1 测试方法及仪器
t1t 测点分布 本试验在清华大学超低能耗示范楼进行 o屋顶绿化于 ussx年 w月 us日完成 o植物经一段时
间的恢复生长 o于 ussx年 z月 ) ussy年 v月测定不同屋面温度的分布 o分别在距植被屋面的不同高度布置
测点 o同时依据植物的高度不同 !不同季节的特点 o设定其边界的高度 ∀分别以 z !| !t !v月代表夏季 !秋季 !
冬季 !春季 o以植被屋面外部表面为起点 o试验测点分布情况如下 }在夏季 !秋季 }分别于景天类试验区在距离
植被屋面的 x ∗ ts ¦° ~宿根花卉试验区在距离植被屋面 x ∗ tx ¦° o小灌木试验区在距离植被屋面 x ∗ ux ¦°
布置测点 o覆土屋面 !水泥屋面的测点分布为 x ∗ ux ¦°∀冬季 !春季 }分别在植被屋面为距离屋面 p x ∗ ts
¦° o覆土屋面 !水泥屋面为距屋面 s ∗ ts ¦°安排测点 ∀以上测点距离间隔为 x ¦°o同时以距离屋面 t1x °处
测点代表环境温度 ∀本研究所指的表面温度是指距离屋面 x ∗ ux ¦°高度内的平均温度 ∀
t1u 测试仪器 试验仪器为锦州阳光科技发展有限公司k原锦州 vuu研究所l生产的 ו  p ≥t气象生态环
境监测系统 o共 w套 ∀每套监测系统包括记录仪 t台 o温湿度传感器 tx个 o风速传感器 x个 ∀温度测量范围
为 p ws ∗ tux ε o精度为 ? s1t ε o分辨率为 s1t ε ~环境湿度测量范围为 t h ∗ || h • ‹ o精度为 ? s1u h • ‹ o
分辨率为 s1x h • ‹ ~风速测量范围为 s ∗ ys °#¶pt o精度为 ? ks1x n s1svςl°#¶ptk ς为实际风速l o分辨率为
s1t °#¶pt o启动风速 [ s1x °#¶pt ∀
t1v 气象状况 试验分别选择在 ussx年 z ) ts月 !ussy年 t ) v月进行 o这一时期太阳辐射强度大 o天空散
射相对很小 o辐射效果显著 o为北京地区典型的季节特点 ∀同时 o为减少相邻区域的影响 o选择在晴朗无云 o
风速低于 s1w °#¶pt的天气进行测试 ∀
t1w 试验数据的统计方法 植被屋面的温度是用整个季节里各种植被类型的屋面不同高度测点温度的平
均值来表示 o即在统计对于不同类型绿化屋面表面温度的平均值代表植被屋面的平均温度 ∀水泥屋面 !覆土
屋面温度也是利用其不同测点温度的平均值来表示 ∀
2 结果与分析
植被屋面与覆土屋面 !水泥屋面的表面温度分布状况存在着本质的不同 o由于植物叶面对于太阳辐射的
反射和遮挡作用 o使得活动面提升到叶面高度附近 o从而改变了屋面附近的温度分布 o由于这种下垫面性质
的差异 o使植被屋面具有显著的降温效果 ∀
u1t 不同屋面表面温度的日变化 在不同季节温度的测试中 o分别选取了所测定的一个月中具有代表性的
晴天日的温度分布特点来说明不同屋面的表面温度的日变化特点 ∀
图 t 不同屋面表面温度日变化
ƒ¬ªqt ׫¨ §¬∏µ±¤¯ ¦«¤±ª¨¶²©·«¨ §¬©©¨µ¨±·µ²²©·²³·¨°³¨µ¤·∏µ¨
ussx年 z月 t|日 o|月 tz日 u个晴天不同屋面的表面温度的变化 o用以代表夏季 !秋季的绿化屋面的温
度分布特点 ∀一天中随着太阳辐射的变化 o气温成规律性变化 o水泥屋面 !覆土屋面以及植被屋面的温度也
随气温的变化而变化 ∀从图 t可以看出 o从 s }ss ) { }ss o三者温度处于一个平缓阶段 o植被屋面的降温效果
并不明显 o差值在 t ε 左右 ∀此后 o植被屋面即开始表现其良好的降温的效果 o由于水泥屋面的热容量最小 o
因此升温最快 o到达 tu }ss时 o出现三者温差的最大值 o差值为 w ε o此后到 ty }ss绿化屋顶温度变化不大 o
水泥屋面的变化剧烈 o升温迅速 ∀覆土屋面的效果正好处于二者之间 o并且在 ty }ss左右 o二者之间有温差
最大值 ∀此后的时间里随着气温的降低 o二者的温差减小 ∀
综上所述 o夏季 o绿化屋顶形成的温度的日变化 o跟太阳辐射有着密切的关系 ∀随着太阳辐射的增大 o气
温升高 o水泥屋面 !覆土屋面以及绿化屋面的表面温度均升高 o但由于热容量的不同 o水泥屋面的温差最大 o
绿化屋面的变化最小 ∀屋顶绿化后 o其全天温度曲线分布平缓 o而水泥屋面变化剧烈 o所引起的热效应的降
低并不是在全天的所有时段 o而是在一天中 { }ss以后开始的 o随着时间的推移 o在午后达到最高值 o即此时
的降温效应最明显 ∀从此时开始 o无论气温还是降温效果均处于一个平稳的阶段 o从 ty }ss开始 o气温开始
wwt 林 业 科 学 wv卷
下降 o绿化屋顶的降温速度慢 o并可以在以后的时段里 o气温 !水泥屋面温度逐渐下降 o植被屋面的表面温度
处于稳定状态 o可以形成良好的冷却面 ∀这不仅可以降低环境温度 o而且对于建筑物屋面也有保护作用 ∀
ussy年 t月 tz日 ov月 vt日的温度日变化曲线 o用以代表冬季 !春季的绿化屋面的温度分布特点 ∀结果
表明 o与夏季的降温效果一样 o冬季屋面的温度分布也与太阳辐射密切相关 ∀但是 o其表面温度的分布以及
保温效果的发挥有其自身特点 ∀外界气温较低时 o如在寒冷的冬季kt月 tz日l o只有从 tu }ss ) tx }ss绿化
屋面的温度高于气温 ~但是 o随着季节的推移 o外界气温的升高 o这种增温作用的持续的时间不断延长 ∀分
别为 ts }ss ) ty }ss !| }ss ) tz }ss !| }ss ) ut }ss o因此绿化屋面的保温作用是一个长期的效应 o而其作用的发
挥也是一个长效的过程 ∀
其次 o在这种日变化的过程中 o冬季覆土屋面温度分布始终高于绿化屋面 o这可能是由植物和土壤所形
成的屋面系统含水量高于覆土屋面 o从而降低其表面温度 o关于这个问题仍需进一步研究 ∀
综上所述 o屋顶绿化对屋面起到隔热保温的作用 o没有覆盖的屋顶要接受夏季日光暴晒和冬季冰雪侵
蚀 o屋顶结构表面要耐受较大的温度变化 o经常的冷热变化会破坏建筑的屋顶结构 ∀经过屋顶绿化后 o大部
分太阳辐射热量消耗在水分蒸发上或被植物吸收 ∀
u1u 不同屋面温度的季节变化 tl不同屋面平均温度的季节变化 夏季水泥屋面的平均温度为 u|1w ε o
植被屋面为 uy1t ε o差值为 v1v ε ~秋季水泥屋面为 uv1w ε o植被屋面为 ut1s ε o差值为 u1w ε o因此 o随着
季节的推移 o外界温度的降低 o植被屋面的降温作用随之下降 o但其温度仍然低于水泥屋面 ∀水泥屋面 !覆土
屋面 !植被屋面与气温 o在夏季kz月l差值依次为 s1v ε os ε op u1y ε ~秋季k|月l差值依次为 s1u ε o
图 u 各季不同屋面日平均温度的比较
ƒ¬ªqu ׫¨ §¬∏µ±¤¯ ° ¤¨± ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ²©·«¨ §¬©©¨µ¨±·µ²²©·²³¬± §¬©©¨µ¨±·¶¨¤¶²±
s1v ε op u1v ε ∀由此差值可以看
出 ou个季节中植被屋面对气温的
表面温度的降低的差异不大 o但不
同屋面的差别减小 ∀
从整个冬季的平均气温看 o植
被屋面的温度明显高于水泥屋面 o
而从图 u ov的日变化中可以得出 o
冬季屋顶绿化的保温作用并不表
现全天的所有时间 o而是一个累积
的过程 ∀在温度较低的时段 o植物
与土壤形成的系统能够很好地保
图 v 月平均温度差值变化曲线
ƒ¬ªqv ׫¨ §¬©©¨µ¨±¦¨ √¤¯∏¨ ²© °²±·«¯¼ ° ¤¨± ·¨°³¨µ¤·∏µ¨
存热量 o防止热量的散失 o因此其土壤温度保持一
个相对恒定的状态 ∀而水泥屋面由于其表面性质
的特点 o温度变化剧烈 o因此 o温度较低的冬季 o植
被屋面除了可以提供植物安全越冬的环境外 o还可
以部分地代替建筑的保温层 o起到提高室内温度 !
保护建筑结构的作用 ∀而春季 o气温回升 o植物开
始生长 o绿化屋面的温度仍表现高于气温 ∀
由于平均温度难以表现其温度分布的详细特
点 o图 w描述了不同季节的不同时段各屋面温度与
气温差值的变化 o水泥屋面 !覆土屋面 !植被屋面的
温度分布特点是随着太阳辐射的不同 o随着时间的
变化成规律的变化 ∀由图 w可知 }在不同季节 o不同屋面覆盖物的表面温度与空气温度的差值 o从各曲线的
变化趋势看 o绿化屋面的温度在各季中始终低于空气温度 o且随着气温的降低 o这种作用也随着减弱 ∀水泥
屋面全年温差变化幅度较大 o这种较大幅度的波动对于气温还是建筑物都起着负面的作用 ∀
在整个冬季 o绿化屋面的表面温度处于近似稳定的状态 o这给植物根系的休眠以及安全越冬提供了
保障 ∀
ul 各季k代表月l平均温度差值的变化 图 w是在四季中 o不同时间的覆盖物屋面与空气温度的平均值
xwt 第 {期 殷丽峰等 }清华大学超低能耗示范楼绿化屋面的温度分布特征
的差值 o由图可以看出 }夏 !秋两季 o由于气温高 !太阳辐射强度大 o绿化屋面表现出良好的降温作用 o并且在
一天中是呈规律性的变化 ∀而在冬季 o绿化屋面表面温度与气温的差异不大 o这可能是由于太阳辐射的下
降 o来自表面的热量不及累积 o而与环境的热交换剧烈 o其次 o由植物与土壤所形成的屋面系统具有保温作
用 o也阻止热量向环境再次的散失 ∀因此 o二者在冬季的温度差异不大 ∀
图 w 各季k代表月l平均温度差值的变化
ƒ¬ªqw ׫¨ §¤¬¯¼ ²¥¶¨µ√¤·¬²± ²© °²±·«¯¼ ° ¤¨± ·¨°³¨µ¤·∏µ¨
u1v 植被屋面的
表面温度分布特点
tl植被屋面夏季温
度分布特点 不同
覆盖层的屋面由于
其表面性质的差
异 o其温度的差异
也较大 ∀这种由于
下垫面性质不同而
造成的温度不同 o
屋顶绿化后 o由于
绿化屋面 !水泥屋
面以及覆土屋面物
理性质的不同 o对
阳光的反射率也不
同 o加上绿色植物
的同化作用及遮荫
作用 o使绿色屋面
的净辐射量远小于
未绿化的屋面 o同
时 o绿化屋面因植
物的蒸腾和蒸发作
用消耗的潜热明显
比未绿化的屋面
大 ∀这样就使得绿化屋面的贮热量以及地 p气间的显热交换量大为减少 o从而使绿化屋顶空气获得的热量
少 o热效应降低 ∀因此 o夏季 o绿化屋面表面的日平均温度较低 o而覆土屋面表面次之 o最高的为水泥屋面 ∀
从表 t的一天中温度的日振幅比较可以得出 }植被屋面一天中温差最大仅为 w1{ ε o水泥屋面则在 ts1u ε ∀
因此 o屋顶绿化后 o植被所形成的覆盖面对于其表面温度有着良好的调节作用 o温度变化幅度小 ~水泥屋面
的温度变化剧烈 ∀因此 o植被屋面对于调节温度 o保护建筑物表面有着积极的作用 ∀
同时 o盛夏时节的持续高温是影响人们正常工作的重要原因 o植被屋面对于减少高温的持续时间有积极
作用 ∀表 t对 ussx年 z月 w日的高温持续时间的统计 ∀水泥屋面大于 vx ε 的温度持续 { «o而植被屋面只
有 t «o而低于 vs ε 的时间长达 tz «∀这在盛夏季节对改善周边环境和提供人们休息环境有着积极的作用 ∀
表 1 一天中的高温持续时间统计
Ταβ .1 Τηε ηιγη τεµ περατυρε δυρατιον τιµειν ονε δαψ
类型
•²²©·¼³¨
日均温
 ¤¨± §¤¬¯¼
·¨°³¨µ¤·∏µ¨Πε
日振幅
⁄¬∏µ±¤¯
¤°³¯¬·∏§¨Πε
高温持续时间
‹¬ª«·¨°³¨µ¤·∏µ¨ §∏µ¤·¬²±·¬° Π¨«
[ vs ε vs ∗ vx ε ∴vx ε
空气 „¬µ vs1t {1z ts { y
水泥屋面 ≤ °¨¨ ±·µ²²© vs1y ts1u z { |
覆土屋面 ∞¤µ·«¬±ªµ²²© vs1t {1w ts { y
植被屋面 ∂ ª¨¨·¤·¬²±µ²²© u|1u w1{ tz y t
ul 植被屋面冬季温度变化特点
绿地对于环境的变化有良好的调节作
用 o屋顶绿化也有同样的效果 o而且绿
地对环境的影响是有范围的 o关于绿
化屋面的影响的范围目前还没有明确
的结果 o本试验对绿化屋面的 p x ∗ ts
¦°高度的温度分布作了测定 ∀结果
如图 x所示 }随着高度的增加 o温度逐
渐下降 ∀在 tu }ss ) tw }ss o气温的升
ywt 林 业 科 学 wv卷
高 o温度的差值表现最大 o随后一直处于下降状态 ∀图 x是不同时间的绿化屋面温度随高度的变化 ∀
图 x 冬季绿化屋面的温度的垂直分布
ƒ¬ªqx ׫¨ √ µ¨·¬¦¤¯ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©µ²²©·²³ªµ¨ ±¨¬±ª¬± º¬±·¨µ
3 结论
tl绿化屋面与其他屋面相比 o
其表面温度比其他屋面低 o这种降
温效应在炎热的夏季午后的高温
时段最为明显 ∀在酷热的夏季 o这
种绿色覆盖面的形成 o不仅可以降
温 o还可以给人以视觉上的舒适
感 ∀随着季节的推移 o太阳辐射的
变化 o外界温度的降低 o降温效果
也随之减弱 ∀
ul从整个冬季的平均气温看 o
植被屋面的温度明显高于水泥屋
面 o冬季屋顶绿化的保温作用并不表现在全天的所有时间 o而是一个累积的过程 ∀在温度较低的时段 o植物
与土壤形成的系统能够很好地保存热量 o防止热量的散失 o因此其土壤温度保持一个相对恒定的状态 ∀而水
泥屋面由于其表面性质的特点 o温度变化剧烈 o因此 o温度较低的冬季 o植被屋面除了可以提供植物安全越冬
的环境外 o还可以部分地代替建筑的保温层 o起到提高室内温度 !保护建筑结构的作用 ∀而春季 o气温回升 !
植物开始生长 o绿化屋面的温度仍表现高于气温 ∀
vl由于试验条件的限制 o本研究只对不同屋面的 ux ¦°处的表面温度的分布特征进行研究 o旨在研究对
于不同的下垫面屋面的特性 o所引起的外界小环境的温度分布特征 ∀对于不同绿化材料的降温特点 o以及植
被屋面内部微环境的变化需进一步地研究 ∀
参 考 文 献
财团法人都市绿化技术开发机构 qussw1 屋顶 !墙面绿化技术指南 q谭奇 o等译 o北京 }中国建筑工业出版社
骆高远 qusst1城市/屋顶花园0对城市气候影响方法研究 q长江流域资源与环境 otskwl }vsz p vts
≤«¨ ²±ª ⁄ • o ≠¤± ‹ o≥²«o ετ αλqussv q׫¨ ©¨©¨¦·¶²©µ²²©·²³ª¤µ§¨± ²± ±¨¨ µª¼¦²±¶∏°³·¬²±²©¤¦²°° µ¨¦¬¤¯ ¥∏¬¯§¬±ª¬± ≥¬±ª¤³²µ¨ q∞±¨ µª¼ ¤±§…∏¬¯§¬±ª¶ovx
kwl }vxv p vyw
∞¯ ¤¨± ° ⁄ …qt||{1„±¤¯¼¶¬¶²©·«¨ ªµ¨ ±¨ µ²²©¶¦²²¯¬±ª³²·¨±·¬¤¯ ¬± ¥∏¬¯§¬±ª¶q∞±¨ µª¼ ¤±§…∏¬¯§¬±ª¶ouz }tz| p t|v
‘¬¤¦«²∏„ qusst1„±¤¯¼¶¬¶²©·«¨ ªµ¨ ±¨ µ²²©·«¨µ°¤¯ ³µ²³¨µ·¬¨¶¤±§¬±√ ¶¨·¬ª¤·¬²± ²©¬·¶ ±¨¨ µª¼ ±¨©²µ°¤±¦¨ q∞±¨ µª¼ ¤±§…∏¬¯§¬±ª¶ovv }zt| p zu|
’±°∏µ¤≥ o ¤·¶∏°²·²  o ‹²®²¬≥ qusst q≥·∏§¼ ²± √¨¤³²µ¤·¬√¨ ¦²²¯¬±ª ©¨©¨¦·²©µ²²© ¤¯º± ª¤µ§¨±¶q∞±¨ µª¼ ¤±§…∏¬¯§¬±ª¶ovvkzl }yxv p yyy
k责任编辑 郭广荣l
zwt 第 {期 殷丽峰等 }清华大学超低能耗示范楼绿化屋面的温度分布特征