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屋顶种什么植物隔热降温?屋顶绿化常用植物效果研究

日期:2019/10/15 14:47

在高密度的城市空间,建筑屋顶具有巨大的开发利用潜力,但因屋顶是建筑围护结构中的水平构件,受太阳辐射时间长,裸露屋顶吸收的太阳辐射会以长波辐射的方式持续加热周围空气,引起上部人体的不舒适。结合绿化来打造屋顶休闲空间是改善屋顶上部微气候的有效措施,不仅弥补和挖掘了城市空间,还有效提高了城市绿量,Ng等[1]在其研究中指出,若城市面积的33%种植树木,则可降低行人层面空气温度约1℃。屋顶绿化不仅能减少屋面热流量,降低建筑能耗,还可通过植物的光合作用和蒸腾作用对太阳辐射进行吸收和转化,对周围空气起到降温增湿的效果,达到缓解城市热岛效应的目的[2]。



纵观对屋顶绿化改善室外微气候的研究,学者们采用实验或数学模型从不同角度定量研究屋顶绿化对室内外的热效益,明确了屋顶绿化通过对周围环境的降温增湿作用可以改善微气候[15],发现叶面积指数、土壤厚度、植被类型等都是影响因素。因植物具有很强的地域性,笔者选择夏热冬冷气候区的典型城市重庆,以屋顶绿化常用的3种景天科植物屋顶为研究对象,采用对比测试的方法定量分析不同绿化对上部空间的热影响。



1.1预备实验



1.2实验设置



由于预备实验得到植物对微气候的影响范围在700 mm以内,故将测量高度设定为0、300、700 mm,测量内容包括3种植物和裸屋顶在各个高度处的温湿度,以及距裸屋顶表面和3种植物冠层顶部300 mm处的热辐射量,具体实验布置见图1。 屋顶种什么植物隔热降温?屋顶绿化常用植物效果研究

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测量时间为2016-10-01—2016-10-06,测试期间连晴无雨,气温稳定,室外气象参数见图2。



实验所用仪器包括温湿度仪和手持式热辐射检测仪,数据采集间隔时间为10 min,仪器参数见表1。 屋顶种什么植物隔热降温?屋顶绿化常用植物效果研究

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1.4植物简介


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为确定屋顶绿化对微气候的降温增湿效果,选择室外气候稳定的10月3日作为典型日,对所测数据进行分析。



由图3可以看出,裸屋顶和3种绿化屋顶表面空气温度均在14:00达到最高,其中,裸屋顶表面最高温度为50.72℃,与小叶景天叶面上方空气温度相差最大,为11.69℃,与佛甲草温差最小,为6.57℃。说明当周围空气温度升至最高时,屋顶绿化对近表面的降温效果显著。观察各屋顶的最低温度发现,小叶景天表面空气温度在6:00达到最低,仅有21.02℃,但与裸屋面相比仅降温1.5℃。比较表面空气平均温度发现,佛甲草虽然日较差最大,但其表面空气平均温度与落地生根相近,约29.6℃,与裸屋顶相比约低3℃。而小叶景天表面空气平均温度最小,为27.26℃。从表面温度来看,小叶景天的降温效果最好。 屋顶种什么植物隔热降温?屋顶绿化常用植物效果研究

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图4为3种植物表面空气湿度,从图4可以看出,小叶景天的增湿效果明显优于其他两种植物,其平均湿度为79.95%,表面空气最高相对湿度高达99.90%。与另外两种植物相比,小叶景天的最低湿度和平均湿度均高出约10%。观察3种植物的湿度曲线可以发现,其表面空气湿度在日落之后均有大幅度上升,其中两种小叶片植物——佛甲草和小叶景天的上升斜率更大,说明肥厚的叶片能储存更多的水分,对空气的增湿效果更佳。 屋顶种什么植物隔热降温?屋顶绿化常用植物效果研究

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为确定屋顶绿化对微气候的影响效果,对其上部300 mm和700 mm处空气温湿度数据进行分析。在300 mm处,其上方空气温湿度与裸屋顶差别较小。落地生根对最高温度的削峰效果优于小叶片植物,降温约1℃。从平均温度来看,小叶景天降温1.70℃,这是因为在中午的高温过后,小叶景天上方300 mm处的空气降温迅速,尤其在23:00,低于裸屋顶约5℃。当升高到700 mm,同300 mm的曲线变化相似,小叶景天上方的空气温度在14:00后急速下降,佛甲草和落地生根上部空气温度与裸屋顶相近。 屋顶种什么植物隔热降温?屋顶绿化常用植物效果研究

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对比300 mm处的湿度数据,佛甲草和落地生根上部空气平均湿度仅比裸屋面高约2%,而小叶景天高出12.87%,平均湿度75.19%。分析增湿规律发现,植物在正午高温后开始对微气候增湿,在15:00,小叶景天300 mm处相对湿度为35.15%,高于裸屋面7.58%。日落后植物的增湿效果更加显著,19:00小叶景天上部空气湿度与裸屋顶的差值达到最大,为33.1%。佛甲草与裸地面的最大差值出现在21:00,落地生根则出现在日落之前。当升高到700 mm,落地生根和佛甲草上部空气湿度曲线与裸地面重合,仅小叶景天上部空气的湿度在午后高于裸地面,说明小叶景天对上部空气的增湿效果最显著,其次是佛甲草。 屋顶种什么植物隔热降温?屋顶绿化常用植物效果研究

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从图9、图10可以看出,不同植物对太阳辐射的反射和吸收转化作用。日出后,屋顶热辐射值迅速升高,绿化屋顶的斜率甚至超过裸屋顶,导致绿化屋顶热辐射峰值早于裸屋顶1 h。峰值过后至日落之前,植物的热辐射值较裸屋顶下降更缓慢。对比热辐射总量可以看出,3种植物中对太阳辐射的吸收由强到弱依次为落地生根、小叶景天和佛甲草,从叶片特征分析,落地生根叶片大且茂密,相对而言,吸收的太阳辐射更多。 屋顶种什么植物隔热降温?屋顶绿化常用植物效果研究

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小叶景天对上部空气的降温增湿效果最好,在300 mm处降温1.7℃,在700 mm处降温0.43℃,对比已有研究,与Peng等[6]、Alcazar等[17]的研究结论较为一致,与Speak等[18]在地中海气候区屋顶绿化实验中300 mm处降温1.06℃相比,降温效果高出60%。小叶景天在700 mm处增湿7%,与林波荣[11]得到的草坪增湿上部空气10%的结果也较一致。



绿化屋顶因有植物和植物生长所需的培养基质,一方面,绿色植物能反射一部分太阳辐射,同时通过光合作用吸收一部分太阳辐射,减少屋顶层的太阳辐射热;另一方面,植物的培养基质层中含有水分,当屋顶温度升高时,土壤通过蒸发水分吸收热量,土壤水分的蒸发和叶片的蒸腾作用也增加了周围空气的湿度。



3.2叶面积指数与反射辐射



根据门司、佐伯[19]对光强在群体内自上而下的衰减与叶面积的关系,假定群体内的叶片分布为一均匀介质,则绿化植物层对太阳辐射的透过率与植物层的叶面积之间的关系为



式中:τ为辐射的穿透函数;K为消光系数;LAI为叶面积指数。



将3种植物的叶面积指数和反射辐射总量进行相关性分析,得到如图11所示曲线,其相关系数R2=0.97。表明植物的叶面积指数与其反射辐射总量强相关,叶面积指数越大,反射的太阳辐射量越少,说明叶片的大小、覆盖面积与反射辐射呈反比关系。落地生根因其叶面积指数较大,反射到周围空气的热辐射量更少,所以,其上部空气的最高温度始终最低,温度日较差也小于其余两种植物。而城市热岛效应形成的原因之一,正是因为硬质表面在吸收太阳辐射之后对周围反射更多的辐射热,导致周围温度升高。高叶面积指数的植物正好解决这一问题,通过减少对周围环境的辐射,缓解城市热岛效应。 屋顶种什么植物隔热降温?屋顶绿化常用植物效果研究

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3.3不同时段的降温增湿效果


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图12白天空气温度 图13夜间空气温度 与白天相比,夜间的温度曲线完全相反,越接近植被,周围空气温度越低。这是因为在日落之后,环境的空气温度明显下降,植物对周围空气的降温效果也被唤醒。在夜间,植被持续降低周围空气温度,直至日出。比较裸屋顶上方的空气温度发现,测得的温度差异不大,在300 mm处的空气温度总是高于其表面,这说明硬质表面加热周围空气,距离表面越远,周围空气温度越低。说明硬质表面在白天所吸收的热量被再次以长波的形式对外辐射,加热周围空气,这实际上也是造成城市热岛效应的原因之一。


屋顶种什么植物隔热降温?屋顶绿化常用植物效果研究

图14白天空气湿度 图15夜间空气湿度



小叶景天叶片肥厚,叶片中可储存的水分较多,且叶面积指数高于佛甲草,是综合效果最好的植物,在其表面日间最大可降温11.7℃,在300 mm和700 mm处夜间分别降温4.64、3.97℃,其次是落地生根。小叶景天的最大增湿效果出现在19:00,增湿33.1%,其次是佛甲草。

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