高屋顶反而更热？参考面与太阳曝晒对两种屋顶高度上粗放型绿色屋顶降温效果的影响

《Building and Environment》：Too high to cool? Reference-surface and solar-exposure effects on extensive green roof cooling at two rooftop elevations

　　

在密集的城市中心，城市过热和地面种植空间有限促使屋顶绿化（包括高层建筑上的绿化）得到推广。绿色屋顶通过植物遮阴、基质蓄热与蓄水以及蒸散作用改变屋顶组件的热状况。对于其在高层城市建筑上的应用，一个实际的工程问题是：相对于替代性屋顶覆盖层，安装的系统如何调节局部温度。这一屋顶层面的响应与建筑热传递和城市大气物理相关。显热交换取决于叶片或基质与邻近空气之间的温差以及气动交换条件。进入建筑的热传递还取决于完整的屋顶构造和室内边界条件。由此产生的远离屋顶的空气温度变化还取决于大气输运和混合。因此，屋顶覆盖层温度、建筑能耗和室外热舒适代表了不同的评估结果。 野外测量提供了屋顶组件温度调节的证据。Dvorak和Volder在得克萨斯州中南部测量了未灌溉的模块化绿色屋顶单元相对于传统参考面的基质表面及其下方的显著温度降低。模块下方的温度比传统屋顶板面低达37.3°C。Bevilacqua等人在地中海气候条件下记录了粗放型绿色屋顶相较于传统屋顶夏季表面温度波动的减少。深色参考屋顶表面峰值温度达到74.3°C，而绿色屋顶将夏季每日温度波动大约减半。这些观测证明了屋顶层面测量的价值，但所报告的温度降低是针对特定监测地点、参考覆盖层和环境条件的。植被系统与其参考面之间的温差反映了两组组件的热响应；不能仅从植被温度单独解释。 空气温度研究在不同测量尺度上解决相关问题。在香港为期两年的野外研究中，Jim和Peng报告日最大瓦片表面温度降低5.2°C。屋顶上方10 cm处空气温度降低0.7°C，在160 cm处无显著影响。这些测量高度描述的是屋顶上方的距离，而非建筑高于街道层面的高度。在街区尺度上，Peng和Jim使用建模研究城市形态如何影响绿色屋顶对行人层面空气温度和热感觉的影响。Jamei等人使用ENVI-met（经野外测量验证）评估墨尔本屋顶和行人层面的空气温度及热舒适。这些研究促使区分冷却效应向占用空气空间的传递与屋顶覆盖层组件的局部温度性能。 对于高层屋顶，一个独立的野外问题是：可比较的绿色屋顶系统相对于局部非植被参考面是否表现出相似的温度差异，以及这些差异如何取决于各覆盖层的行为。周围城市几何形状影响太阳可达性和天空暴露，以及外部对流交换。因此，在解释不同建筑之间的比较时，必须将屋顶高度与场地环境一起考虑。较高屋顶上较小的温度差异可能源于较暖的植被系统、较凉的参考面，或两者兼有。因此，野外比较需要分别考察两个温度分量，并在将解释归于跨屋顶对比之前评估可识别的曝晒不平衡来源。 研究人员通过新西兰奥克兰市中心的配对野外比较来解决这一问题。两个屋顶相距约0.4 km。监测在距街道层面约50 m的工程大楼（ENG50）和约18 m的中央城市图书馆（LIB18）进行。两个屋顶均包含植被Eco-pillow模块（ECP）和带树皮覆盖层的石压载参考组件（SBB）；ENG50还包括沥青参考面（AST）。两个地点的ECP模块标称基质深度为150 mm。同步温度监测覆盖2024年12月1日至2025年2月28日，间隔10分钟。观测包括ECP基质表面（冠层下方）以及SBB和AST屋顶覆盖层表面的遮蔽表面温度。屋顶内SBB–ECP温差提供了监测组件对比的参考特定指数，包括传感器环境的差异。这些测量表征局部热条件；它们不直接量化辐射皮肤温度、进入建筑的热传递或周围空气的冷却。 该研究提出三个问题：（1）在同一夏季监测期间，ECP和SBB温度在两个屋顶上如何变化；（2）每个组件对SBB–ECP温度对比的跨屋顶差异贡献多少；（3）将观测对比限制在每个屋顶内ECP和SBB之间模拟直接光束遮阴比例差异时，其敏感性如何。主要贡献是分离观测对比的参考面和植被组件分量的野外证据；图像观测和太阳曝晒建模支持补充敏感性检查。这两个场地环境提供了与高度相关的温度模式的比较。研究结果通过展示局部参考面和两个组件的行为如何塑造报告的温度优势，为热评估提供信息。

论文解读文章

一、研究背景与问题

在城市密集中心区域，城市过热问题日益严峻，而地面绿化空间极为有限，这促使研究者与工程实践者将目光转向屋顶绿化，包括高层建筑上的绿色屋顶系统。绿色屋顶通过植物遮阴、基质蓄热与蓄水以及蒸散作用（evapotranspiration）等机制改变屋顶组件的热状况，从而可能降低屋顶表面温度、减少建筑得热并改善局部微气候。然而，对于绿色屋顶在高层建筑上的实际应用，一个关键工程问题是：安装的绿色屋顶系统相对于替代性屋顶覆盖层（如传统深色屋顶或压载层）究竟能在多大程度上调节局部温度。这一屋顶层面的热响应与建筑热传递过程以及城市大气物理过程紧密相连——显热交换取决于叶片或基质与邻近空气之间的温差以及气动交换条件，进入建筑的热传递还取决于完整屋顶构造和室内边界条件，而远离屋顶的空气温度变化则进一步依赖于大气输运和混合过程。

已有野外研究提供了绿色屋顶温度调节的直接证据。例如，Dvorak和Volder在得克萨斯州中南部测得模块化绿色屋顶单元下方的温度比传统屋顶板面低达37.3°C；Bevilacqua等人在地中海气候下记录了绿色屋顶将夏季每日表面温度波动大约减半，而深色参考屋顶表面峰值温度达到74.3°C。然而，这些研究所报告的温度降低数值是针对特定监测地点、参考覆盖层和环境条件的，不能简单外推。更为关键的是，植被系统与其参考面之间的温差反映的是两个组件各自的热响应，不能仅从植被温度单独解释。此外，已有研究大多关注空气温度在不同测量高度的变化（如屋顶上方10 cm或160 cm处），或通过建模评估城市形态对行人层面热舒适的影响，但对于不同建筑高度上相同规格绿色屋顶系统的温度表现差异及其成因，缺乏直接的配对野外比较证据。

对于高层屋顶而言，一个尚未充分回答的问题是：在相同规格和配置下，绿色屋顶系统相对于局部非植被参考面的温度差异是否随屋顶高度和场地环境而变化，以及这种差异的变化究竟源于植被系统的温度变化、参考面的温度变化，还是两者共同作用。屋顶高度与周围城市几何形态（影响太阳可达性、天空暴露和对流交换）相互交织，因此需要将屋顶高度与场地环境综合考虑。要正确解释不同建筑之间的温度对比，必须分别考察植被系统和参考面两个温度分量，并评估可识别的曝晒不平衡来源。正是基于这一研究缺口，本研究开展了配对野外比较实验。

二、研究内容与结论概述

研究人员在新西兰奥克兰市中心选取了两处相距约0.4 km的屋顶进行配对比较：工程大楼屋顶（ENG50，距街道层面约50 m）和中央城市图书馆屋顶（LIB18，距街道层面约18 m）。两个屋顶均安装了相同规格的植被Eco-pillow模块（ECP，标称基质深度150 mm）和带树皮覆盖层的石压载参考组件（SBB），ENG50还额外设有沥青参考面（AST）。监测时段为2024年12月1日至2025年2月28日（核心双场地夏季时段），以10分钟间隔同步记录ECP基质表面（冠层下方）、SBB和AST屋顶覆盖层表面的遮蔽温度及相对湿度。研究核心发现包括：在高辐照度条件下，较高屋顶（ENG50）上的SBB参考面比较低屋顶（LIB18）低2.67°C；而较高屋顶上的ECP绿色屋顶基质反而比低屋顶高1.80°C；较高屋顶上的绿色屋顶比当地沥青表面低14.15°C；在筛选模拟建筑遮阴后，温度对比变化很小。这些结果表明，跨屋顶温度对比的差异源于参考面和植被组件各自的温度行为，不能简单归因于单一因素。

三、主要技术方法

本研究采用配对野外实验设计，在两个不同高度的城市屋顶上同步监测相同规格的绿色屋顶模块（ECP）和石压载参考组件（SBB）的表面温度与相对湿度，使用COS-03型表面温湿度传感器（精度±0.1°C，±1.5% RH）以10分钟间隔记录数据。ENG50屋顶另设气象站，测量风速、风向、全球水平辐照度（GHI）、气温、相对湿度、气压和降雨量。研究还使用鱼眼照片获取传感器位置的有效天空开阔度（effective sky openness），并通过Ladybug/Honeybee建模工具计算直接光束遮阴比例（shade fraction, SF），结合无人机倾斜摄影和固定相机阴影观测进行模型验证。统计分析采用广义加性混合模型（GAMM）进行敏感性分析，并辅以配对整日自助法（bootstrap）区间评估对比的稳健性。

四、研究结果

4.1 ECP与SBB温度在两个屋顶上的变化模式

在核心夏季监测期间，两个屋顶上的ECP和SBB温度表现出明显的昼夜变化模式。在高辐照度时段，SBB参考面在较高屋顶（ENG50）上比在较低屋顶（LIB18）上低2.67°C，而ECP基质表面在较高屋顶上反而比低屋顶高1.80°C。这一相反的温度响应表明，屋顶高度对参考面和植被组件的影响方向不同。较低屋顶（LIB18）周围建筑遮挡更多，导致SBB参考面接受的太阳辐射较少、温度较低；而较高屋顶（ENG50）曝晒更强，但ECP冠层遮挡了大部分直射辐射，其基质温度受冠层微气候调控，反而因风速更大、蒸发冷却更强等因素而表现出不同于参考面的温度特征。

4.2 各组件对跨屋顶SBB–ECP温度对比差异的贡献

通过分别比较两个屋顶上SBB和ECP的绝对温度，研究发现跨屋顶SBB–ECP温度对比的差异主要由SBB参考面的温度差异驱动，而非ECP植被组件的温度差异。具体而言，ENG50上的SBB比LIB18上的SBB更凉，而ENG50上的ECP比LIB18上的ECP更暖，两者共同导致ENG50上的SBB–ECP温差（即绿色屋顶相对于参考面的降温幅度）小于LIB18。这表明，如果将绿色屋顶的降温效果仅报告为相对于某一参考面的温差，则该数值高度依赖于参考面的局部热行为，不能直接跨场地推广。

4.3 建筑遮阴筛选的敏感性分析

为评估建筑遮挡对观测对比的影响，研究使用Ladybug/Honeybee建模计算每个传感器位置的直接光束遮阴比例（SF），并在SF匹配的时间戳子集上重新计算温度对比。结果显示，在筛选掉ECP和SBB之间SF差异较大的时段后，跨屋顶温度对比的变化很小（约0.1–0.3°C量级），说明建筑遮阴差异不是解释跨屋顶温度对比差异的主要因素。这一敏感性检验增强了将观测对比归因于屋顶高度和相关曝晒条件差异的可信度。

4.4 ENG50屋顶上绿色屋顶与沥青参考面的对比

在ENG50屋顶上，ECP绿色屋顶在高辐照度时段比AST沥青参考面低14.15°C，显示出绿色屋顶相对于深色传统屋面的显著降温优势。这一对比为绿色屋顶在城市热环境改善中的价值提供了直接证据，同时也说明参考面的选择对报告降温幅度有决定性影响——相对于沥青，绿色屋顶的降温效果远大于相对于石压载参考面的降温效果。

五、讨论与结论

研究讨论部分强调，屋顶高度与场地环境（周围建筑、屋顶障碍物、种植面积比例、天空开阔度等）相互交织，不能将ENG50与LIB18之间的差异简单解释为独立的“高度效应”。本研究的核心贡献在于分离了参考面和植被组件对观测温度对比的各自贡献，表明跨屋顶温度对比的差异主要源于参考面温度的变化，而非绿色屋顶本身的温度行为。研究还指出，遮蔽表面温度测量不等同于辐射皮肤温度，实际辐射温度在强太阳加载下可能更高。结论部分指出，绿色屋顶相对于不同参考面的降温幅度差异显著，工程评估中应明确参考面的类型和局部热行为；屋顶高度和场地曝晒条件共同影响绿色屋顶和参考面的温度表现，报告温度优势时必须同时考虑两个组件的响应。研究结果对城市屋顶绿化热性能评估具有重要方法学意义，提示工程实践应基于多参考面对比和场地特定条件进行热性能判断。