寒冷半干旱气候下广布式绿色屋顶的热性能

《Building and Environment》：Thermal performance of an extensive green roof in a cold and semi-arid climate

　　

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  在寒冷半干旱气候下，绿色屋顶改善了热工性能。
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  在炎热天气下屋顶温度降低，而在寒冷和正常天气下屋顶温度升高。
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  更高的热阻减少了夏季得热和冬季失热。
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  基质含水量进一步增强了各种条件下的热工性能。
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  绿色屋顶减少了昼夜温差和空间温度变异性。

引言

建筑物约占全球能源消耗的40%，主要用于制冷和供暖[1]。在加拿大，住宅和商业建筑在英属哥伦比亚省、安大略省和马尼托巴省的总能源消耗中分别约占22%、35%和36%[2]。其中高达65%的能源需求与寒冷天气下的空间供暖和炎热天气下的制冷有关，对温室气体排放贡献了11.9%[3,4]。在阿尔伯塔省，家庭能源消耗高于其他省份，并在过去几十年中持续增长[2]。仅住宅部门就有约64%的能源消耗用于供暖和制冷，是各终端使用部门中占比最高的[5]。因此，减少空间供暖和制冷能耗对于降低总体能源消耗及相关排放至关重要。

为了提高建筑能效同时保持室内热舒适度，已实施各种技术，包括热绝缘材料、高反射率材料和散热制冷技术。绿色屋顶因其在城市雨水管理和其他环境效益方面的广泛应用而备受关注，也有助于减少建筑物的制冷和供暖能耗[6]。其中，粗放型绿色屋顶（通常含有≤150毫米的栽培基质）由于其在新建和既有建筑中的可行性而尤为常见。通过部分或全部覆盖屋顶表面的栽培基质和植被，这些系统可以通过减少炎热天气下的得热和在寒冷天气下保留热量来调节室内温度[7,8]。

大量研究已证明绿色屋顶在不同气候条件下减少建筑能耗的有效性。在温暖气候下，绿色屋顶通过限制从室外到室内的不期望热量传递以及减弱屋顶内的温度波动来减少制冷需求，例如[9,10]。在温带气候下，它们通过减少失热和得热为制冷和供暖节约能源，例如[11,12]。然而，寒冷气候下的研究相对有限，仅有少数研究[13,14]表明潜在效益。Schade等人[15]报告称，在亚寒带气候中，安装在高保温建筑上的粗放型绿色屋顶整体节能效果较低。尽管如此，在冬季寒冷、夏季温和的寒冷半干旱气候下，绿色屋顶的能源效益可能更为显著。

绿色屋顶的热工性能受到一系列设计和配置因素以及当地气候和区域特定条件的影响。例如，栽培基质的厚度影响持水能力和蒸散发，从而影响温暖和温带气候下的热工性能[16]。然而，Maiolo等人[17]报道，增加栽培基质深度不一定能改善温带地区的热工性能。植被类型也是一个重要因素，其影响因植被种类和区域而异[18,19]。基质含水量由基质类型、厚度、植被和气候控制，同样被发现影响各种气候条件下的热工性能[20]。尽管如此，一些研究发现含水量对热效应的影响极小甚至为负[17]。这些混合的研究结果凸显了开展气候和区域特定研究以更好地了解绿色屋顶节能潜力的必要性。

研究中使用了几种常见的指标来评估绿色屋顶的热工性能。一些研究通过比较热通量来评估得热和失热[7,11,21]，另一些研究则考察屋顶温度，包括内外表面温度、室内温度、植被温度和栽培基质温度[11,22]。还有研究评估了不同屋顶层的热指标，如热阻、热传递系数、热导率、表面温度降低量和垂直温度分布[9,23]。每项指标都提供了独特但互补的热工性能视角。综合运用这些指标，可以对绿色屋顶的热能和能源效益进行更全面的评估。

鉴于以上所述，本文旨在提高我们对寒冷半干旱气候下粗放型绿色屋顶热工性能的理解。我们研究了加拿大阿尔伯塔省卡尔加里的一个全尺度粗放型绿色屋顶——该地区位于加拿大落基山脉山麓，具有显著的季节性和冬季温暖下沉风（钦努克风）导致的大幅温度波动。我们将绿色屋顶的热阻与附近传统参考屋顶进行比较，并评估炎热天气、寒冷天气和正常天气下的表面温度降低量，以评估其制冷和保温效果。鉴于对基质含水量影响的共识尚不明确，我们还研究了含水量如何影响热工性能。此外，本文利用该全尺度绿色屋顶探索热行为的精细时间变化，为改进屋顶监测和评估提供见解。总体而言，本研究为绿色屋顶的节能潜力提供了新的见解，并支持该地区该气候下绿色屋顶的更有效规划、决策和实施。

章节摘要

研究地点与现场监测

我们在加拿大阿尔伯塔省卡尔加里的一个全尺度粗放型绿色屋顶和一个附近的参考屋顶上监测了热工性能。卡尔加里位于加拿大落基山脉以东约80公里处，处于落基山脉山麓与加拿大草原的过渡地带。该城市气候被归类为半干旱寒冷型，年平均降雨量和降雪量分别为326.4毫米和128.8厘米（1981-2010气候基准值）。年潜在蒸散发

屋顶的热工性能

由于绿色屋顶和参考屋顶位于同一栋建筑的不同楼层（分别为5层和4层），且朝向相同，因此认为环境气候条件相同。与此一致的是，在炎热天气、寒冷天气和正常天气下，两个屋顶之间的气候变量中位数和方差未发现显著差异。因此，与之前一项研究[35]发现绿色屋顶冠层上方空气冷却不同，绿色

结论

本文研究了寒冷半干旱气候下粗放型绿色屋顶的热工性能及基质含水量的影响，在此气候条件下，绿色屋顶可以提供制冷和保温双重效益。我们对加拿大阿尔伯塔省卡尔加里的一个绿色屋顶和一个附近的参考屋顶在2017年和2018年全年进行了监测。通过将绿色屋顶的热阻与参考屋顶进行比较，并评估炎热天气、寒冷天气和

CRediT作者贡献声明

Ketan Ashok Tagde：撰写——初稿、方法学、调查研究、形式化分析。Cuauhtémoc Tonatiuh Vidrio-Sahagún：撰写——审阅与编辑、方法学。Musa Akther：撰写——审阅与编辑、数据管理。Jianxun He：撰写——审阅与编辑、监督、资源、方法学、资金获取、概念化。van Duin Bert：撰写——审阅与编辑、资源、资金获取。

Ketan Ashok Tagde|Cuauhtémoc Tonatiuh Vidrio-Sahagún|Musa Akther|Jianxun He|van Duin Bert