屋頂植草覆土層熱效應之研究

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(1)國立高雄大學都市發展與建築研究所碩士論文. 屋頂植草覆土層熱效應之研究 A Study on the Thermal Effects of Sod Roofs Regarding the Soil Thickness and Cover Materials. 研究生：蘇榮宗指導教授：劉安平. 撰博士. 中華民國九十八年一月.

(2) 屋頂植草覆土層熱效應之研究指導教授：劉安平博士高雄大學都市發展與建築研究所學生：蘇榮宗高雄大學都市發展與建築研究所摘要夏季高溫炎熱的氣候條件，使建築物屋頂在吸收大量的日射熱之後，再將熱以再輻射回到大氣，導致城市的高溫化，形成都市熱島現象。綠屋頂設計是在建築物屋頂或屋面平台進行大規模植栽綠化，主要動機包括城市綠化與使用綠屋頂來幫助城市降溫，對抗都市熱島效應，藉以改善在都市環境中愈來愈惡化的都市氣候與空氣品質。在綠屋頂隔熱降溫性能方面的研究，幾乎都是以綠屋頂植栽層與室內空間為研究對象。對於覆土層土壤溫度部分，並無完整而且有系統的研究，也就無明確數據可用來說明覆土層土壤中溫度梯度變化的樣態。本研究著重於綠屋頂覆土層土壤部分在夏季的降溫性能探討，以表土裸露為基礎，配合在其上方增加不同的表面覆蓋物，例如草皮與碎石，研究覆土層內土壤溫度變化，以及覆蓋物降溫的熱效應。本研究成果歸納如下：一、在綠屋頂覆土時，只要土壤深度有 20cm 就能讓土壤溫度維持穩定。二、綠屋頂使用表面覆蓋物時，較佳之土壤厚度如下： (1) 種植草皮綠化設計的有效土壤厚度至少是 15cm。 (2) 鋪小碎石材設計之有效土壤厚度至少是 10cm。三、覆蓋表面材料的熱效應： (1) 以假儉草、台北草、百慕達草來綠化，分別可讓土壤表面溫度降低 12.43℃、11.2 ℃與 12.62℃。 (2) 以彩繪石、白雲石、海石來覆蓋，分別可讓土壤表面溫度降低 6.98℃、10.75℃ 與 9.04℃。本研究提出的實驗數據與結論，有助於瞭解綠屋頂不同覆蓋材料降溫的熱效應與其對覆土層土壤溫度變化的影響，讓建築師或景觀建築設計人員做為屋頂綠化設計實務的可用資料，也能提供綠屋頂熱性能後續研究的必要知識與涵蓋面向。關鍵字：綠屋頂、都市熱島、覆土溫度變化、覆蓋物降溫效果 I.

(3) A Study on the Thermal Effects of Sod Roofs Regarding the Soil Thickness and Cover Materials Advisor: Dr. Liu, Anping Graduate Institute of Urban Development and Architecture National University of Kaohsiung Student: Su, Jung Tsung Graduate Institute of Urban Development and Architecture National University of Kaohsiung ABSTRACT The sweltering climatic conditions in summer make rooftops reradiate heat back to the surroundings after their absorbing and storing lots of solar radiation heat. This type of released heat leads to the phenomenon of high air temperature in cities and creates the effect of urban heat island. The design of green roofs is to cover a roof partially or completely with vegetation and soil. The design motifs of roof greening include city greenery to beautify the cityscape as well as the use of plants to increase wildlife habitat in built-up areas and to help keep temperatures down in a city or to combat the urban heat island effect, so as to improve the getting-worse urban climate and air quality in metropolitan environment. The studies on adding green roofs to help keep roof surface temperatures down are almost focused on the plant layer of a green roof and the indoor space underneath. As for the soil temperature of its earth layer, there is no completed or systematic study. This makes the lack of concrete data or information to elucidate the profile of soil temperature gradient in the earth layer. This research emphasizes on the cooling effect of the earth layer of green roofs in summer. The experiments take the exposed topsoil as the base, combined with diverse surface coverings, such as turf and gravels, to investigate the temperature changes within the earth layer and the cooling effects caused by various surface coverings. The findings of this research are listed below: 1. When a roof covered with bare soil, as long as the depth of earth layer is more than 20cm, the soil temperature can be maintained in a stable range. 2. When using surface coverings, the better depth of earth layer is as the followings: (1) The effective soil thickness of turf-covering is 15cm at least. (2) The effective soil thickness of gravel-covering is 10cm at least.. Ⅱ-1.

(4) 3. The heat effects of varied surface coverings are listed below: (1) When covered with Centipede grass, Mascarene grass or Bermuda grass, the surface temperature of a earth layer would drop 12.43℃, 11.2℃ and 12.62℃, respectively. (2) When covered with painting stones, dolomite or sea stones, the surface temperature of a earth layer would drop 6.98℃, 10.75 and 9.04℃, respectively. The experimental data and conclusions of this research are good for understanding the cooling effect of varied surface coverings in green roofs as well as the influence of varied surface coverings on the change of soil temperature within an earth layer. The findings also provide architects and landscaping architects the available materials utilized in the design practice of green roofs, also can offer essential knowledge base and research direction for follow-up studies in the field of green roofs regarding their thermal behavior. Keywords: Green Roof, Urban Heat Island, Cooling Effect of Coverings, Temperature Variation in Earth. Ⅱ-2.

(5) 目. 錄. 中文摘要........................................................................................................................Ⅰ 英文摘要........................................................................................................................Ⅱ-1 謝誌................................................................................................................................Ⅲ 目錄................................................................................................................................Ⅳ-1 表目錄............................................................................................................................Ⅴ 圖目錄............................................................................................................................Ⅵ-1 第一章緒論 1.1 研究緣起 ............................................................................................................1-1 1.2 研究目的及內容 ................................................................................................1-4 1.2.1 研究目的 ....................................................................................................1-4 1.2.2 研究內容 ....................................................................................................1-5 1.3 研究方法及流程 ................................................................................................1-6 1.3.1 研究方法 ....................................................................................................1-6 1.3.2 研究流程 ....................................................................................................1-8 第二章文獻回顧 2.1 屋頂熱傳與節能法規 ........................................................................................2-1 2.2 都市熱島效應與綠化效果 ................................................................................2-5 2.2.1 都市熱島效應成因 ....................................................................................2-5 2.2.2 綠化減緩都市熱島之效果 ........................................................................2-7 2.3 綠屋頂的熱效應 ................................................................................................2-9 2.3.1 綠屋頂的功能 ............................................................................................2-10 2.3.2 綠屋頂覆土層溫度變化. ...........................................................................2-11 第三章實驗計劃 3.1 實驗設計 ............................................................................................................3-1 3.1.1 實驗階段規劃 ............................................................................................3-1 3.1.2 覆土層材料與實驗設備 ............................................................................3-7. Ⅳ-1.

(6) 3.1.3 實驗限制 ....................................................................................................3-11 3.2 實驗誤差與實驗裝置校正 ................................................................................3-15 3.2.1 儀器裝置校正 ............................................................................................3-15 3.2.2 實驗箱體隔熱性能檢驗 ............................................................................3-20 3.3 實驗箱體尺寸確認 ............................................................................................3-27 第四章實驗結果分析與討論 4.1 表土裸露覆土層的熱效應 ................................................................................4-1 4.2 植草覆土層的熱效應 ........................................................................................4-12 4.2.1 假儉草覆土層的溫度變化影響 ................................................................4-13 4.2.2 台北草覆土層的溫度變化影響 ................................................................4-16 4.2.3 百慕達草覆土層的溫度變化影響 ............................................................4-19 4-3 鋪小碎石覆土層的熱效應 ................................................................................4-24 4.3.1 鋪彩繪石覆土層的溫度變化影響 ............................................................4-24 4.3.2 鋪白雲石覆土層的溫度變化影響 ............................................................4-27 4.3.3 鋪海石覆土層的溫度變化影響 ................................................................4-30 4.4 綜合分析與討論 ................................................................................................4-33 4.5 綠屋頂實例量測與比較 ....................................................................................4-49 第五章結論與建議 5-1 結論 ....................................................................................................................5-1 5-2 建議 ....................................................................................................................5-3 参考文獻........................................................................................................................Ⅷ-1 附錄一............................................................................................................................Ⅸ-1 附錄二............................................................................................................................Ⅸ-43. Ⅳ-2.

(7) 表目. 錄. 表 2-1-1 屋頂覆土構造之熱傳透率................................................................................2-4 表 4-1-1 無植草組與無舖小碎石組的土壤濕度量測值................................................4-11 表 4-1-2 無植草覆土層在不同深度的溫度差................................................................4-11 表 4-1-3 植草組實驗箱體下方土壤濕度的量測值........................................................4-12 表 4-2-1 植假儉草皮在覆土層不同深度的溫度差比較................................................4-14 表 4-2-2 植台北草皮在覆土層不同深度的溫度差比較................................................4-17 表 4-2-3 植百慕達草皮在覆土層不同深度的溫度差比較............................................4-20 表 4-3-1 鋪彩繪石覆土層在不同深度的溫度差比較....................................................4-25 表 4-3-2 鋪白雲石覆土層在不同深度的溫度差比較....................................................4-28 表 4-5-1 屋頂綠化案例覆土層溫度測量........................................................................4-51. Ⅴ.

(8) 圖目. 錄. 圖 1-1-1 高雄市的屋頂現況照片....................................................................................1-2 圖 1-1-2 鋪磁磚屋面與草皮表面溫度比較....................................................................1-3 圖 1-3-1 研究流程圖........................................................................................................1-8 圖 2-1-1 台中地區（24°N）各方位日射量 ....................................................................2-1 圖 2-1-2 一般 RC 屋頂常見的隔熱設施作法.................................................................2-2 圖 2-1-3 屋頂透光與不透光構造的熱傳示意圖............................................................2-3 圖 2-2-1 都市熱島效應示意圖........................................................................................2-5 圖 2-2-2. Alexandri 量測之混凝土與草皮之表面溫度分佈.........................................2-8. 圖 2-3-1 綠屋頂表面溫度的逐時分佈............................................................................2-12 圖 2-3-2 在夏天量測之混凝土屋頂與綠屋頂的表面溫度逐時分佈............................2-13 圖 2-3-3 在夏天量測之混凝土屋頂與綠屋頂逐時熱流模式........................................2-13 圖 2-3-4 隨土壤深度而變化的不同性質土壤溫度曲線年變動範圍............................2-14 圖 3-1-1 實驗箱體的實體規劃........................................................................................3-2 圖 3-1-2 第一階段實驗箱尺寸與量測點分布圖............................................................3-3 圖 3-1-3 實驗箱體不同構造方式之隔熱性能量測點分布圖........................................3-4 圖 3-1-4 第二階段實驗設計各組表面覆蓋材料現況照片............................................3-5 圖 3-1-5 第二階段植草覆蓋實驗之各組量測點分布圖................................................3-6 圖 3-1-6 第二階段鋪小碎石覆蓋實驗之各組量測點分布圖........................................3-6 圖 3-1-7 實驗裝置全景....................................................................................................3-7 圖 3-1-8 綠屋頂構造示意圖............................................................................................3-7 圖 3-1-9 土壤粒徑分布圖................................................................................................3-8 圖 3-1-10 主要的實驗設備..............................................................................................3-10 圖 3-1-11 植草組實況照片 ..............................................................................................3-12 圖 3-1-12 鋪小碎石組實況照片......................................................................................3-13 圖 3-1-13 實驗場地全景..................................................................................................3-15 圖 3-2-1 熱耦線數據校正裝置........................................................................................3-17 圖 3-2-2. A 記錄器的測點修正係數 ..............................................................................3-18. 圖 3-2-3. B 記錄器的測點修正係數 ..............................................................................3-19. Ⅵ-1.

(9) 圖 3-2-4 箱體材料各組構成方式平面示意圖................................................................3-20 圖 3-2-5 壁體隔熱性能實驗裝置....................................................................................3-21 圖 3-2-6 第Ⅰ組木板的量測溫度分佈圖........................................................................3-22 圖 3-2-7 第Ⅰ組木板的連續三日量測溫度變化比較....................................................3-22 圖 3-2-8 第Ⅱ組木板+防水防熱油漆的量測溫度分佈圖..............................................3-23 圖 3-2-9 第Ⅱ組木板+防水防熱油漆的連續三日量測溫度變化比較..........................3-23 圖 3-2-10 第Ⅲ組木板+防水防熱油漆加保麗龍的量測溫度分佈圖............................3-24 圖 3-2-11 第Ⅲ組木板+防水防熱油漆加保麗龍的連續三日量測溫度變化比較........3-24 圖 3-2-12 壁體材料各組下表面的量測點溫度比較圖..................................................3-25 圖 3-2-13 壁體材料各組下表面的連續三日量測溫度變化比較..................................3-25 圖 3-2-14 壁體材料第Ⅱ組與第Ⅲ組熱流組成示意圖..................................................3-26 圖 3-3-1 實驗箱平面與量測點配置圖............................................................................3-27 圖 3-3-2 實驗箱對角線(E1)各點的溫度分佈圖.............................................................3-28 圖 3-3-3 實驗箱 E2 各點的溫度分佈圖 .........................................................................3-28 圖 3-3-4. A 組量測位置的土壤溫度變化圖 ..................................................................3-29. 圖 3-3-5. B 組量測位置的土壤溫度變化圖 ..................................................................3-30. 圖 3-3-6. C 組量測位置的土壤溫度變化圖 ..................................................................3-30. 圖 3-3-7 在中午 12 時 A、B、C 三組量測位置的土壤溫度比較圖..........................3-31 圖 3-3-8 在下午 14 時 A、B、C 三組量測位置的土壤溫度比較圖..........................3-31 圖 3-3-9 在下午 16 時 A、B、C 三組量測位置的土壤溫度比較圖..........................3-31 圖 4-1-1A 在實驗箱中心點 8/30~9/2 連續量測之土壤表面溫度全日變化圖.............4-2 圖 4-1-1B 在實驗箱中心點 9/9~9/11 連續量測之土壤表面溫度全日變化圖 .............4-2 圖 4-1-1C 在實驗箱中心點 9/11 連續量測之土壤表面溫度全日變化圖 ....................4-3 圖 4-1-2A 無植草參考組連續數日(10/7~10/10)量測之土壤表面溫度全日變化圖 ....4-3 圖 4-1-2B 無植草參考組連續數日(10/12~10/15)量測之土壤表面溫度全日變化圖 ..4-4 圖 4-1-2C 無植草參考組連續數日(10/16~10/18)量測之土壤表面溫度全日變化圖 ..4-4 圖 4-1-3A 無碎石覆蓋參考組連續數日(10/7~10/10)量測之土壤表面溫度全日變化圖..................................................................................................................4-5 圖 4-1-3B 無碎石覆蓋參考組連續數日(10/12~10/15)量測之土壤表面溫度全日變化圖..................................................................................................................4-5. Ⅵ-2.

(10) 圖 4-1-3C 無碎石覆蓋參考組連續數日(10/16~10/18)量測之土壤表面溫度全日變化圖..................................................................................................................4-6 圖 4-1-4. 9 月 9 日與 10 月 18 日的逐時日射量分佈...................................................4-6. 圖 4-1-5 在 9 月 9 日 12～14 時的無植草覆土層內土壤溫度變化比較......................4-8 圖 4-1-6 在 10 月 18 日 12～14 時的無植草覆土層內土壤溫度變化比較..................4-8 圖 4-1-7 在 10 月 18 日 12～14 時的無舖小碎石覆土層內土壤溫度變化比較..........4-9 圖 4-1-8 無植草組連續 7 日期間在 13 時的土壤溫度變化比較..................................4-9 圖 4-1-9 無鋪小碎石組連續 7 日期間在 13 時的土壤溫度變化比較..........................4-10 圖 4-1-10 無植草組與無鋪小碎石組覆土層的土壤溫度分佈比較..............................4-10 圖 4-1-11 在植草組實驗箱體下方土壤濕度的量測位置 ..............................................4-12 圖 4-2-1 在 10 月 18 日 12～14 時假儉草覆土層內土壤溫度變化比較......................4-13 圖 4-2-2 植假儉草與無植草組覆土層的土壤溫度分佈比較........................................4-15 圖 4-2-3 植假儉草覆土層土壤溫度在不同深度的全日變化圖....................................4-16 圖 4-2-4 在 10 月 18 日 12～14 時植台北草覆土層內土壤溫度變化比較..................4-17 圖 4-2-5 植台北草覆土層對土壤溫度影響的比較圖....................................................4-18 圖 4-2-6 植台北草覆土層土壤溫度在不同深度的全日變化圖....................................4-19 圖 4-2-7 在 10 月 18 日 12～14 時植百慕達草覆土層內土壤溫度變化比較..............4-20 圖 4-2-8 植百慕達草覆土層對土壤溫度影響的比較圖................................................4-21 圖 4-2-9 植百慕達草覆土層土壤溫度在不同深度的全日變化圖................................4-22 圖 4-2-10 草皮覆土層土壤溫度變化的比較..................................................................4-23 圖 4-2-11 在不同草皮內部的溫度全日變化比較 ..........................................................4-24 圖 4-3-1 在 10 月 18 日 12～14 時鋪彩繪石覆土層內土壤溫度變化比較..................4-25 圖 4-3-2 鋪彩繪石覆土層對土壤溫度影響的比較........................................................4-26 圖 4-3-3 鋪彩繪石覆土層土壤溫度在不同深度的全日變化比較................................4-27 圖 4-3-4 在 10 月 18 日 12～14 時鋪白雲石覆土層內土壤溫度變化比較..................4-28 圖 4-3-5 鋪白雲石覆土層對土壤溫度影響的比較........................................................4-29 圖 4-3-6 鋪白雲石覆土層土壤溫度在不同深度的全日變化比較................................4-29 圖 4-3-7 在 10 月 18 日 12～14 時鋪海石覆土層內土壤溫度變化比較......................4-30 圖 4-3-8 鋪海石覆土層對土壤溫度影響的比較............................................................4-31 圖 4-3-9 鋪海石覆土層土壤溫度再不同深度的全日變化比較....................................4-31 圖 4-3-10 鋪小碎石覆土層土壤溫度變化的比較..........................................................4-32 Ⅵ-3.

(11) 圖 4-3-11 在不同小碎石堆內部的溫度全日變化比較 ..................................................4-33 圖 4-4-1 在 9 月 9 日 1～6 時覆土層內土壤溫度的變化..............................................4-34 圖 4-4-2 在 9 月 9 日 7～12 時覆土層內土壤溫度的變化............................................4-34 圖 4-4-3 在 9 月 9 日 13～18 時覆土層內土壤溫度的變化..........................................4-35 圖 4-4-4 在 9 月 9 日 19～24 時覆土層內土壤溫度的變化..........................................4-35 圖 4-4-5 植草皮與鋪小碎石內部溫度全日變化圖........................................................4-36 圖 4-4-6 植草皮與鋪小碎石在覆土層不同深度土壤溫度的變化................................4-37 圖 4-4-7. 9 月 1 日、9 日與 11 日的逐時日射量分佈 ..................................................4-38. 圖 4-4-8. 9 月 1 日在覆土層不同深度的土壤溫度在全日變化圖...............................4-38. 圖 4-4-9. 9 月 9 日在覆土層不同深度的土壤溫度在全日變化圖...............................4-39. 圖 4-4-10. 9 月 11 日在覆土層不同深度的土壤溫度在全日變化圖 ...........................4-39. 圖 4-4-11 在 9 月 1 日 13～18 時覆土層內土壤溫度的變化 ........................................4-40 圖 4-4-12 在 9 月 11 日 13～18 時覆土層內土壤溫度的變化 ......................................4-40 圖 4-4-13. 10 月 7 日、12 日與 18 日的逐時日射量分佈............................................4-41. 圖 4-4-14. 10 月 7 日假儉草覆土層在不同深度的土壤溫度全日變化圖...................4-42. 圖 4-4-15. 10 月 12 日假儉草覆土層在不同深度的土壤溫度全日變化圖.................4-42. 圖 4-4-16. 10 月 7 日台北草覆土層在不同深度的土壤溫度全日變化圖...................4-43. 圖 4-4-17. 10 月 12 日台北草覆土層在不同深度的土壤溫度全日變化圖.................4-43. 圖 4-4-18. 10 月 7 日百慕達草覆土層在不同深度的土壤溫度全日變化圖...............4-44. 圖 4-4-19. 10 月 12 日百慕達草覆土層在不同深度的土壤溫度全日變化圖.............4-44. 圖 4-4-20. 10 月 7 日彩繪石覆土層在不同深度的土壤溫度全日變化圖...................4-45. 圖 4-4-21. 10 月 12 日彩繪石覆土層在不同深度的土壤溫度全日變化圖.................4-46. 圖 4-4-22. 10 月 7 日白雲石覆土層在不同深度的土壤溫度全日變化圖...................4-47. 圖 4-4-23. 10 月 12 日白雲石覆土層在不同深度的土壤溫度全日變化圖.................4-47. 圖 4-4-24. 10 月 7 日海石覆土層在不同深度的土壤溫度全日變化圖.......................4-48. 圖 4-4-25. 10 月 12 日海石覆土層在不同深度的土壤溫度全日變化圖.....................4-48. 圖 4-5-1 夢世代住宅大樓屋頂花園照片........................................................................4-50 圖 4-5-2 首善住宅大樓屋頂花園照片............................................................................4-50 圖 4-5-3 義大醫院屋頂花園照片....................................................................................4-50 圖 4-5-4 現場量測設備照片............................................................................................4-50. Ⅵ-4.

(12) 第一章 1 緒論 1.1 研究緣起近年來地球環境暖化問題已被世界各國重視。這種由於人類毫無節制地消耗能源而衍生的結果是產生大量的二氧化碳，因而讓大氣層中屬於溫室氣體之ㄧ的二氧化碳濃度逐年遽增。其結果是全球溫室效應越來越嚴重，並導致地表氣候開始發生變化，平均氣溫的升高已導致地球環境高溫化，產生南北極冰層溶解、海平面上升現象，以及目前在世界各地的異常氣候，形成對生態環境的破壞，嚴重威脅到生物及人類的生存。除了過量二氧化碳的影響之外，在都市環境中由密集的建築物與縱橫交錯的街道所構成之巨大蓄熱體，其反射與吸收短波長太陽輻射熱並再輻射出本身蓄積的長波長熱的現象，若再加上空氣污染的影響，在都市上空的塵罩已使得進入都市氣候環境中的太陽輻射熱以及由人工熱源釋出的熱量都不易消散，產生都市熱島的現象。. 在減緩都市熱島現象的相關研究課題中，綠地（樹木或植栽）的冷卻作用是相當重要的一部份。綠地冷卻作用能否有效是與綠地面積有直接的關係。事實上，由於建築物和人口的快速增加，都市中的綠地面積或分配比率也被大幅降低，由混凝土或瀝青混凝土之類的不透水鋪面取而代之。如前述，在都市峽谷中大量的建築物表面、不透水的鋪面和道路等都讓城市氣溫下降不易。都市發展愈密集，這種高溫化、乾燥化的都市氣候特性以及都市熱島效應就愈明顯。. 根據歷史記載，屋頂花園最早源起於西元前第 7 世紀巴比倫的「空中花園」。在斯勘的納維亞半島的草皮屋頂或綠屋頂建築也有數世紀的歷史。1868 年巴黎的世界展覽會曾提出以植栽結合屋頂的自然屋頂概念。一直到 1960 年代在德國發展. 1-1.

(13) 的綠屋頂，啟動了綠屋頂的現代趨勢，並且很快的傳到其他國家，例如美國與英國等歐洲國家。在建築物的屋頂或屋面平台進行大規模植栽綠化的主要動機，不但包括讓城市綠化，也包括經由綠屋頂的使用來幫助城市降溫、對抗都市熱島效應，藉以改善在都市環境中愈來愈惡化的都市氣候與空氣品質。. 在都市中，建築物的屋頂是一項未被充分利用的資源。本質上，屋頂取代了城市中絕大部分的土地。若從空中看，屋頂形成了城市的另一種面貌，可以是草原、雨水貯留場所、也可以是景觀花園、蔬果菜園、原生植物庇護地、蝴蝶與鳥類棲息地等，是一種多彩多姿、充滿活力的場所。圖 1-1-1 是由空中鳥瞰高雄市的一部份，密密麻麻的灰色水泥屋頂，構成一副光禿沒有生機、不美觀的城市面貌。若能積極推動「綠屋頂」的建築節能設計，將水泥屋頂改造成綠意盎然且能提供生物多樣性功能的新都市空間，自然可以達成建築與環境共生共榮的理念，讓建築能滿足環保節能要求，成為省能、低負荷、環境共生、舒適健康的居住環境。. 圖 1-1-1 高雄市的屋頂現況照片. 台灣位於亞熱帶氣候區，全年日照充足，夏季高溫炎熱。根據中央氣象局資料，都市最高氣溫曾達 38.8℃（台北），高雄則為 37.2℃。一般建築物經常為了節省經費而忽略建築物的屋頂隔熱設計。在目前大部分的住宅建築其屋頂構造是屬於鋼筋混凝土樓板加上水泥砂漿粉刷以及 PU 防水膜，其總熱傳透率（U 值）大約是 2.83 W/m2‧K，遠大於綠建築設計規範的屋頂 1.2 W/m2‧K。圖 1-1-2 所示之經本研究實際測量的屋頂磁磚表面溫度，在中午 12 時的最高溫度 52.97℃，當時的. 1-2.

(14) 氣溫為 31℃。這種在屋頂表面被太陽照射而產生的高溫，能經由屋頂板而傳導至室內，產生比較高的室內溫度。為了創造舒適的室內居住環境，必須需使用冷氣空調設備來降低溫度，但是如此就導致建築物在夏季對電能使用的節節高昇。. 氣溫磁磚屋面假儉草. 鋪磁磚屋面與草皮表面溫度比較 60 52.97. 55 50 溫度 (℃ ). 45 40. 39.18. 35 30. 31. 25 20 1. 3. 5. 7. 9. 11. 13. 15. 17. 19. 21. 23. 時間 (hr). 圖 1-1-2 鋪磁磚屋面與草皮表面溫度比較（本研究整理）. 對建築物之節能而言，屋頂隔熱設計顯然是相當重要的。政府在「各類建築物節約能源設計技術規範」中已明定建築物屋頂之隔熱性能，藉以要求建築物減少能源使用，並期望藉由對建築物之屋頂熱環境的改善來減少能源耗用。屋頂熱環境改善的技術包括涼適屋面材料的使用與植栽綠化「綠屋頂」技術或附建屋頂水池（水箱）。在綠屋頂的植栽層構造部份，除了樹木與灌木之類的植物，草皮基本上被視為是最容易取得和比較經濟的綠化材料。草皮屋頂在冬天能保溫，在夏季能隔絕炎熱的太陽，形成冬暖夏涼。聯合國環境計畫的研究結果指出，當城市的綠屋頂面積達到 70%時，整個城市的二氧化碳釋出量將減少 80%，熱島效應將完全消失。一些國外的研究成果也指出，綠屋頂可讓屋頂表面溫度降低 15～40℃，可降低室內溫度 2～10℃。 1-3.

(15) 綜言之，從綠屋頂的相關研究文獻結果可以知道，以綠屋頂隔熱降溫性能為目的之國內外研究，其研究範圍通常都是在屋頂植栽層內部或在其下方的表土層部份，或是室內氣溫受影響的部份。對於綠化之覆土層內土壤溫度的變化並未提供可實際應用或設計參考的數據。這是引起本研究的動機。換言之，本研究是著重於綠屋頂覆土層的土壤部分在夏季的降溫性能探討，以其表土裸露為基礎，配合在其上方增加不同的表面覆蓋物，例如草皮與碎石，研究覆土層內土壤溫度的變化情形。. 1.2 研究目的及內容研究目的. 1.2.1. 本研究的基本課題是日射熱對綠屋頂覆土層土壤溫度的影響，包括綠屋頂覆土層厚度與其上面覆蓋材料對於日射熱量的阻隔性能。經由一系列的實驗量測活動來取得相關數據，研究在綠屋頂覆蓋材料內以及覆土層土壤內的溫度變化，並提供綠屋頂熱性能相關的知識與數據，讓建築師或景觀建築設計人員在進行屋頂綠化設計時可實際運用，也可做為在綠屋頂領域的後續研究參考。本研究之目的彙整如下：一、彙整並探討國內外的綠屋頂研究文獻，提出那些研究的觀點與成果，建立綠屋頂研究的參考架構。二、建立日射熱能對覆土層土壤溫度變化影響的實驗模式。實驗裝置包括三種情況：表面無覆蓋物，種植三種草皮（假儉草、台北草與百慕達草），鋪三種小碎石材（彩繪石、白雲石與海石）。三、提出對實驗誤差消除的必要操作程序。. 1-4.

(16) 四、探討在三種情況下，包含表面無覆蓋物，種植三種草皮（假儉草、台北草與百慕達草），鋪三種小碎石材（彩繪石、白雲石與海石），日射熱能對覆土層土壤溫度的影響，以及土壤內部溫度的變化情形。五、瞭解在不同天候條件下，對於覆土層表面有無覆蓋物之各種情況，覆土層土壤溫度變化之間的差異性比較。六、提出開闊式綠屋頂設計可採用之較佳土壤厚度。. 研究內容. 1.2.2. 基於上述研究目的，本研究之內容包括綠屋頂與其構造組成以及功能等的文獻資料回顧，特別是在減緩都市熱島現象部分的相關資料之蒐集與分析。模擬實驗項目內容的確認是在初期規劃階段的探討重點，再依據設計構想與第一階段實驗數據來決定在第二階段的實驗裝置的設計。其次，有關於選擇實驗環境的部分，在檢視相關天候資料之後，確認在有良好的日射條件的高雄地區，並以國立高雄大學工學院五樓屋頂做為實驗環境建置場所。第三，進行綠屋頂表土覆蓋材料的調查，並配合國內外在過去之相關研究文獻的內容，確定本研究的實驗內容是以覆土層厚度以及在其上植草皮和鋪小碎石為主。在進行日射熱對覆土層土壤溫度影響的實驗之前，實驗裝置的誤差修正方式也被審慎的探討。最後，完成各項實驗的溫度量測、數據整理繪圖並分析，提出研究成果以及綠屋頂覆土層設計之土壤厚度與溫度變化的參考資料。此外，本研究的一些限制說明如下：一、土壤性質，特別是顆粒構成、濕度、土壤分類，並未被列入成為主要考慮事項，反之，是以一般常見的土壤為主。此外，像培養土之類的生長媒介也未被採用。. 1-5.

(17) 二、氣候條件是以夏季為主，不包括冬季月份。這是因為比較炎熱氣候是以夏季居多，雖然在高雄地區的冬季，也時常有較高氣溫的日子出現，但太陽輻射能量還是以在夏季時比較高。三、綠屋頂表層覆蓋物選用的草皮種類只有三種：假儉草、台北草與百慕達草，這些是比較常見的耐旱草種，像韓國草之類的其他草種，因其維護度高而不列入考慮。四、表面覆蓋的小碎石材料只選用三種：彩繪石、白雲石與海石。碎石粒徑小於 2cm。較大粒徑的鵝卵石或大石塊不列入考慮。. 1.3 研究方法及流程研究方法. 1.3.1. 本文採用的主要研究方法包括文獻研究法與實驗分析法二種。分別說明如下：. 一、文獻研究法首先，收集國內外各種與綠屋頂有關的基礎理論與研究成果、量測技術以及在國內的屋頂綠化案例。綜合分析並瞭解與研究目的相關的關鍵問題之後，確認本研究的課題要點，進行方向及實驗裝置的內容要項。在文獻資料分析的過程中，彙整之資料對整體實驗環境和設備的選擇已發揮相當助益。經由對相關研究的限制之探討也有助於本文研究理論與分析基礎的建構。整體而言，文獻回顧的內容包括在世界各地屋頂花園及綠屋頂應用案例技術資料的蒐集，藉以完成案例資料庫的建立與分析，並歸納出與實驗操作相關的基礎知識和設備建置的理論依據。. 1-6.

(18) 二、實驗分析法本研究的實驗方法包括二種：模擬綠屋頂覆土層之實驗裝置量測以及綠屋頂實例的現場量測。在綠屋頂覆土層構造模擬實驗部份再區分為二組，分別為植草覆土組和鋪小碎石覆土組。植草覆土組包含四種狀況：無植草覆土層參考組，以及三實驗組，分別為植假儉草覆土層組、植台北草覆土層組、植百慕達草覆土層組等。鋪小碎石覆土組也區分四種狀況：無鋪小碎石的參考組，以及三組實驗組，分別為鋪彩繪石覆土層組、鋪白雲石覆土層組、鋪海石覆土層組。為讓可能發生的誤差減至最低限度，並確保實驗的可信度，儀器校正與操作程序檢討已被審慎的執行。整個實驗過程是在高雄大學工學院大樓五樓屋頂進行，實驗場所無鄰棟建築遮蔽陽光照射之情形。實驗期間涵蓋不同的天候，由晴朗天空至陰雨天候狀況。實驗裝置的設計已考慮對包括防水隔熱與排水功能。. 1-7.

(19) 研究流程. 1.3.2. 本研究的整個流程如下圖所示。研究緣起研究主題確定研究目的. 文獻回顧文獻資料研究研究範圍與內容確立. 實驗裝置設計實驗規劃設計量測技術規劃. 實驗誤差校正. 儀器校正. 實驗裝置製作. 實驗誤差檢討. 覆土層施作. 數據與儀器修正. No. Yes 第一階段實驗. 第二階段實驗. 表土裸露覆土層實驗. 植草組覆土層實驗. 鋪小碎石組覆土層實驗. 實驗數據分析. 實驗數據整理與分析. 成果探討. 結論與建議. 圖 1-3-1 研究流程圖 1-8. 實例量測.

(20) 第二章 2 文獻回顧. 2.1 屋頂熱傳與節能法規台灣地處亞熱帶氣候環境，在炎熱太陽照射下，建築物屋頂板相較於其他方位的表面，會吸收比較多的日射熱而使表面溫度比較高。圖 2-1-1 顯示，台中地區在夏季時水平面接受的日射量是其他表面的 2 倍以上。在高雄地區建物各表面接受日射量的情況很類似。被屋頂板吸收的熱量經由樓板傳導至室內，讓室內溫度增加。因此，若要降低室內溫度，提供舒適的室內生活空間，建築物的屋頂構造必須要有良好的隔熱設施。. 圖 2-1-1 台中地區（24°N）各方位日射量（資料來源：文獻 A-7）. 在一般的建築物屋頂上常見的隔熱處理方法是鋪設隔熱磚或塗上防水防熱漆，如圖 2-1-2 所示。但上述的隔熱方法，特別是在夏季，屋頂層下方的室內空間溫度還是很高，. 2-1.

(21) 不能符合提供舒適熱環境的要求。因而必須採用其他的隔熱方法來解決屋頂板，特別是採用鋼筋混凝土材料時，高蓄熱和傳熱性能的問題。. （a）屋頂鋪設隔熱磚. (b)屋頂塗防水隔熱漆. 圖 2-1-2 一般 RC 屋頂常見的隔熱設施作法. 都市化導致在城鄉地區之間的都市熱島現象，也讓都市的氣候日益惡化，不論是在熱環境或空氣品質方面。因此，在居住環境中，為了創造室內熱環境的舒適條件，就必須對建築物的熱獲得或熱損失現象有相當程度的暸解。原則上，建築物是經由輻射、對流、傳導等三種基本傳熱方式進行室內或室外環境的熱交換。這三種傳熱方式的存在將視壁體為透光部位或不透光部位而定。如前所述之一般 RC 屋頂構造，基本上都是不透光的構造，因而其傳熱方式是以輻射與傳導為主。也就是，來自太陽的輻射能量與氣溫的熱量，構成太陽輻射空氣（solar-air）溫度，在被樓板吸收之後，有一部份會再輻射回到室外的環境中，另外一部份熱量會經由 RC 材料的傳導，再輻射進入室內空間，讓室內溫度上升，如圖 2-1-3（b）所示。這種熱獲得在夏季，無論是在溫帶或熱帶氣候區，通常會導致冷房需求的產生，讓建築耗電量增加。. 2-2.

(22) 日射熱. 日射熱. To. To Tu1. Tu 屋頂版. 熱傳導熱傳透. 屋頂版. Td1. Td. (a) 透光部位熱流示意圖. (b) 不透光部位熱流示意圖. 圖例： To：大氣溫度. Tu1：不透光部位上表面溫度. Tu：透光部位上表面溫度. Td1：不透光部位保麗龍下表面溫度. Td：透光部位下表面溫度. 熱量大小. 圖 2-1-3 屋頂透光與不透光構造的熱傳示意圖. 我國的建築物節約能源法規目前是屬於建築技術規則的一部份，主要是以建築物外殼設計來達成節約能源之目的。其適用範圍為新建或增建部分之同一幢或連棟建築物，在不妨礙居住環境之安全、健康與舒適條件下，提供建築物節約能源的設計基準。對於建築物屋頂的不透光部分，要求其總熱傳透率（U）應低於 1.2 W/(m2‧K)之基準值。U 值的適用計算公式如下：. Ui . 1 1 / ho   dx / kx  ra  1 / hi. 其中 Ui : i 部位之熱傳透率 [W/( m2‧K)] ra : 中空層之熱阻 [m2‧K/W] ho : 外表面的熱對流係數 [W/( m2‧K)] hi : 內表面的熱對流係數 [W/( m2‧K)] kx : i 部位內第 x 層材料之熱傳導係數 [W/(m‧K)] dx : i 部位內第 x 層材料之厚度 [m]. 2-3.

(23) 為協助建築師檢核其設計之建築物是否符合節約能源的要求，在前述的建築節能設計規範中已表列出屋頂構造之熱傳透率。其中也包括屋頂覆土構造，如表 2-1-1 所示。一般而言，影響熱傳透率數值的因子為材料之熱傳導係數與材料的厚度。大部份材料之熱傳導係數可由相關文獻資料或實驗數據報告中查得。然而在此覆土屋頂構造中，覆土層厚度規定需 50cm 以上才能有表列的熱阻係數值。若先不論上述之熱阻係數數值是否合理，而以建築節能設計的要求以及綠屋頂概念而言，合適的覆土層厚度是多少？這的確是值得進一步的研究或探討。換言之，覆土層厚度在不影響其隔熱性能之下的最佳厚度以及限制條件為何？都是非常有趣的屋頂綠化研究課題。. 表 2-1-1 屋頂覆土構造之熱傳透率. 構. 構造. 造. 編號. 屋頂覆土. 厚度. 熱阻係數. 熱傳透率. dx. 1/kx. Ui=1/R. [m]. [m．K/W]. [W/m2．K]. 外氣膜. ----. 1/23. 覆土 50 ㎝以上. 0.5. 1/ 1.05. 不織布及排水版. 0.02. 0.086. 瀝青油毛氈. 0.01. 1/ 0.110. 水泥砂漿. 0.015. 1/ 1.5. 鋼筋混凝土. 0.15. 1/ 1.4. 水泥砂漿. 0.01. 1/ 1.5. 內氣膜. ----. 1/ 7. 構造大樣. R020. 0.96. （資料來源：文獻 A-1）. 2-4.

(24) 2.2 都市熱島效應與綠化效果 2.2.1 都市熱島效應成因都市環境由於大量人工熱的排出，以及密集的構造體或建築物大部份都使用屬於高蓄熱量且吸熱能力大的材料，導致在都市環境中蓄積熱量的上升。其次，快速的都市化也在都市中造成過度的人為開發，使人工鋪面增多、綠地減少，這些問題導致在市中心溫度高於鄰近郊區的現象。換言之，都市環境的最大特色就是密集的建築物與縱橫交錯的街道，形成所謂的都市峽谷。在這種都市峽谷中充滿混凝土、石材、磚、瀝青混凝土等熱容量大的建材。像這樣的蓄熱體，因為其巨大的再輻射熱能力，若再加上由空氣污染形成的塵罩的影響，使得照射入都市的太陽輻射熱以及由都市中人工建物與熱源設備所釋出的熱量等都不易消散，形成在市區與郊區之間的溫度差異，構成都市熱島現象。都市熱島現象的強弱可以在市中心的最高空氣溫度與在市郊的最低氣溫之間的差值來評估，這種來自於都市熱島現象的溫度差異，稱之為都市熱島效應。. 圖 2-2-1 都市熱島效應示意圖（資料來源：文獻 A-6）. 綜言之，都市熱島效應的成因可以歸納為下列因素影響的結果：. (一) 構造物表面的受熱面積都市中建築物蓄熱效果的增加，主要是因為其受熱面積的大幅增加。照射在建築. 2-5.

(25) 物表面的太陽輻射，除未被吸收而被反射的部份之外，其餘的都會被建築物表面吸收之後再輻射出來。同樣的，像道路、橋樑之類的人工鋪面和構造體，對於入射的太陽輻射熱，也有相同的再輻射熱的現象。在都市地區，特別是在有如峽谷的地區，在密集的建築群與人工鋪面材料之間會相互的吸收被其反射的太陽輻射熱量以及由構造體表面再輻射而出的熱量。因此，在都市地區的構造物，如果有較大的受熱面積，其熱量的吸收、儲存與再輻射機會就越大。. (二) 有效率的排水系統一般的都市都會要求必須具備良好的排水系統，不論是雨水、家庭生活污水或工業廢水都必須經由排水系統被迅速的排放至都市外，避免在都市內的積水氾濫或公共衛生與健康威脅問題的發生。由於水分停留的時間縮短，對於不透水面積居多的都市環境而言，濕度調節機能和蒸發散熱的效果均被大幅度的降低，造成都市的高溫化與乾燥化。. (三) 綠地面積的縮減都市環境的土壤，除了大量的鄰接在建築物週邊的人工地盤之外，由於交通活動的考慮，構築了很多像道路與停車空間設施之類的人工不透水鋪面，相對地減少自然綠地的面積。不透水鋪面阻絕雨水滲透到地下的機會，使土壤的保水性喪失。綠地植栽的減少也使都市依賴植物蒸散作用來調節溫度與濕度的可能性降低。. (四) 服務設備的人工熱源釋出在都市中人工熱源的種類很多，包括商業事務機器、汽機車輛、建築照明、冷暖空氣調節設備等。都市化的人口大量集中讓各種能源，例如燃油、瓦斯、電能的使用量大增。基於能量不滅原理，這些能源的使用最終都會產生熱量。因為服務設備的晝夜不停運轉，自然會使人工熱量在都市環境中持續不斷的累積。當環境 2-6.

(26) 條件不良時，那些累積的人工熱量甚至是在夜間也無法消散。若此，將迫使都市更依賴空調系統來讓居住空間通風或降溫，結果是使都市環境更加惡化，最後形成一種廢熱公害的惡性循環。. (五) 都市的空氣污染由於工業、交通以及服務性設施的存在與對化學物質的使用，在都市的空氣中含有大量的污染物質，例如硫氧化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳、粉塵等。這些粉塵類的污染物會在都市上空形成一層塵罩，覆蓋著都市區域，直接影響都市氣候。由於這種塵罩會阻擋太陽輻射，形成所謂的陽傘效果，使在塵罩下的大氣不易對流，大氣輻射冷卻因而無法發生效用，積聚的熱量和污染物不易擴散，只有在強風下才會流動。其結果是都市的天候總是讓人感覺灰濛濛的，出現塵霧（smog）的日數比郊區多。. 2.2.2 綠化減緩都市熱島之效果植物在陽光的作用下能吸收二氧化碳並釋放氧氣。這種植物本能的光合作用，在過程中能同時吸收太陽光使得在綠化區域周邊之空氣溫度降低，因而能減緩在夏季都市地區之高溫現象。綠色植物對濕度的調節也有很大的幫助，其茂密葉片的蒸散作用可以消耗部分熱量並釋出水汽，因此，若能增加都市綠覆率，對減緩都市熱島將具有很顯著之效果。. 基於上述，綠化是減緩都市高溫化的重要因子。綠化除了可以調節室外的大氣溫度，也能增加對自然水分的涵養，或在降雨時滯留水分。在炎熱乾燥季節，可以增加空氣濕度，降低地表熱量。一些研究結果顯示，例如在加拿大多倫多市區，以電腦模擬使用綠屋頂，若均勻地覆蓋 50%，可減少氣溫 2℃（文獻 C-11）。. 2-7.

(27) 廖鴻一(1999)的研究指出，對都市化的敷地型態在白天時其表面溫度變化結果的比較，其中表面最高溫度及上升速度的順序是道路>建築群>綠色植物敷地。在都市中的綠色植物敷地，其全天的表面溫度變化，大約是在氣溫的 3℃範圍內，對都市熱環境具有穩定氣溫的作用。郭伯嚴(2000)的研究顯示，增設綠地是緩和都市高溫化有效的方法之一。在局部區域內每增加 10％的綠覆率，在夏季夜晚可以有效降低整體區域的溫度約 0.17～0.22℃。. 依據 Alexandri（2006）的研究結果，在裸露的混凝土屋頂，其表面溫度與草皮表面溫度二者之溫度變化曲線，如圖 2-2-2 所示。很明顯的，在 2004 年 8 月 5 日中午，混凝土的表面溫度高達 38℃，而草皮表面溫度約 32℃，在屋頂綠化上方 10cm 與 60cm 位置的空氣溫度遠低於混凝土與草皮的表面溫度，其溫度約 27℃。由此可知，在夏季屋頂綠化後，屋頂上方的氣溫可以維持在一定的溫度範圍內，可以防止都市氣溫因太陽輻射以及高蓄熱材料的影響而逐漸升高，並對都市熱島現象有減緩功能。. 圖 2-2-2. Alexandri 量測之混凝土與草皮之表面溫度分佈（資料來源：文獻 B-1）. 2-8.

(28) 都市環境的密集發展，不透水人工地盤不斷增加，植生、綠地減少，綠地調節微氣候的功能減弱。其次，建築物與人工鋪面的高熱輻射反射與再輻射作用，造成都市地區高溫化現象，形成氣候都市化與都市熱島效應。過去的許多研究已顯示，在屋頂、壁面等部份進行植栽或多層次的立體綠化，可增加都市綠覆率，緩和在夏季都市地區之耗能及高溫現象與都市熱島效應之作用。由於其能提升都市的自然性與保水性，減緩都市的雨水逕流，並創造多樣化的生物棲地，作為生物遷移、築巢、覓食、休憩的生態跳島，因而提也能促進都市的生態系。. 2.3 綠屋頂的熱效應「綠屋頂」是指建築物的屋頂，被部分的或全部的以植栽與土壤覆蓋，或以生長媒介物與植栽覆蓋在屋頂防水層上，形成一種綠化的屋頂。這種綠屋頂能達成對建築物的隔熱降溫、減緩暴雨逕流、增加屋頂壽命、隔音、過濾空氣污染物質與二氧化碳，以及創造生物棲地來改善都巿生態環境，是一種兼顧節能減碳與環境保護的作法。綠屋頂也被稱為生態屋頂、充滿生命的屋頂。綠屋頂通常可區分為兩種不同的型式，分別為密集型（intensive）和開闊型（extensive）綠屋頂。在某些研究的分類中，有可能增加半密集型或半開闊型。密集型式綠屋頂需要經常性的有規律以及精細的修剪維護。開闊式綠屋頂的施工簡易而且建造成本也比較經濟便宜，其覆土層的厚度較薄，又被稱為薄層式綠屋頂。. 本質上，綠屋頂是一種充滿自然概念的想法，對環境也有各種優點，包括在舒適和美學、環境、經濟等面向的效益。因此，綠化的屋頂具有重大的意義，而且其廣泛的優點也超越傳統的屋頂表面。例如，在私人利益方面，包含節省能源成本，延長屋頂壽命，改善美觀等，都可藉由提供給個別的建築物所有人和開發商或經由個人的方式來促進綠屋頂的使用。在公共利益方面，包含暴雨管理，調節都市氣候，生物多樣性和棲地的提供等，也能促使市政當局為獲得更好的生活品質和環境而鼓勵大眾採用綠屋頂構造。 2-9.

(29) 毫無疑問的，德國在目前是全球綠屋頂應用推廣活動的中心。在德國，為了促進綠屋頂的實施而訂定相關的法律，讓綠屋頂的實施成效被迅速擴大。柏林在 1988 年建立鼓勵綠屋頂建造的措施，要求一座新大樓如果佔據太多的空間，為取得建築許可，必須建造綠屋頂。目前在德國有 43％的城市已提供設置綠屋頂的獎勵措施。. 新的綠屋頂尺度的慮因素除了綠屋頂底層厚度、建築與景觀細部以及保存的雨水容量之外，很多的研究活動是集中在降低城市的都市熱島效應，例如加拿大多倫多市特別重視對成本效益的綠屋頂以及其他優良技術的發展。其次，日本的東京市政府也對綠屋頂特別感興趣，以綠屋頂做為減輕都市熱島效應的方法。東京市政府在 2011 年的目標是建立至少 1200 公頃的綠屋頂，將市中心溫度減少 1℃。在加拿大，Environment Canada 的研究發現，綠屋頂能減少 26%的夏季冷房需求，以及 26%的冬季暖房損失。事實上，為因應愈來愈嚴重的氣候變遷影響，全球許多城市都在推動綠屋頂建造的活動。. 2.3.1 綠屋頂的功能綠屋頂功能一般而言可包括（1）隔熱降溫、（2）雨水貯留、（3）CO2 固定或濾除、（4）保護建築屋頂、（5）做為生物棲地、（6）景觀綠美化、（7）園藝和蔬果生產、（8）教育學習、（9）運動休憩、（10）療癒復健等。其中有關於熱效應部份說明如后。. 依據台灣綠屋頂專題網頁的資料，在台北實地量測的結果顯示，在夏季有綠屋頂的建築物，其屋頂表面溫度可以維持在 32℃的恆溫，而在日本的量測結果顯示，在冬季可以維持在 12℃的恆溫。綠屋頂的隔熱保溫作用確實能調節室內溫度，減少被耗用的能源。上述網頁的估計，每 4m2 的草地綠屋頂其降溫效果約為 1 台冷氣機運轉 12 小時的冷卻效果。. 2-10.

(30) 2.3.2 綠屋頂覆土層溫度變化為瞭解綠屋頂覆土層的土壤溫度變化，以下是一些國內外相關研究與案例資料的整理分析的說明。. 嘉義市 228 紀念館其建築物表面有 75％是採取覆土式設計，覆土厚度 30cm，表面種植假儉草。由於是採用開挖土方就地回填的方法，完工後的基地仍保持原本的坡地地形。這種覆土建築類似黃土高原之窯洞民居，具有冬暖夏涼之特色。紅外線影像實測結果顯示，在夏日其覆土屋頂之低莖野草地表面的溫度低於水泥地表面溫度約 5～9℃。很明顯的，屋頂以覆土式設計具有降低熱島效應的功效。實測結果也顯示，當夏季室外溫度為 35~36℃時，室內溫度約可維持在 28～29℃，室內外溫度差約 5～6℃，具有極佳之隔熱防暑功能。（資料來源：文獻 C-2）. 屋頂覆土植栽對日射熱能的控制機制可區分為植物層及土壤層。例如，由鵝掌藤植物提供的熱控制機制有三種：一為樹冠對日射熱能的反射作用、二為樹冠葉片的水分蒸散和潛熱作用、三為樹冠對日射熱能的消耗作用。另外，由土壤層形成的熱阻機制也能減少熱傳遞量。張簡宏裕（2002）對屋頂綠化植栽隔熱效果的實驗結果顯示，植物層所提供之隔熱效果約佔總日射熱能的 80%，土壤層提供的熱阻機制約 20%，只有約 0.4％的總日射熱能夠穿透土壤層到達樓板。. 許瑞銘（2006）對於屋頂綠化改善屋頂熱環境的研究成果，果摘述如下。一、屋頂綠化可降低裸露混凝土平屋頂的表面溫度約 9.4～11.5℃。對於裸露平屋頂表面溫度降低的方式有三種： (一) 在裸露混凝土平屋頂表面覆蓋 15cm 培養土之後，可有效降低表面溫度，平均約 10.3℃。. 2-11.

(31) (二) 若在培養土上方種植台北草，可降低之表面溫度約 9.4℃。 (三) 在培養土上方種植桂花時，可降低的表面溫度約 11.5℃。在植栽方法中，以種植桂花的效果最好，可使平屋頂表面溫度從最高溫 53.3℃降至 35.2℃。二、裸露混凝土平屋頂表面溫度全日變化量高達 21.2℃。若在其上方覆蓋 15cm 培養土後，表面溫度全日變化量降為 10.6℃。種植台北草可使表面溫度全日變化量降為 10.5℃。種植桂花更讓表面溫度全日變化量大幅的下降為 5.1℃。很明顯的，降低裸露平屋頂表面溫度的方法是以種植中密度的桂花最佳，其次為草坪綠化。. 圖 2-3-1 顯示，在中午 13:30，比較屋頂綠化表面溫度與在土壤深度 50mm 處的溫度曲線，二者之溫度差約 20℃。由此可知，屋頂綠化有隔熱降溫功效。在下午 18 時以後，屋頂綠化表面溫度降低，並與當時的氣溫相近。但是，在綠屋頂覆土層深度 50mm 處的土壤溫度明顯高於氣溫，此時的屋頂覆土層提供保溫功效。. 圖 2-3-1 綠屋頂表面溫度的逐時分佈（資料來源：文獻 B-18）. 2-12.

(32) 依據 Liu（2003）的研究結果，裸露混凝土屋頂表面溫度與屋頂綠化表面溫度的逐時溫度變化，請看圖 2-3-2。在中午，裸露混凝土屋頂的表面溫度約 60℃，屋頂綠化的表面溫度約 25℃，兩者溫度差約 35℃。此實驗數據顯示，在夏季屋頂綠化可大幅降低裸露混凝土屋頂之表面溫度。由圖 2-3-3 可知，裸露混凝土屋頂在白天是熱獲得行為，反之，在夜間是熱損失行為。二者相較之下，綠屋頂的熱獲得明顯很小，也使綠屋頂覆土層內土壤溫度維持在一定的範圍內。. （a）混凝土屋頂. (b)綠屋頂. 圖 2-3-2 在夏天量測之混凝土屋頂與綠屋頂的表面溫度逐時分佈（資料來源：文獻 B-9）. （a）混凝土屋頂. (b)綠屋頂. 圖 2-3-3 在夏天量測之混凝土屋頂與綠屋頂逐時熱流模式（資料來源：文獻 B-9）. 2-13.

(33) 圖 2-3-4 說明，以全年長期觀測不同性質土壤在不同深度之溫度變動情形，在土壤表面年平均溫度的變化量約 4～40℃，隨著土壤深度愈深，土壤年平均溫度有趨近於穩定的現象。. 圖 2-3-4 隨土壤深度而變化的不同性質土壤溫度曲線年變動範圍（資料來源：不詳）. 2-14.

(34) 第三章 3. 實驗計劃. 本章說明實驗計劃擬定的所有步驟，包括實驗設計的概念以及實驗誤差校正的具體作法，也包含實驗使用之材料與儀器設備。整個實驗之目的是要確保對後續實驗結果分析之可信度。. 3.1.實驗設計原則上，依據屋頂層構造的熱傳基本原理，以眾所週知的綠屋頂植栽綠化設計概念可改善都市或室內熱環境的文獻資料，在過去有一些國內外的研究已提出與植栽覆蓋層相關成果，但有關於覆土層厚度與植草皮種類或替代的碎粒石鋪面對土壤溫度傳遞的影響目前並無相關的研究成果。因此，本節根據相關的綠屋頂覆土層實例構造來進行實驗設計，藉以模擬綠屋頂的可能構造方式，做為後續實驗的基本設備。 3.1.1 實驗階段規劃為確保實驗的適宜性與數據可靠度，實驗過程區分為兩階段。第一階段的實驗是要探討日射熱能對實驗箱覆土厚度影響的範圍，做為量測點配置的依據。第二階段的實驗是為了探討屋頂植草覆土層之熱效應，是以土壤中溫度分佈或變化情形來探討屋頂植草覆土層相對於日射熱能的被影響程度，包含在覆土層上植草皮與鋪小碎石等不同材質之熱效應的比較分析。. 一、第一階段實驗設計在第一階段的實驗包括兩部份：土壤溫度變化的比較，實驗箱壁體材料隔熱 3-1.

(35) 性能比較。此階段的實驗設計主要是實驗箱之規劃與量測點規劃。. （一）實驗箱規劃實驗箱的內部尺寸為長 100 ㎝、寬 100 ㎝、高 100 ㎝（如圖 3-1-1 所示），實驗箱壁體採用厚度 1.8 ㎝的木心板材料。為能隔絕或減緩外部熱環境潛在因子對實驗箱內部空間之可能影響，在實驗箱體的內外兩側先塗上兩層水性防水塗料，再塗上一層水性防熱塗料，並在內側舖設厚度 2.4 ㎝保麗龍板增加壁體的隔熱性能。其次，考量在實驗場地之屋頂面可能會有反射之太陽輻射熱或屋面之再輻射熱，在壁體外側選用高反射率的白色防水防熱塗料，藉以防止太陽輻射熱對實驗箱內部之影響。在另一方面，為排除積聚在覆土層內多餘的水分，清除可能的潛熱影響，實驗箱體之排水功能已一併考慮。本實驗採用比較簡易的方式在實驗箱體底部鑽孔排水，但在排水孔上方鋪設不織布，防止土壤流失。. （a）實驗箱體外觀照片. （b）實驗箱體內部與熱耦線架設圖 3-1-1 實驗箱體的實體規劃. 3-2.

(36) （二）量測點規劃在此階段的量測點規劃依實驗目的不同而有二種不同方式。分別說明如下：. 1. 土壤溫度變化的比較有關土壤溫度變化的量測點規劃，在初期實驗時規劃四組測點，分別為 A、 B、C、E 組。A 組位置在實驗箱中心點（距離實驗箱兩側邊界 50 ㎝）、B 組位置距離實驗箱兩側邊牆 30 ㎝、C 組位置則距離實驗箱兩側邊牆 10 ㎝。在 A 組、B 組與 C 組中，每組是沿其深度在每一個距離 10 ㎝處設置一量測點，因此，每組有 11 個測點。這三組量測點的主要目的是要瞭解覆土層深度不同時的溫度變化。但 E 組的測點又可分為二組：E1 與 E2 組。E1 組的測量是沿著箱體平面的對角線排列。每一測點的距離為 5 ㎝，共有 15 點。E2 組的測點排列是垂直於壁體表面，每一測點距離 5 ㎝，共有 11 點。 E1 與 E2 組測點位於實驗箱深度 20 ㎝處，請看圖 3-1-2。. C. B. A E. 土壤. 木心板 A. 土壤. E2. B C. E1. 屋頂面. （a）實驗箱平面圖. （b）實驗箱剖面圖. 圖 3-1-2 第一階段實驗箱尺寸與量測點分布圖. 3-3. 保麗龍板.

(37) 2. 實驗箱壁體材料隔熱性能比較 D 組為量測實驗箱體材料構造之隔熱性能（如圖 3-1-3 所示），其主要目的在於瞭解實驗箱體採用不同材料時的隔熱性能。D 組有六個量測點，分別設置在三種不同構造之內側與外側的中央。. D組. 1.8 ㎝厚木心板. 木心板+防水防熱漆+ 保麗龍(2.4 ㎝厚). 木心板+防水防熱漆. （a）平面圖已塗防水防熱漆. 1.8 ㎝厚木心板. 保麗龍(2.4 ㎝厚) （b）剖面圖. 圖 3-1-3 實驗箱體不同構造方式之隔熱性能量測點分布圖. 二、第二階段實驗設計此部份是依據在第一階段的實驗結果來決定第二階段的實驗箱尺寸以及量測點的數目。. （一）實驗箱規劃由於第一階段實驗結果顯示在覆土層深度 20 ㎝以下之土壤溫度幾乎是維持在一定的數值，也就是土壤溫度的變化量不大，因而可以推論，太陽輻射熱能對覆土層土壤溫度的影響範圍是在深度 20 ㎝之內。因此，第二階段的實驗箱內部尺寸為長 100 ㎝、寬 100 ㎝、高 50 ㎝。 3-4.

(38) 同樣的，依據在第一階段的實驗結果，若選擇在箱體中心點半徑 25 ㎝內設置量測點時，可同時在箱體平面的四個象限內使用不同的覆蓋材料來進行比較或分析。在第二階段的實驗包括三種不同的草皮與三種不同的小碎石材料。. 在植草皮覆蓋部份，四組實驗包括無植草組的對照組，以及植假儉草組、植台北草組和植百慕達草組的三組實驗組。為瞭解植草皮與鋪小碎石材料對覆土層溫度變化影響之差異，本研究也進行鋪小碎石材料對覆土層熱效應的量測。鋪小碎石材料部份的四組實驗包括無鋪碎石材料的對照組，以及鋪彩繪石、鋪白雲石與鋪海石的三組實驗組（請看圖 3-1-4）。. （a）植草皮四組照片. （b）鋪小碎石四組照片. 圖 3-1-4 第二階段實驗設計各組表面覆蓋材料現況照片. （二）量測點規劃基於上述，土壤溫度量測點的規劃，在植草皮部份共有四組，分別為無植草組、植假儉草組、植台北草組、植百慕達草組。在鋪小碎石材料部份也有四組，分別為無鋪碎石組、鋪彩繪石組、鋪白雲石組、鋪海石組。不論是植草皮或鋪小碎石材料，量測點位置設定在實驗箱平面的對角線上，距離中心點. 3-5.

(39) 25 ㎝。在覆土層中，每組的量測點配置是沿著深度每距離 5 ㎝處設置一點，每組共有 11 個測點（詳圖 3-1-5、圖 3-1-6）。. 無植草百慕達草. 台北草. 無植草. 假儉草. 植草皮. 屋頂面. （a）實驗箱平面圖. （b）剖面圖. 圖 3-1-5 第二階段植草覆蓋實驗之各組量測點分布圖. 海石. 無鋪碎石. 白雲石. 無鋪碎石. 鋪小碎石材. 彩繪屋頂面. （a）實驗箱平面圖. （b）剖面圖. 圖 3-1-6 第二階段鋪小碎石覆蓋實驗之各組量測點分布圖. 3-6.

(40) 圖 3-1-7 實驗裝置全景. 3.1.2 覆土層材料與實驗設備圖 3-1-8 為一般常見之屋頂構造示意圖。其中之植栽與土壤層部份，對減緩都市熱島效應有相當程度的貢獻（視其性質而定）。本實驗採用之土壤與草皮或小碎石的基本要求說明如后。. 圖 3-1-8 綠屋頂構造示意圖（資料來源：American Wick Drain Corp）. 3-7.

(41) 一、覆土層材料（一）土壤綠屋頂構造之覆土層材料通常會使用一般土壤或培養土（輕質土壤之類的材料）。對於開闊式綠屋頂，此部份的覆土層其厚度大多在 5 ㎝～15 ㎝之間，這是因為開闊式綠屋頂通常使用在比較寬闊而且不需要綠化維護的屋頂上，不同於需要經常維護的密集式屋頂花園型式的綠屋頂類型。本研究選用一般常見的普通土壤，並進行土壤篩分析，土壤粒徑分布狀況請參考圖 3-1-9。. 100. 80. (%). 60. 40. 20. 0 5. 2. 1. 0.5. 0.2. 0.1. 0.05. 0.01 0.005. (mm). 圖 3-1-9 土壤粒徑分布圖. （二）草皮如前述，本研究是以開闊式綠屋頂為研究對象，因此草皮必須具有耐旱、低維護之特性。依據「景觀植物造園應用實例」（薛聰賢，2003）的內容，本研究採用假儉草、台北草與百慕達草。這三種草皮的特性是耐旱、耐暑、耐刈、耐踏、四季常綠。草皮高度可控制在 5 ㎝。（三）小碎石在一般的屋頂花園經常可見鋪小碎石材料的庭園造景設計方法。在某些傳統的屋頂層構造中，會以碎石來取代覆土層和植栽。由綠建築的觀點，以碎石替代植栽也具有保護表層土壤不被雨水沖刷和防止土壤水份蒸發而乾枯的功 3-8.

(42) 能。因此，本研究也同時探討草皮和碎石層的效果。小碎石材料的選用通常是考量外觀部份，例如美感、顏色、顆粒大小等，並未涉及個別石材的熱性質部份。本研究選用常見的市售景觀造景用小碎石，像彩繪石、白雲石與海石等。. 二、實驗設備本研究所使用之儀器設備包含攜帶式熱電耦溫度計、K-TYPE 熱耦線、 CAMPBELL SCIENTIFIC CR10X 資料記錄器、土壤濕度計等。（一）攜帶式熱電耦溫度計攜帶式熱電耦溫度計用於現場的溫度量測。量測溫度範圍為 0℃～150℃。準確度±0.8℃。（二）K-TYPE 熱耦線 K-TYPE 熱耦線用於溫度量測，可連接至資料記錄器或熱電耦溫度計。溫度測量範圍為-40℃～350℃。準確度±0.5℃。（三）資料記錄器 CR10X 資料記錄器有 2 台，用於記錄量測之溫度數據。此 2 資料記錄器的接收頻道均已擴充。資料記錄器 A 可接 41 個量測點，連續記錄 60000 筆資料。測定間隔為每 5 分鐘記錄 1 次。資料記錄器 B 可接 68 個量測點，連續記錄 60000 筆資料，測定間隔為每 5 分鐘記錄 1 次。（四）土壤濕度計土壤濕度計用於量測土壤濕度，量測範圍 0％～50％。最大測量深度 20 ㎝。準確度±3.0％。. 3-9.

(43) （五）熱耦線焊接機熱耦線焊接機用於熱耦線之線頭連線的焊接固定。焊接後必須確實檢查是否牢固。也可將焊接完成之熱耦線與熱電耦溫度計連接，測試其可否讀取量測的溫度。. （a）熱電耦溫度計. （b）K-TYPE 熱耦線. （c）CR10X 資料記錄器 A. （d）CR10X 資料記錄器 B. （e）土壤濕度計. （f）熱耦線焊接機圖 3-1-10 主要的實驗設備 3-10.

(44) 3.1.3 實驗限制一般而言，影響覆土層溫度梯度變化的因子有很多，包括覆土層厚度、土壤種類、土壤密度、土壤含水率、覆土層的覆蓋材料、太陽日射量、實驗場地微氣候條件等。由於本研究是以探討日射熱能對覆土層熱效應的影響，但因植草或鋪小碎石材料的存在而發生的變化為主。在實驗過程中可能面對的一些限制問題，以及本研究的選擇考量等分別概述如下：. 一、氣侯條件原則上，在亞熱帶或熱帶氣候區的日射強度與氣溫，除了冬季之外，幾乎都是相當的高。但因季風或梅雨或颱風的存在而會發生戲劇性的變化，例如在台灣地區的高雄與台北，逐日的日射強度與溫度分佈有非常明顯的差異。這些改變對覆土層內土壤溫度的分佈當然也會有某種程度的影響，但變化的趨勢還是有一定的模式。本研究是以南台灣的酷熱氣候為主，因此選擇高雄地區。實驗進行時間是在民國 97 年 8 月至 10 月期間。雖然沒有整年觀測的完整資料，但以炎熱氣候而言，還是具有代表性意義，能說明最差情況時的變化情形。. 二、植草種類草皮種類、植草高度及植草密度都有可能影響覆土層的土壤溫度變化。其中的草皮種類特別重要，因為其生長高度和密度的需求會導致綠屋頂維護的問題。由於本研究是以開闊式綠屋頂為研究對象，依據在台灣地區常用的草皮種類，本實驗採用具有耐旱性高與低維護度優點的假儉草、台北草與百慕達草。植草高度則控制在 5 ㎝。植草密度可能因定義不同而有錯綜複雜的爭議，本實驗是以草皮生長茂密且能完全覆蓋覆土層表面即可。其他的草種與不同. 3-11.

(45) 植草高度不在本研究範圍內。（請看圖 3-1-11 的 a~f). （a）假儉草照片. （b）假儉草側面照片. （c）台北草照片. （d）台北草側面照片. （e）百慕達草照片. （f）百慕達草側面照片. 圖 3-1-11 植草組實況照片. 3-12.

(46) 三、石材種類在屋頂花園的庭園造景設計中，常見在屋頂覆土層表面以小碎石或卵石材料鋪設作法，本實驗以小碎石為主，採用在景觀設計常用的彩繪石、白雲石與海石等三種。石材鋪設高度控制在 5 ㎝，並以完全覆蓋覆土層表面為原則。其他種類的石材與不同鋪設高度不屬於本研究的範圍。（請看圖 3-1-12 的 a~c）. （a）彩繪石照片. （b）白雲石照片. （c）海石照片圖 3-1-12 鋪小碎石組實況照片 3-13.

(47) 四、土壤種類本研究是以一般常見的土壤為主。其他種類的土壤，例如培養土之類的不同生長媒介，可能會有不相同的結果，但不在本研究的範圍內。. 五、土壤濕度土壤濕度由於其蓄積的潛熱量效果，必然會影響土壤溫度的升高或降低至某一程度。其次，土壤濕度亦受微氣候條件的影響，例如日射量強弱、水分蒸發率、水份滲透率、風速的強弱以及表面覆蓋物質等因素影響。為確保實驗數據是可信賴的，本研究選擇將土壤濕度控制在一定範圍內，並在實驗期間以土壤濕度計來量測，依據取得之數據來分析實驗成果的可信度。. 六、場地限制本實驗在國立高雄大學工學院五樓屋頂進行。其周圍相當開闊，沒有鄰棟建築的太陽遮蔽問題，自然通風條件良好。為避免原有建築屋頂板蓄熱的影響，實驗箱提高 30 ㎝，因此無局部熱沉降的熱蓄積問題。（請看圖 3-1-13）. 總之，本研究是以高雄市的氣候環境為主，特別重視太陽輻射熱的影響。對於地區性的差異，例如降雨、風速、熱沉降環境等不屬於本研究範圍。本研究是在上述的限制條件下完成。. 3-14.

(48) 圖 3-1-13 實驗場地全景. 3.2.實驗誤差與實驗裝置校正無論是何種實驗的量測方法，一定會有誤差存在於其中。為確保並提高實驗結果之信賴度，必需盡可能的消除各種潛存的實驗誤差來源。造成實驗誤差的來源可分類成實驗儀器誤差與量測作業誤差二種。在實驗儀器誤差方面，通常是指來自實驗系統的誤差，在實驗設計階段應盡可能的將這種系統誤差消除或降至最低限度。在量測作業誤差方面，通常是來自量測設備的裝置環境或數據讀取的方法。因而可能會在相同的不同測點發生不同的量測數據差異。總之，必須在實驗前盡可能找出誤差可能會發生的原因，經由校正作業來消除誤差，防止因誤差的產生而影響實驗數據之準確性。. 3-15.

(49) 3.2.1 儀器裝置校正本實驗採用熱耦線來量測溫度。熱耦線依所需的長度裁剪之後，必須使用焊接機將熱耦線之線頭焊接固定。在焊接完成後必須再確保線頭不會脫落，防止其在實驗的安裝或量測期間時發生分離脫落，導致無法量測溫度的問題。其次，在進行熱耦線與資料記錄器連接作業時，必須確認已將線頭完全插入線孔裡，避免將熱耦線金屬裸露部份暴露於空氣中，防止因儀器箱內熱環境和線材安裝而產生的誤差。. 雖然本實驗採用之熱耦線其標準之誤差值是±0.5℃，若相對於量測的溫度，其相對誤差是可以被忽略的，但為求慎重與避免在進行數據比較時有偏差的問題發生，在將所有的測點熱耦線安裝完成之後，本研究已選擇在溫度、溼度、風速、日射等環境條件都相同的空間內進行儀器測點讀取值的校正。主要目的是為了瞭解在各測點取得之量測溫度值的差異情形。經由對各個量測數據的比較來求得在各測點數值之修正係數，做為對日後的量測數據之修正，可確保所有的實驗數據之準確度。. 在本實驗中使用之資料記錄器有二台：A 記錄器與 B 記錄器。在進行儀器測點數值校正時，採用的方法是先將所有的熱耦線測點整齊排列在同一平面上（如圖 3-2-1 所示），再將取得之量測數據加以比較，求得在各測點數據之修正係數（如圖 3-2-2、圖 3-2-3 所示）。B 記錄器的數據修正是以在 A 記錄器的同一基準測點的數據為主。最後，在本實驗中所呈現之實驗數據皆已使用獲得之修正係數來修正，做為進行後續相關分析作業的依據。. 3-16.

(50) （a）熱耦線測點排列. （b）熱耦線與資料記錄器的連接. （c）進行數據比較的電腦畫面圖 3-2-1 熱耦線數據校正裝置. 3-17.