屋面綠化節(jié)能技術研究進展

李芳濤，魏格連

（湖南工業(yè)大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

0 引言

全球氣候變暖和城市規(guī)模擴張造成了城市熱島效應等環(huán)境問題，為了改善這一現(xiàn)狀，目前很多國家都在不斷優(yōu)化城市建筑（尤其是圍護結構）的配置。屋面作為建筑的“第5立面”，占城市總表面的20%～25%[1]，是接收太陽輻射最多的建筑圍護結構。因此，研究屋面保溫隔熱是十分必要的。本文通過回顧國內(nèi)外學者對屋面綠化技術的研究，總結屋面綠化結構參數(shù)對屋面綠化節(jié)能效果的影響，以期為屋面綠化技術在我國的推廣提供依據(jù)。

1 屋面綠化的發(fā)展情況

屋面綠化通常由以下部分組成（由上到下）：植被層、基質層、濾布、排水層、阻根層和隔熱層[2]，如圖1所示。屋面綠化主要利用植被層的遮擋作用、光和作用、蒸騰作用，以及基質層的水分蒸發(fā)作用等，減少屋面對太陽輻射的吸收，降低屋面溫度，削弱屋面向室內(nèi)的傳熱，提高建筑圍護結構的熱工性能[3-4]，以此降低建筑能耗，緩解城市熱島效應，如圖2所示。

圖1 屋面綠化的典型結構（Fig.1 Typical structure of the green roof）

圖2 屋面綠化傳熱過程（Fig.2 Heat transfer process of green roof）

屋面綠化在國內(nèi)外的應用日趨廣泛，德國、美國、加拿大、澳大利亞、新加坡等國大力倡導在新建建筑和既有建筑中打造屋面綠化。目前，德國10%的建筑采用了屋面綠化技術；2005年，美國波特蘭市大約有2英畝的屋面綠化[5]；加拿大多倫多市頒布了《屋面綠化章程》規(guī)定，要求面積大于2 000 m2的新建建筑，屋面綠化必須占總屋頂面積的20%～60%；韓國政府鼓勵公共部門、民營企業(yè)和開發(fā)商應用屋面綠化，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[5]；日本東京相關法規(guī)要求新建建筑必須使用屋面綠化，以此推動了亞洲國家屋面綠化的進程[6]。

自20世紀90年代起，我國開始倡導營造屋面綠化來降低建筑能耗、改善城市熱環(huán)境的理念，對屋面綠化的推廣主要以一線城市為主[7]，各大城市相繼出臺了《北京屋頂綠化規(guī)范》《成都市屋頂綠化及垂直綠化技術導則》等相關標準[8]。2012年，上海首次將立體綠化示范項目納入建筑節(jié)能項目專項扶持范圍[9]。我國屋面綠化技術起步較晚，在借鑒國外的成功經(jīng)驗的同時，要因地制宜建造低成本低、創(chuàng)新高效的屋面綠化。

2 屋面綠化結構參數(shù)對節(jié)能效益的影響

2.1 植物種類

屋面綠化對節(jié)能效益的影響不容忽視，而影響屋面綠化熱工性能的主要參數(shù)為植被層和基質層[10]。植被的類型及特性決定了遮蔭水平，影響對基質的熱量傳輸；而基質層的厚度和特性，決定了屋面綠化的熱容，以及向建筑物的熱傳導。

屋面綠化植被的特點是：高度抗旱、無需定期灌溉、維護少及植物根短。植物是屋面綠化中不可或缺的一部分，它利用遮陽、蒸騰和光合作用降低通過屋頂表面的對流和輻射傳熱。植物間的節(jié)能效益存在差異，主要是由于植被層形成的附加熱阻不同[11]，在同一環(huán)境中，不同植被的冠層溫度不同。Jim[12]在香港的研究發(fā)現(xiàn)，花生的蒸騰速度比景天快，可以顯著冷卻上方的近地空氣溫度和葉面溫度，但其蒸發(fā)冷卻效果是單向的，不能冷卻下方的基質層溫度。由于花生地具有高持水能力，產(chǎn)生了熱沉效應，推動熱量向下，造成了花生地的室內(nèi)冷負荷高于景天地。MacIvor等人[13]通過研究也得到類似結果，種植景天的降溫效果比草更好。在不同的氣候條件下，景天科表現(xiàn)良好、對維護要求低、抗旱性能強，因此在粗放型屋面綠化中，景天科備受關注[14]。

部分地區(qū)沒有景天科植物，可以選擇合適的本地植被，選擇適應當?shù)貧夂驐l件、且易被獲取的本地植被，以便更好地發(fā)揮屋面綠化的優(yōu)勢[15-17]。Schweitzer等人[18]在研究地中海氣候下本地植物對室內(nèi)氣溫的影響中發(fā)現(xiàn)，露草屬的降溫效果顯著，且所需灌溉少，最適合地中海氣候。

綜上所述，景天科植物的節(jié)能表現(xiàn)良好，但對于適應了當?shù)貧夂虻闹参飦碚f，其節(jié)能力也不容忽視，且本地植物能增加生物多樣性，具有更大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。未來的研究重點為：量化當?shù)刂参锼鶐淼膶嶋H經(jīng)濟效益，研究植物耗散途徑的作用，制定適合本地的屋面綠化指南。

2.2 植物特性

植物葉面積指數(shù)（LAI）表征植物覆蓋建筑表面積的大小，通常取值范圍為0.5～5.0。LAI能夠反映植物蒸散和太陽能到達土壤表面的程度[19]。近年來各國學者關于LAI與屋面綠化能耗關系的研究見表1[20-22]。由表可知：LAI越大越有利于屋面綠化在夏季的熱工性能；LAI越小冬季供熱能耗越小。

表1 LAI與屋面綠化能耗關系的研究結果（Tab.1 Research results on the relationship between LAI and roof greening energy consumption）

Yaghoobian等人[23]指出，植被覆蓋率影響植物的遮陽效應和蒸發(fā)效應，植被覆蓋率越高，基質層表面溫度越低。Alcazar等人[24]使用ENVI-met V4（城市氣候模擬軟件）模擬屋面綠化的微氣候調節(jié)能力，研究發(fā)現(xiàn)，葉片密度（LAD）高，冠層內(nèi)的蒸散增加，提升了屋面綠化的冷卻效果。有研究指出，在炎熱氣候或溫暖氣候條件下，植物葉面積大小對減少建筑冷負荷起到至關重要的作用[19]。Umberto[14]研究發(fā)現(xiàn)，屋面綠化對城市微氣候的冷卻作用隨著LAI的增加而增強，且屋面綠化的LAI越高，建筑的冷負荷越少，節(jié)能效果更佳。植被覆蓋率的作用易受屋面隔熱影響。Yaghoobian等人[23]模擬在隔熱效果不同的建筑上安裝屋面綠化，結果表明，建于1980年前的建筑隔熱差，對能源的需求更易受植被覆蓋率的影響。

表1中不同研究者得到的結果有所不同，這是由于氣候狀況、屋面綠化構造及所安裝的原始屋面隔熱存在不同?？傮w而言，在夏季應關注植物的生長，提高植物覆蓋率；在冬季尤其是晴天，應及時修剪植物葉片，避免植物葉面積指數(shù)過大。以上研究均在LAI恒定的情況下開展的短期實驗模擬。

Zhou等人[25]改進了1種適用于年度模擬、LAI可變的屋面綠化數(shù)學模型，經(jīng)實測證明，改進后的模型更加準確，可以應用于不同氣候區(qū)域?？紤]植物生長、環(huán)境因素對LAI的作用，開發(fā)適用于各種氣候的變LAI模型，能更好地確定植物特性對節(jié)能效益的長期影響。

2.3 基質層厚度

按基質層厚度，屋面綠化可分為粗放型和集約型這2種[26]。前者主要是為了美觀和生態(tài)效益而開發(fā)，不是為了公共用途，此類屋面綠化建立在較薄的土壤上（厚度小于15 cm），平屋頂?shù)慕ㄖ锞稍O置，且設計要求維護少（每年1～2次）。后者通常是為娛樂而設，其土壤厚度為20～200 cm，需要特殊的屋面結構支撐，因此必須將其作為建筑初始設計的一部分[27]。安裝粗放型屋面綠化對屋面的要求更低，因此更受人們歡迎。

基質層提供的隔熱作用取決于其厚度和含水量。近年來關于基質層厚度對屋面綠化節(jié)能效益影響的研究參見表2[20-21,28-31]，由表可看出2種截然不同的結論。部分研究表明，基質層厚的節(jié)能效果優(yōu)于基質層薄的，另一部分研究發(fā)現(xiàn)基質層越厚，屋面的隔熱能力越強，增加了建筑能耗。這主要是由于在夏季，室外天氣炎熱，如基質層厚，能降低太陽光的照射強度，減少制冷能耗；室外天氣涼爽時，房間內(nèi)不易散熱，增加了制冷能耗。同理在冬季，室外氣溫低時，如基質層厚，能避免室內(nèi)熱量流失，減少供熱能耗；室外氣溫高時，室外熱流不易流入室內(nèi)，增加了供熱能耗。為解決夏季屋面綠化的反向傳熱問題，可增加通風設施，加速散熱；為克服冬季吸熱少的問題，可加設太陽能吸熱裝置，彌補屋面綠化的缺陷。

表2 基質層厚度對屋面綠化節(jié)能效益影響的研究結果（Tab.2 Study on the effect of substrate thickness on energy saving efficiency of roof greening）

2.4 基質層含水量

土壤的熱性能，如導熱性、熱容及擴散率，均會隨土壤濕度而變化，影響屋面綠化的節(jié)能效果。當基質從干燥轉變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)時，熱導率和比熱容均有顯著增加[32]。Pianella等人[33]采用穩(wěn)態(tài)技術，發(fā)現(xiàn)基質熱導率隨水分的增加而增大。屋面綠化的主要散熱方式是蒸發(fā)和凈長波輻射，而蒸發(fā)的強度取決于土壤水分含量[34]。Jim等人[35]通過每日定期灌溉綠色屋頂，觀察到土壤水分可以儲存能量、抑制晝夜溫度波動并維持屋面蒸發(fā)。Lazzarin等人[36]發(fā)現(xiàn)，基質層在含水率高的情況下，可以大幅減少傳入室內(nèi)的熱量，甚至使得熱量由室內(nèi)傳向室外。楊真靜等人[37]也得出相同的結論，屋面熱流密度與土壤濕度呈負相關，而隔熱能力與土壤濕度呈正相關。

研究表明，基質層含水量越大，屋面綠化的隔熱效果越好，但耗費的水資源越多，成本也越高。因此，應根據(jù)植物特性及當?shù)貤l件，維持適中的基質層含水量?；|層含水量是影響植物生長狀態(tài)的重要指標，但目前，未充分研究基質層含水量與植物生長狀況的相互作用，導致研究結果與實際情況存在誤差。

3 結論

本文概括了近5年來國內(nèi)外學者對屋面綠化節(jié)能技術的研究成果，發(fā)現(xiàn)作為附加隔熱，屋面綠化減少了通過屋頂結構的熱流，降低了制冷供熱能耗。其中，植物種類、葉面積指數(shù)、基質層厚度、含濕量等參數(shù)對屋面綠化的節(jié)能性有顯著影響。夏季耐旱、葉面積指數(shù)高，以及冬季植被覆蓋率低的植被，能最大限度地減少建筑能耗?；|層厚度的增加，能減少冬季熱負荷，但其對于夏季冷負荷的影響，結論存在差異?；|層含濕量越高，屋面的蒸發(fā)冷卻效應越好，有利于屋面的保溫隔熱。

屋面綠化是減少建筑能耗的有效措施，但仍存在許多限制其使用的因素，對屋面綠化在節(jié)能的技術研究提出以下建議。

（1）目前，關于屋面綠化節(jié)能效果的研究文章僅關注幾個典型的氣候區(qū)域。在美國、澳大利亞、歐洲和少數(shù)亞洲國家，粗放型屋面綠化是1項成熟的技術。但在發(fā)展中國家，對屋面綠化的研究非常有限。因此，其他國家/地區(qū)只能選擇進口屋面綠化部件，但由于存在適應性等問題，導致最終失敗?？紤]到每個國家均有不同的氣候條件和城市化形式，開展本地研究至關重要，包括準備生長基質并篩選本地植物，以便在各個地區(qū)成功地實施適合本地區(qū)的屋面綠化。

（2）復合型屋面綠化能夠改善傳統(tǒng)屋面綠化不足的問題，將被動冷卻系統(tǒng)或主動冷卻系統(tǒng)與屋面綠化相結合，并驗證其節(jié)能效果和適用性。Bollman等人[38]在屋面綠化設計中加入遮蔭設施，以增大屋面反照率，降低了日間的峰值溫度，同時保留了植物群的功能，有效地結合了涼爽屋面和屋面綠化的優(yōu)點。另有研究人員集成輻射冷卻系統(tǒng)與屋面綠化，并在中東和亞洲地區(qū)實施該技術，證實了在炎熱氣候下，該技術可以顯著地提高室內(nèi)外的熱舒適度，極大地增強了屋面綠化的冷卻性能。此外，有研究人員開發(fā)了1種帶有智能通風控制系統(tǒng)的綠色屋頂，改善了屋面綠化在夜間不易散熱的問題[39]。

（3）目前的研究忽略了屋面綠化設計變量之間的相互作用。比如，基質層導熱率、比熱容等，隨基質層含水量的變化而變化。在之后的屋面綠化模型中，要控制多個參數(shù)，以得出更準確的研究結論。

（4）對于屋面綠化的研究，主要集中在室內(nèi)外局部區(qū)域，分析屋面綠化對熱環(huán)境和能耗的影響。但在區(qū)域尺度上，屋面綠化的研究結果不夠全面，仍停留在定性分析層面，缺乏普適性。應掌握屋面綠化對區(qū)域熱環(huán)境的影響規(guī)律，指導屋面綠化在城市區(qū)域中的應用。