綠色屋頂熱效應機理研究進展

侯 婷 楊成建 陳曉育 韓 蕓 胥 昂 張佳榮 白 玙 王昱鈞

西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院 西安 710055

城市綠化是緩解城市熱島問題的重要手段之一,然而隨著我國城市化的快速推進,建筑分布密集,土地資源日趨緊缺,生產(chǎn)用地與生態(tài)用地的矛盾日益尖銳,城市綠化受到極大制約。因此,作為“第五立面”且占據(jù)城市水平表面積約25%的屋頂綠化應運而生,被稱為綠色屋頂。綠色屋頂不僅可以涵蓄雨水、減少徑流污染、降低噪聲、減少空氣污染、增加生物多樣性[1],而且具有很好的熱效應[2]。綠色屋頂熱效應主要包括:在夏天通過遮蔭、蒸散發(fā)等作用降低屋頂表面溫度,削減傳入建筑內部的熱量,減少空調制冷耗能；在冬天通過保溫作用減緩建筑物的熱量散發(fā),削減冷空氣對建筑物的侵入[3]。近年來,綠色屋頂熱效應已經(jīng)成為國內外研究的熱點。因此,文章對近10年國內外有關綠色屋頂熱效應影響因素的研究進行歸納和總結,為我國綠色屋頂技術研究與應用提供參考。

1 綠色屋頂植物層與熱效應

1.1 植物類型與組合方式

綠色屋頂植物夏季的降溫效果會因不同植物采取不同光合策略而產(chǎn)生明顯差異[4]。Cao等[5]研究6種C3、C4、CAM植物在夏季日夜間的降溫和保溫效果發(fā)現(xiàn),在日間C4植物減少熱通量的能力最強,C3植物次之,CAM植物最弱,其冠層溫度甚至高于室溫；在夜間CAM植物顯著降低屋頂溫度,C3和C4植物則無明顯的熱效應。因此,為使綠色屋頂植物日夜間均能夠起到調節(jié)溫度的作用,可以設置不同植物組合以實現(xiàn)目的。

受極端環(huán)境如強風因素影響,植物可利用水分較少,單一型綠色屋頂植物存活率較低,而由資源互補型物種組成的多樣化植物群落,可以更全面、更有效地吸收營養(yǎng)和水分,彌補死亡或因氣候條件暫時處于休眠狀態(tài)的植物帶來的影響,從而提供更佳的綠色屋頂生態(tài)與熱效應[6]。Cook-Patton等[7]研究發(fā)現(xiàn),擁有多種植物的綠色屋頂比設置單一植物的綠色屋頂具有更強的溫度調控能力。Vasl等[8]研究地中海氣候區(qū)下景天屬植物與一年生植物的種間關系發(fā)現(xiàn),雖因競爭致使一年生植物數(shù)量在短期內有所下降,但兩種植物協(xié)同使用則可降低綠色屋頂基質的溫度,為減少熱流進入屋頂發(fā)揮重要作用。

生態(tài)多樣性被認為是提高生態(tài)系統(tǒng)功能的主要驅動力。然而目前,關于增加綠色屋頂植物多樣性是否可以更好地實現(xiàn)綠色屋頂熱效應的研究結論相差較大。有部分研究者[9]認為植物種類越多,物種間的功能差異性越大,植物之間產(chǎn)生拮抗作用,從而削弱綠色屋頂?shù)臒嵝６硪徊糠盅芯空遊10]則認為物種豐富的系統(tǒng)具有更好的功能多樣性,從而提供更好的生態(tài)系統(tǒng)服務。因此,應盡快開展針對不同氣候區(qū)的植物選擇與優(yōu)化組合方案研究,為綠色屋頂建設提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 植物覆蓋率

綠色屋頂?shù)臏囟日{節(jié)能力主要受植物影響,而植物覆蓋率對于屋頂熱效應的影響顯著。隨著綠色屋頂植物覆蓋率的增加,植物冠層增多,葉面積指數(shù)增大,植物對太陽輻射的反射及吸收作用隨之增強,從而達到更佳的建筑節(jié)能和降溫效果,實現(xiàn)綠色屋頂熱效應[11]。研究發(fā)現(xiàn),表土裸露的綠色屋頂所吸收的太陽短波輻射遠遠大于植物全覆蓋的綠色屋頂,差值為83%,而且隨著植物覆蓋率的增加,基質層的顯熱下降,潛熱增加,基質層表面及不同深度處的溫度均有不同程度的下降[12]。

Bevilacqua等[13]通過實驗比較植物覆蓋率為10%和80%的綠色屋頂?shù)臒嵝?發(fā)現(xiàn)由于綠色屋頂基質層的厚度普遍較小,保水能力有限,植物數(shù)量過多會導致水分供應不足,進而威脅植物生存,導致綠色屋頂很難發(fā)揮其調節(jié)小氣候的作用。這也意味著并非綠色屋頂植物覆蓋率越高,熱效應越好。

除此之外,綠色屋頂植物覆蓋率將隨著季節(jié)、降雨等氣候條件動態(tài)變化,春秋季植物長勢大多較好,具有較高的覆蓋率；冬季大多數(shù)植物進入休眠期,植被覆蓋率顯著下降,進一步影響了綠色屋頂?shù)臒嵝?/p>

2 綠色屋頂基質層與熱效應

2.1 基質類型

不同的基質類型因其粒度分布、總孔隙度、容重、飽和水力導電性、排水及持水能力、可溶性鹽等參數(shù)相異,對于植物生物量及生長狀況會產(chǎn)生不同程度的影響。綠色屋頂基質的顆粒密度、孔隙率以及持水能力顯著影響基質層內的導熱傳熱作用,直接決定進入建筑物內部的熱量。Sandoval等[14]比較砂壤土、珍珠巖＋泥炭、碎磚塊＋粘土及礦質土混合物4種基質材料的傳熱性能,發(fā)現(xiàn)礦質土混合物有更好的隔熱性能,能降低屋頂約80%的熱振幅。礦質土混合物較其他3種基質材料有著更低的顆粒密度,顆粒密度越小,孔隙率越大,包含空氣越多,而空氣的導熱性能遠低于固體顆粒,因此隔熱性能更好。顆粒密度較小的基板能提高基質層保水能力,多孔基板可能會產(chǎn)生更好的建筑冷卻效果,因此低密度而高保水能力的材料是最理想的綠色屋頂基質材料。

眾所周知,蚯蚓能提高土壤肥力。Jusselme等[15]在綠色屋頂基質的土壤層中加入蚯蚓,發(fā)現(xiàn)土壤微生物群落及氮磷營養(yǎng)物質大幅度增加,植物生長情況良好,熱效應顯著。此外,引入蚯蚓能改變基質密度,提高綠色屋頂?shù)慕禍啬芰Α?/p>

一般情況下,綠色屋頂基質層材料主要由礦物質和有機化合物組成。有研究表明[16－17],在膨脹頁巖等輕質集料的生產(chǎn)過程中,會消耗大量能源,產(chǎn)生更多溫室氣體。而綠色屋頂使用此類材料作為基質材料,將抵消綠色屋頂產(chǎn)生的熱效應,甚至會增加建筑物能耗。因此,Eksi等[18]指出使用泡沫玻璃、陶瓷等可回收廢物材料作為基質材料或許會獲得更好的綜合效益。泡沫玻璃不僅生產(chǎn)過程簡單,能耗低,而且具有較大的孔隙率和較強的持水能力,可以起到維持綠色屋頂植物冠層密度和保持基質層濕度的作用。

2.2 基質深度

基質深度顯著影響基質層的蒸發(fā)作用,進而影響熱效應。當太陽輻射較強、溫度較高時,水分蒸發(fā)較快,較淺的基質層會因含水率較低,無法長時間吸收太陽長波輻射而減少潛熱,使基質層升溫加快,進而降低綠色屋頂?shù)臒嵝Ｏ喾?基質層越厚,基質積累的水分越多,熱阻值相對較小,蒸發(fā)作用與熱效應相應增加。

基質深度同樣影響植物的生長、蒸散、存活情況。Ondo?o等[19]對基質深度為5 cm和10 cm的綠色屋頂進行對比試驗,發(fā)現(xiàn)在10 cm的基質中,對植物生長起關鍵作用的微生物具有更高的活性,且養(yǎng)分循環(huán)效率更快,植物覆蓋率較大。此外,隨著基質深度增加,基質層可以支持更多的物種數(shù)量,也為植物根系生長提供更大的空間,促進生物量積累,加劇蒸散作用,綠色屋頂熱效應明顯[20]。還有研究指出,只有在襯底溫度小于50℃時,植物的生存以及屋頂?shù)钠渌麡嫾阅懿艜靡员Ｕ蟍21]。

然而關于綠色屋頂基質深度對綠色屋頂熱效應的影響,還存在相反的觀點。Eksi等[22]發(fā)現(xiàn),在某些情況下基質層深度較大,水受重力作用會集中在底部,相對濕度急劇增加,將限制植物和基質的蒸散作用。除此之外,Jim等[23]的實驗表明,基質層深度為10 cm、50 cm和90 cm的綠色屋頂具有近乎相同的基質溫度。因此,綠色屋頂在不同的氣候狀況及屋頂條件下,存在著最優(yōu)基質層深度[24]。然而,目前仍缺少不同氣候條件下最優(yōu)基質層深度值的實驗與數(shù)值模型研究。

3 重要的物理參數(shù)與熱效應

3.1 植物灌溉

在干旱少雨地區(qū),缺水是綠色屋頂面臨的最大瓶頸,人工灌溉成為解決此問題的主要辦法,然而人們對于灌溉如何影響綠色屋頂能量傳輸和蒸散發(fā)的關注和了解不足。

不同灌溉方式對綠色屋頂熱效應的影響不同。Aze?as等[25]比較充分滴灌與有限滴灌對綠色屋頂熱調節(jié)能力的影響,發(fā)現(xiàn)有限滴灌在低水耗的情況下,最大程度地提高了屋頂隔熱能力,且植物覆蓋率接近最大值。

不同的灌溉水源也會引起屋頂熱效應的差異性。Ouldboukhitine等[26]研究清水和灰水(主要來自衛(wèi)生間、廚房等生活用水)灌溉對綠色屋頂植物蒸散量的影響,發(fā)現(xiàn)清水灌溉的綠色屋頂植物具有更好的生理特征,綠色屋頂?shù)臒嵝阅鼙然宜喔鹊母?0%。這是因為灰水積累的有害物質過多,降低了植物的生物活性,且灰水中的表面活性劑降低了水分蒸氣壓,抑制蒸散作用,從而極大地降低了綠色屋頂熱效應。

3.2 屋頂積雪

冬季時,屋頂?shù)姆e雪層作為絕緣體能提高綠色屋頂?shù)谋匦Ч?抑制溫度波動,降低建筑物熱量釋放。同時積雪層在一定程度上還能提高基質溫度,減少植物凍害,提高植物存活率。綠色屋頂約80%的總熱流通過積雪層傳導,積雪層深度與積雪層覆蓋面積將顯著影響綠色屋頂?shù)臒嵝猍27]。Collins等[28]測量了不同積雪層深度與積雪層覆蓋度條件下,綠色屋頂?shù)膶嵯禂?shù)和等效熱阻,發(fā)現(xiàn)隨著積雪層深度的增加,綠色屋頂?shù)臒崃髯儺愋燥@著降低,植物層和基質層的導熱系數(shù)隨之減小,而當積雪層覆蓋整個屋頂時,綠色屋頂產(chǎn)生了最大的等效熱阻。

此外,有研究者發(fā)現(xiàn),15 cm比7.5 cm的基質層持有更深的積雪層[29],同時,種植禾本科植物的綠色屋頂比設置其他幾種植物的綠色屋頂,擁有更深的積雪深度和積雪持續(xù)時間。這意味著綠色屋頂組件中的基質和植物會進一步影響積雪的深度和覆蓋度。

4 綠色屋頂?shù)墓烫甲饔?/h2>

綠色屋頂可以通過植物光合作用吸收CO2,同時借由植物根系分泌物和植物調落物將碳固定到基質中,在改善大氣狀況的同時,有效緩解城市熱島效應。對于綠色屋頂植物層而言,光合作用和呼吸作用共同決定了植物的固碳效果。在晴天太陽輻射較強時,植物通過光合作用吸收的CO2是呼吸作用釋放的9倍；但在陰天太陽輻射弱時,呼吸效率基本不變,而光合作用明顯減弱,植物的固碳效率隨之下降[30]。同時,植物的固碳途徑與能力相異。比如,因耐旱特性而被廣泛應用于綠色屋頂?shù)木疤鞂僦参?區(qū)別于常見的C3、C4植物,其在白天釋放CO2,夜晚吸收CO2。然而,在半干旱地區(qū),以景天屬植物為主導的綠色屋頂在旱季會釋放出更多CO2[31]。因此,在綠色屋頂上只種植景天屬植物對于固碳沒有好處,需與其他植物一起種植才能達到較好的固碳目的[32]。此外,植物的固碳作用主要發(fā)生在生長期,隨著植物的成熟,凈固碳量將逐漸穩(wěn)定達到平衡,有機物分解量近似等于凈固碳量,綠色屋頂植物的固碳效果會從此減弱甚至消失。

對于綠色屋頂基質層而言,基質深度對固碳效果同樣重要。較深的基質層具有更好的保水能力,這對植物生長及微生物分解植物凋落物更加有利[32]。與此同時,在基質層缺水的條件下,即使綠色屋頂植物處于生長期仍需吸收CO2以增加生物量,然而從CO2的總量上看,綠色屋頂仍在向外釋放CO2,將導致熱島問題更加突出[33]。

綜上所述,固碳作用雖然只是綠色屋頂熱效應的一個次要方面,但是在保證其他效益得以實現(xiàn)的基礎上,更好地挖掘其固碳能力也應是未來的研究方向之一。

5 展望

盡管綠色屋頂在調節(jié)局域小氣候、緩解城市熱島問題等方面已取得一定進展,但仍存在需進一步解決的問題。例如,目前綠色屋頂植物選擇較為單一,僅使用一種或幾種植物很難較好地實現(xiàn)熱效應,因此應結合區(qū)域氣候特征,優(yōu)化綠色屋頂植物類型選擇及組合方案,確定合理的植物覆蓋度；另外,對于綠色屋頂基質材料的選擇與研發(fā)工作仍有待加強,其中應特別注意可回收廢物材料的應用與綜合效益分析；此外,仍缺少在不同氣候狀況與屋頂條件下,針對最優(yōu)基質層深度值、灌溉強度及灌溉水質等方面的研究,以及借助各種數(shù)值模型預測綠色屋頂尤其是大面積綠色屋頂?shù)墓烫寄芰Α⒔ㄖ芎南鳒p能力等。以上問題對于拓展綠色屋頂熱效應具有重要意義。