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(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 西安 710055

城市綠化是緩解城市熱島問(wèn)題的重要手段之一,然而隨著我國(guó)城市化的快速推進(jìn),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(yīng)運(yùn)而生,被稱為綠色屋頂。綠色屋頂不僅可以涵蓄雨水、減少?gòu)搅魑廴?、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(yīng)[2]。綠色屋頂熱效應(yīng)主要包括:在夏天通過(guò)遮蔭、蒸散發(fā)等作用降低屋頂表面溫度,削減傳入建筑內(nèi)部的熱量,減少空調(diào)制冷耗能；在冬天通過(guò)保溫作用減緩建筑物的熱量散發(fā),削減冷空氣對(duì)建筑物的侵入[3]。近年來(lái),綠色屋頂熱效應(yīng)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。因此,文章對(duì)近10年國(guó)內(nèi)外有關(guān)綠色屋頂熱效應(yīng)影響因素的研究進(jìn)行歸納和總結(jié),為我國(guó)綠色屋頂技術(shù)研究與應(yīng)用提供參考。

1 綠色屋頂植物層與熱效應(yīng)

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(huì)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(qiáng),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(wú)明顯的熱效應(yīng)。因此,為使綠色屋頂植物日夜間均能夠起到調(diào)節(jié)溫度的作用,可以設(shè)置不同植物組合以實(shí)現(xiàn)目的。

受極端環(huán)境如強(qiáng)風(fēng)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(bǔ)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(yíng)養(yǎng)和水分,彌補(bǔ)死亡或因氣候條件暫時(shí)處于休眠狀態(tài)的植物帶來(lái)的影響,從而提供更佳的綠色屋頂生態(tài)與熱效應(yīng)[6]。Cook-Patton等[7]研究發(fā)現(xiàn),擁有多種植物的綠色屋頂比設(shè)置單一植物的綠色屋頂具有更強(qiáng)的溫度調(diào)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(guān)系發(fā)現(xiàn),雖因競(jìng)爭(zhēng)致使一年生植物數(shù)量在短期內(nèi)有所下降,但兩種植物協(xié)同使用則可降低綠色屋頂基質(zhì)的溫度,為減少熱流進(jìn)入屋頂發(fā)揮重要作用。

生態(tài)多樣性被認(rèn)為是提高生態(tài)系統(tǒng)功能的主要驅(qū)動(dòng)力。然而目前,關(guān)于增加綠色屋頂植物多樣性是否可以更好地實(shí)現(xiàn)綠色屋頂熱效應(yīng)的研究結(jié)論相差較大。有部分研究者[9]認(rèn)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?yīng)。而另一部分研究者[10]則認(rèn)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(wù)。因此,應(yīng)盡快開(kāi)展針對(duì)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(shè)提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 植物覆蓋率

綠色屋頂?shù)臏囟日{(diào)節(jié)能力主要受植物影響,而植物覆蓋率對(duì)于屋頂熱效應(yīng)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(duì)太陽(yáng)輻射的反射及吸收作用隨之增強(qiáng),從而達(dá)到更佳的建筑節(jié)能和降溫效果,實(shí)現(xiàn)綠色屋頂熱效應(yīng)[11]。研究發(fā)現(xiàn),表土裸露的綠色屋頂所吸收的太陽(yáng)短波輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhì)層的顯熱下降,潛熱增加,基質(zhì)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(guò)實(shí)驗(yàn)比較植物覆蓋率為10%和80%的綠色屋頂?shù)臒嵝?yīng),發(fā)現(xiàn)由于綠色屋頂基質(zhì)層的厚度普遍較小,保水能力有限,植物數(shù)量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致水分供應(yīng)不足,進(jìn)而威脅植物生存,導(dǎo)致綠色屋頂很難發(fā)揮其調(diào)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(yīng)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(dòng)態(tài)變化,春秋季植物長(zhǎng)勢(shì)大多較好,具有較高的覆蓋率；冬季大多數(shù)植物進(jìn)入休眠期,植被覆蓋率顯著下降,進(jìn)一步影響了綠色屋頂?shù)臒嵝?yīng)。

2 綠色屋頂基質(zhì)層與熱效應(yīng)

2.1 基質(zhì)類型

不同的基質(zhì)類型因其粒度分布、總孔隙度、容重、飽和水力導(dǎo)電性、排水及持水能力、可溶性鹽等參數(shù)相異,對(duì)于植物生物量及生長(zhǎng)狀況會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。綠色屋頂基質(zhì)的顆粒密度、孔隙率以及持水能力顯著影響基質(zhì)層內(nèi)的導(dǎo)熱傳熱作用,直接決定進(jìn)入建筑物內(nèi)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(zhì)土混合物4種基質(zhì)材料的傳熱性能,發(fā)現(xiàn)礦質(zhì)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(zhì)土混合物較其他3種基質(zhì)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(dǎo)熱性能遠(yuǎn)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(zhì)層保水能力,多孔基板可能會(huì)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(zhì)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(zhì)的土壤層中加入蚯蚓,發(fā)現(xiàn)土壤微生物群落及氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大幅度增加,植物生長(zhǎng)情況良好,熱效應(yīng)顯著。此外,引入蚯蚓能改變基質(zhì)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(zhì)層材料主要由礦物質(zhì)和有機(jī)化合物組成。有研究表明[16－17],在膨脹頁(yè)巖等輕質(zhì)集料的生產(chǎn)過(guò)程中,會(huì)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(zhì)材料,將抵消綠色屋頂產(chǎn)生的熱效應(yīng),甚至?xí)黾咏ㄖ锬芎摹Ｒ虼?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(zhì)材料或許會(huì)獲得更好的綜合效益。泡沫玻璃不僅生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單,能耗低,而且具有較大的孔隙率和較強(qiáng)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(zhì)層濕度的作用。

2.2 基質(zhì)深度

基質(zhì)深度顯著影響基質(zhì)層的蒸發(fā)作用,進(jìn)而影響熱效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)輻射較強(qiáng)、溫度較高時(shí),水分蒸發(fā)較快,較淺的基質(zhì)層會(huì)因含水率較低,無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間吸收太陽(yáng)長(zhǎng)波輻射而減少潛熱,使基質(zhì)層升溫加快,進(jìn)而降低綠色屋頂?shù)臒嵝?yīng)。相反,基質(zhì)層越厚,基質(zhì)積累的水分越多,熱阻值相對(duì)較小,蒸發(fā)作用與熱效應(yīng)相應(yīng)增加。

基質(zhì)深度同樣影響植物的生長(zhǎng)、蒸散、存活情況。Ondo?o等[19]對(duì)基質(zhì)深度為5 cm和10 cm的綠色屋頂進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在10 cm的基質(zhì)中,對(duì)植物生長(zhǎng)起關(guān)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(zhì)深度增加,基質(zhì)層可以支持更多的物種數(shù)量,也為植物根系生長(zhǎng)提供更大的空間,促進(jìn)生物量積累,加劇蒸散作用,綠色屋頂熱效應(yīng)明顯[20]。還有研究指出,只有在襯底溫度小于50℃時(shí),植物的生存以及屋頂?shù)钠渌麡?gòu)件性能才會(huì)得以保障[21]。

然而關(guān)于綠色屋頂基質(zhì)深度對(duì)綠色屋頂熱效應(yīng)的影響,還存在相反的觀點(diǎn)。Eksi等[22]發(fā)現(xiàn),在某些情況下基質(zhì)層深度較大,水受重力作用會(huì)集中在底部,相對(duì)濕度急劇增加,將限制植物和基質(zhì)的蒸散作用。除此之外,Jim等[23]的實(shí)驗(yàn)表明,基質(zhì)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(zhì)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(zhì)層深度[24]。然而,目前仍缺少不同氣候條件下最優(yōu)基質(zhì)層深度值的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模型研究。

3 重要的物理參數(shù)與熱效應(yīng)

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(wèn)題的主要辦法,然而人們對(duì)于灌溉如何影響綠色屋頂能量傳輸和蒸散發(fā)的關(guān)注和了解不足。

不同灌溉方式對(duì)綠色屋頂熱效應(yīng)的影響不同。Aze?as等[25]比較充分滴灌與有限滴灌對(duì)綠色屋頂熱調(diào)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(huì)引起屋頂熱效應(yīng)的差異性。Ouldboukhitine等[26]研究清水和灰水(主要來(lái)自衛(wèi)生間、廚房等生活用水)灌溉對(duì)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?yàn)榛宜e累的有害物質(zhì)過(guò)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(yīng)。

3.2 屋頂積雪

冬季時(shí),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(dòng),降低建筑物熱量釋放。同時(shí)積雪層在一定程度上還能提高基質(zhì)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(guò)積雪層傳導(dǎo),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?yīng)[27]。Collins等[28]測(cè)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?dǎo)熱系數(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(zhì)層的導(dǎo)熱系數(shù)隨之減小,而當(dāng)積雪層覆蓋整個(gè)屋頂時(shí),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(zhì)層持有更深的積雪層[29],同時(shí),種植禾本科植物的綠色屋頂比設(shè)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(shí)間。這意味著綠色屋頂組件中的基質(zhì)和植物會(huì)進(jìn)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(guò)植物光合作用吸收CO2,同時(shí)借由植物根系分泌物和植物調(diào)落物將碳固定到基質(zhì)中,在改善大氣狀況的同時(shí),有效緩解城市熱島效應(yīng)。對(duì)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(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí),植物通過(guò)光合作用吸收的CO2是呼吸作用釋放的9倍；但在陰天太陽(yáng)輻射弱時(shí),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(shí),植物的固碳途徑與能力相異。比如,因耐旱特性而被廣泛應(yīng)用于綠色屋頂?shù)木疤鞂僦参?區(qū)別于常見(jiàn)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(dǎo)的綠色屋頂在旱季會(huì)釋放出更多CO2[31]。因此,在綠色屋頂上只種植景天屬植物對(duì)于固碳沒(méi)有好處,需與其他植物一起種植才能達(dá)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(zhǎng)期,隨著植物的成熟,凈固碳量將逐漸穩(wěn)定達(dá)到平衡,有機(jī)物分解量近似等于凈固碳量,綠色屋頂植物的固碳效果會(huì)從此減弱甚至消失。

對(duì)于綠色屋頂基質(zhì)層而言,基質(zhì)深度對(duì)固碳效果同樣重要。較深的基質(zhì)層具有更好的保水能力,這對(duì)植物生長(zhǎng)及微生物分解植物凋落物更加有利[32]。與此同時(shí),在基質(zhì)層缺水的條件下,即使綠色屋頂植物處于生長(zhǎng)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(dǎo)致熱島問(wèn)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(yīng)的一個(gè)次要方面,但是在保證其他效益得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,更好地挖掘其固碳能力也應(yīng)是未來(lái)的研究方向之一。

5 展望

盡管綠色屋頂在調(diào)節(jié)局域小氣候、緩解城市熱島問(wèn)題等方面已取得一定進(jìn)展,但仍存在需進(jìn)一步解決的問(wèn)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(shí)現(xiàn)熱效應(yīng),因此應(yīng)結(jié)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(duì)于綠色屋頂基質(zhì)材料的選擇與研發(fā)工作仍有待加強(qiáng),其中應(yīng)特別注意可回收廢物材料的應(yīng)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(duì)最優(yōu)基質(zhì)層深度值、灌溉強(qiáng)度及灌溉水質(zhì)等方面的研究,以及借助各種數(shù)值模型預(yù)測(cè)綠色屋頂尤其是大面積綠色屋頂?shù)墓烫寄芰?、建筑能耗削減能力等。以上問(wèn)題對(duì)于拓展綠色屋頂熱效應(yīng)具有重要意義。