绿色屋顶热效应机理研究进展

侯 婷 杨成建 陈晓育 韩 芸 胥 昂 张佳荣 白 玙 王昱钧

西安建筑科技大学环境与市政工程学院 西安 710055

城市绿化是缓解城市热岛问题的重要手段之一,然而随着我国城市化的快速推进,建筑分布密集,土地资源日趋紧缺,生产用地与生态用地的矛盾日益尖锐,城市绿化受到极大制约。因此,作为“第五立面”且占据城市水平表面积约25%的屋顶绿化应运而生,被称为绿色屋顶。绿色屋顶不仅可以涵蓄雨水、减少径流污染、降低噪声、减少空气污染、增加生物多样性[1],而且具有很好的热效应[2]。绿色屋顶热效应主要包括:在夏天通过遮荫、蒸散发等作用降低屋顶表面温度,削减传入建筑内部的热量,减少空调制冷耗能；在冬天通过保温作用减缓建筑物的热量散发,削减冷空气对建筑物的侵入[3]。近年来,绿色屋顶热效应已经成为国内外研究的热点。因此,文章对近10年国内外有关绿色屋顶热效应影响因素的研究进行归纳和总结,为我国绿色屋顶技术研究与应用提供参考。

1 绿色屋顶植物层与热效应

1.1 植物类型与组合方式

绿色屋顶植物夏季的降温效果会因不同植物采取不同光合策略而产生明显差异[4]。Cao等[5]研究6种C3、C4、CAM植物在夏季日夜间的降温和保温效果发现,在日间C4植物减少热通量的能力最强,C3植物次之,CAM植物最弱,其冠层温度甚至高于室温；在夜间CAM植物显著降低屋顶温度,C3和C4植物则无明显的热效应。因此,为使绿色屋顶植物日夜间均能够起到调节温度的作用,可以设置不同植物组合以实现目的。

受极端环境如强风因素影响,植物可利用水分较少,单一型绿色屋顶植物存活率较低,而由资源互补型物种组成的多样化植物群落,可以更全面、更有效地吸收营养和水分,弥补死亡或因气候条件暂时处于休眠状态的植物带来的影响,从而提供更佳的绿色屋顶生态与热效应[6]。Cook-Patton等[7]研究发现,拥有多种植物的绿色屋顶比设置单一植物的绿色屋顶具有更强的温度调控能力。Vasl等[8]研究地中海气候区下景天属植物与一年生植物的种间关系发现,虽因竞争致使一年生植物数量在短期内有所下降,但两种植物协同使用则可降低绿色屋顶基质的温度,为减少热流进入屋顶发挥重要作用。

生态多样性被认为是提高生态系统功能的主要驱动力。然而目前,关于增加绿色屋顶植物多样性是否可以更好地实现绿色屋顶热效应的研究结论相差较大。有部分研究者[9]认为植物种类越多,物种间的功能差异性越大,植物之间产生拮抗作用,从而削弱绿色屋顶的热效应。而另一部分研究者[10]则认为物种丰富的系统具有更好的功能多样性,从而提供更好的生态系统服务。因此,应尽快开展针对不同气候区的植物选择与优化组合方案研究,为绿色屋顶建设提供数据支持。

1.2 植物覆盖率

绿色屋顶的温度调节能力主要受植物影响,而植物覆盖率对于屋顶热效应的影响显著。随着绿色屋顶植物覆盖率的增加,植物冠层增多,叶面积指数增大,植物对太阳辐射的反射及吸收作用随之增强,从而达到更佳的建筑节能和降温效果,实现绿色屋顶热效应[11]。研究发现,表土裸露的绿色屋顶所吸收的太阳短波辐射远远大于植物全覆盖的绿色屋顶,差值为83%,而且随着植物覆盖率的增加,基质层的显热下降,潜热增加,基质层表面及不同深度处的温度均有不同程度的下降[12]。

Bevilacqua等[13]通过实验比较植物覆盖率为10%和80%的绿色屋顶的热效应,发现由于绿色屋顶基质层的厚度普遍较小,保水能力有限,植物数量过多会导致水分供应不足,进而威胁植物生存,导致绿色屋顶很难发挥其调节小气候的作用。这也意味着并非绿色屋顶植物覆盖率越高,热效应越好。

除此之外,绿色屋顶植物覆盖率将随着季节、降雨等气候条件动态变化,春秋季植物长势大多较好,具有较高的覆盖率；冬季大多数植物进入休眠期,植被覆盖率显著下降,进一步影响了绿色屋顶的热效应。

2 绿色屋顶基质层与热效应

2.1 基质类型

不同的基质类型因其粒度分布、总孔隙度、容重、饱和水力导电性、排水及持水能力、可溶性盐等参数相异,对于植物生物量及生长状况会产生不同程度的影响。绿色屋顶基质的颗粒密度、孔隙率以及持水能力显著影响基质层内的导热传热作用,直接决定进入建筑物内部的热量。Sandoval等[14]比较砂壤土、珍珠岩＋泥炭、碎砖块＋粘土及矿质土混合物4种基质材料的传热性能,发现矿质土混合物有更好的隔热性能,能降低屋顶约80%的热振幅。矿质土混合物较其他3种基质材料有着更低的颗粒密度,颗粒密度越小,孔隙率越大,包含空气越多,而空气的导热性能远低于固体颗粒,因此隔热性能更好。颗粒密度较小的基板能提高基质层保水能力,多孔基板可能会产生更好的建筑冷却效果,因此低密度而高保水能力的材料是最理想的绿色屋顶基质材料。

众所周知,蚯蚓能提高土壤肥力。Jusselme等[15]在绿色屋顶基质的土壤层中加入蚯蚓,发现土壤微生物群落及氮磷营养物质大幅度增加,植物生长情况良好,热效应显著。此外,引入蚯蚓能改变基质密度,提高绿色屋顶的降温能力。

一般情况下,绿色屋顶基质层材料主要由矿物质和有机化合物组成。有研究表明[16－17],在膨胀页岩等轻质集料的生产过程中,会消耗大量能源,产生更多温室气体。而绿色屋顶使用此类材料作为基质材料,将抵消绿色屋顶产生的热效应,甚至会增加建筑物能耗。因此,Eksi等[18]指出使用泡沫玻璃、陶瓷等可回收废物材料作为基质材料或许会获得更好的综合效益。泡沫玻璃不仅生产过程简单,能耗低,而且具有较大的孔隙率和较强的持水能力,可以起到维持绿色屋顶植物冠层密度和保持基质层湿度的作用。

2.2 基质深度

基质深度显著影响基质层的蒸发作用,进而影响热效应。当太阳辐射较强、温度较高时,水分蒸发较快,较浅的基质层会因含水率较低,无法长时间吸收太阳长波辐射而减少潜热,使基质层升温加快,进而降低绿色屋顶的热效应。相反,基质层越厚,基质积累的水分越多,热阻值相对较小,蒸发作用与热效应相应增加。

基质深度同样影响植物的生长、蒸散、存活情况。Ondoño等[19]对基质深度为5 cm和10 cm的绿色屋顶进行对比试验,发现在10 cm的基质中,对植物生长起关键作用的微生物具有更高的活性,且养分循环效率更快,植物覆盖率较大。此外,随着基质深度增加,基质层可以支持更多的物种数量,也为植物根系生长提供更大的空间,促进生物量积累,加剧蒸散作用,绿色屋顶热效应明显[20]。还有研究指出,只有在衬底温度小于50℃时,植物的生存以及屋顶的其他构件性能才会得以保障[21]。

然而关于绿色屋顶基质深度对绿色屋顶热效应的影响,还存在相反的观点。Eksi等[22]发现,在某些情况下基质层深度较大,水受重力作用会集中在底部,相对湿度急剧增加,将限制植物和基质的蒸散作用。除此之外,Jim等[23]的实验表明,基质层深度为10 cm、50 cm和90 cm的绿色屋顶具有近乎相同的基质温度。因此,绿色屋顶在不同的气候状况及屋顶条件下,存在着最优基质层深度[24]。然而,目前仍缺少不同气候条件下最优基质层深度值的实验与数值模型研究。

3 重要的物理参数与热效应

3.1 植物灌溉

在干旱少雨地区,缺水是绿色屋顶面临的最大瓶颈,人工灌溉成为解决此问题的主要办法,然而人们对于灌溉如何影响绿色屋顶能量传输和蒸散发的关注和了解不足。

不同灌溉方式对绿色屋顶热效应的影响不同。Azeñas等[25]比较充分滴灌与有限滴灌对绿色屋顶热调节能力的影响,发现有限滴灌在低水耗的情况下,最大程度地提高了屋顶隔热能力,且植物覆盖率接近最大值。

不同的灌溉水源也会引起屋顶热效应的差异性。Ouldboukhitine等[26]研究清水和灰水(主要来自卫生间、厨房等生活用水)灌溉对绿色屋顶植物蒸散量的影响,发现清水灌溉的绿色屋顶植物具有更好的生理特征,绿色屋顶的热性能比灰水灌溉的高30%。这是因为灰水积累的有害物质过多,降低了植物的生物活性,且灰水中的表面活性剂降低了水分蒸气压,抑制蒸散作用,从而极大地降低了绿色屋顶热效应。

3.2 屋顶积雪

冬季时,屋顶的积雪层作为绝缘体能提高绿色屋顶的保温效果,抑制温度波动,降低建筑物热量释放。同时积雪层在一定程度上还能提高基质温度,减少植物冻害,提高植物存活率。绿色屋顶约80%的总热流通过积雪层传导,积雪层深度与积雪层覆盖面积将显著影响绿色屋顶的热效应[27]。Collins等[28]测量了不同积雪层深度与积雪层覆盖度条件下,绿色屋顶的导热系数和等效热阻,发现随着积雪层深度的增加,绿色屋顶的热流变异性显著降低,植物层和基质层的导热系数随之减小,而当积雪层覆盖整个屋顶时,绿色屋顶产生了最大的等效热阻。

此外,有研究者发现,15 cm比7.5 cm的基质层持有更深的积雪层[29],同时,种植禾本科植物的绿色屋顶比设置其他几种植物的绿色屋顶,拥有更深的积雪深度和积雪持续时间。这意味着绿色屋顶组件中的基质和植物会进一步影响积雪的深度和覆盖度。

4 绿色屋顶的固碳作用

绿色屋顶可以通过植物光合作用吸收CO2,同时借由植物根系分泌物和植物调落物将碳固定到基质中,在改善大气状况的同时,有效缓解城市热岛效应。对于绿色屋顶植物层而言,光合作用和呼吸作用共同决定了植物的固碳效果。在晴天太阳辐射较强时,植物通过光合作用吸收的CO2是呼吸作用释放的9倍；但在阴天太阳辐射弱时,呼吸效率基本不变,而光合作用明显减弱,植物的固碳效率随之下降[30]。同时,植物的固碳途径与能力相异。比如,因耐旱特性而被广泛应用于绿色屋顶的景天属植物,区别于常见的C3、C4植物,其在白天释放CO2,夜晚吸收CO2。然而,在半干旱地区,以景天属植物为主导的绿色屋顶在旱季会释放出更多CO2[31]。因此,在绿色屋顶上只种植景天属植物对于固碳没有好处,需与其他植物一起种植才能达到较好的固碳目的[32]。此外,植物的固碳作用主要发生在生长期,随着植物的成熟,净固碳量将逐渐稳定达到平衡,有机物分解量近似等于净固碳量,绿色屋顶植物的固碳效果会从此减弱甚至消失。

对于绿色屋顶基质层而言,基质深度对固碳效果同样重要。较深的基质层具有更好的保水能力,这对植物生长及微生物分解植物凋落物更加有利[32]。与此同时,在基质层缺水的条件下,即使绿色屋顶植物处于生长期仍需吸收CO2以增加生物量,然而从CO2的总量上看,绿色屋顶仍在向外释放CO2,将导致热岛问题更加突出[33]。

综上所述,固碳作用虽然只是绿色屋顶热效应的一个次要方面,但是在保证其他效益得以实现的基础上,更好地挖掘其固碳能力也应是未来的研究方向之一。

5 展望

尽管绿色屋顶在调节局域小气候、缓解城市热岛问题等方面已取得一定进展,但仍存在需进一步解决的问题。例如,目前绿色屋顶植物选择较为单一,仅使用一种或几种植物很难较好地实现热效应,因此应结合区域气候特征,优化绿色屋顶植物类型选择及组合方案,确定合理的植物覆盖度；另外,对于绿色屋顶基质材料的选择与研发工作仍有待加强,其中应特别注意可回收废物材料的应用与综合效益分析；此外,仍缺少在不同气候状况与屋顶条件下,针对最优基质层深度值、灌溉强度及灌溉水质等方面的研究,以及借助各种数值模型预测绿色屋顶尤其是大面积绿色屋顶的固碳能力、建筑能耗削减能力等。以上问题对于拓展绿色屋顶热效应具有重要意义。