裝配式屋頂花園節能技術應用與分析*

程仁武 文才臻 張俊濤

（廣州市林業和園林科學研究院，廣東 廣州 510405）

屋頂綠化作為城市綠化的重要組成部分，對拓展城市綠地空間、美化景觀、緩解城市熱島效應、改善生態環境有著重要作用[1～3]。聯合國環境規劃署的一項研究表明，一個城市的屋頂綠化率如果達到70%以上，城市上空的CO2含量將下降80%，熱島效應將基本消失[4]。目前，屋頂花園的應用研究已在多個城市開展，并形成了簡單式和花園式屋頂綠化2種較為成熟的類型[5]。

屋頂花園建設形式多樣，傳統的建設內容包括防水層、阻根層、排水層、過濾層、基質層、植被層、灌溉系統等[5]，但也存在建設工藝繁雜、荷載要求高、施工進度慢、造價成本高等問題。裝配式屋頂綠化是近幾年發展起來的新技術，起源于美國，是指根據建筑物特點，將具有排水、蓄水、過濾、通風、阻隔根等功能的可移動容器拼裝成一個完整的綠化系統，并在其中種植植物，具有代表性的是北京奧運會主場館“鳥巢”的足球場草坪項目[6]。與傳統屋頂綠化相比，裝配式屋頂綠化具有很好的蓄水、排水和阻根能力，可自由拆卸移動，荷載輕，成景快且能有效降低能耗等優點[7]。經不斷研發改進，裝配式屋頂綠化技術已逐漸成為屋頂綠化發展的新趨勢。隨著屋頂綠化的快速發展，生態節能與智能化管理成了其建設的重要內容。

本文探索適用于城市屋頂節能減排的技術，以廣州市林業和園林科學研究院辦公樓屋頂裝配式屋頂花園節能設計為例，應用太陽能供電、雨水收集、智能噴灌及生態景觀技術等技術建造節能屋頂花園，同時分析其對降低室內溫度、改善空氣質量的效果，以期改善屋頂眩光與空中景觀、延長建筑使用壽命、凈化城市高空空氣，提高生態和節能效應。

1 研究區域概況、設計理念及施工

1.1 研究區域概況

廣州市林業和園林科學研究院辦公樓建于20世紀80年代，屋頂呈長方形結構，長20 m，寬12 m，可綠化面積約210 m2；建筑南面為小丘陵，其余三面無遮擋，光照充足。研究區域屬亞熱帶季風氣候，雨水資源豐富，年平均降水量超過1 800 mm，雨水資源充足[8]。項目定位為辦公休憩綠地，研究區域屋面為原始裸露水泥屋頂，不適宜進行大強度改造。經專業機構測試，屋面荷載為200 kN?m-2。

1.2 屋頂花園設計理念

該屋頂花園以“以人為本，智能管理，生態節約”為理念，結合廣州氣候特點和屋頂特殊的環境條件，借助智能管理系統，充分利用太陽能、雨水等再生資源，實現資源循環利用。同時以木亭和花架為中心，利用曲徑通幽的造園手法，實現綠地、園路和休憩區的有機結合，形成了豐富的空間層次，為使用者營造優美的休憩空間。

該屋頂花園設計主要通過以下措施解決屋頂承重、屋面防水排水、植物根系穿透等技術難點：

1）通過專業評估分析，將木亭、花架、高大喬木等規劃到建筑的承重結構部位，比如承重的梁、墻等，分散屋面承重，同時對承重部位進行加固處理，以確保安全；

2）考慮到建筑荷載、屋面防水、阻隔根系穿透等，采用具有排水、蓄水、過濾、通風、阻隔根等功能的裝配式屋頂綠化種植槽技術種植綠化植被。

1.3 屋頂花園系統組成與功能整合

裝配式屋頂綠化系統主要由種植子系統和智能給排水子系統組成。種植子系統包含抗旱易養護植物、輕質屋頂綠化營養專用基質和輕質可蓄排水模塊化種植容器。智能給排水子系統又包含太陽能供電系統、雨水收集系統和智能灌溉系統3部分（圖1）。下雨時，一部分雨水經基質、種植容器的排水過濾層過濾后儲存于蓄水層中，多余的雨水經排水槽和運輸網管流至蓄水池儲存。當屋頂綠化植物的土壤濕度低于標準值時，智能灌溉系統將收集的雨水噴灌至屋頂綠化植物種植處。太陽能供電系統將太陽能轉換成電能，用于維持智能灌溉系統的運行及照明等其他需求。

2 屋頂花園施工

根據對廣州現有的屋頂綠化容器進行詳細調查，篩選出適合本屋頂花園的輕質可蓄排水模塊化種植容器。該種植容器主要由保溫隔熱層、排水槽、蓄水層、阻根層和排水過濾層組成，能滿足過濾、排水、蓄水、阻根等功能需求。容器規格為500 mm×500 mm×70 mm，可根據施工現場需求進行機動拼裝；容器上方可以根據種植植物的不同進行圍邊的疊加，圍邊尺寸是100 mm，容器之間通過卡槽連接，由排水通道風槽連通，形成通路（圖2）。

在植物配置上，參考《屋頂綠化技術規范》（DB440100T 111-2007）要求，重點選擇耐熱、抗風、耐旱、生長緩慢、耐修剪、滯塵能力強、低維護的植物種類[9]。本案例結合實地條件并充分考慮植物特性，選用了較為輕型的毛竹Phyllostachys edulis、旅 人 蕉Ravenala madagascariensis、茶花Camellia japonica、劍麻Agave sisalana、 鶴 望 蘭Strelitzia reginae、琴葉珊瑚Jatropha integerrima、朱蕉Cordyline fruticosa等小型花灌木，地被植物則選用鋪地錦竹草Callisia repens、佛甲草Sedum lineare、錦繡莧Alternanthera bettzickiana、彩葉草Plectranthus scutellarioides等（圖3），不僅耐干旱易養護，且色彩豐富，綠化效果好。

圖2 項目施工現場圖

基質對屋頂花園整個系統的長期穩定起著關鍵作用[10～11]，李卓等[12～13]研究表明，土壤容重越小，其滯留貯水量、吸持貯水量和飽和貯水量越大。為同時滿足植物生長、屋頂荷載和蓄排水要求，屋頂花園應選用具有輕質、潔凈、養分釋放持久、排水通透、施工簡便、適宜植物生長、無臭味等優良特性的栽培基質[14]。綜合考慮容重、肥效等因素，經過多方篩選對比，該屋頂花園選用的基質為廣州市林業和園林科學研究院自主研發的輕質屋頂綠化營養專用基質，其pH值為6.94，EC 值為 0.78 mS?cm-1，容重為 0.36 g?cm-3，總孔隙度為56.25%，有機質含量為 485.63 g?kg-1。

3 智能給排水系統

給排水系統是保證屋頂花園日常養護的主要配套設施，包括太陽能供電系統、雨水收集系統和智能灌溉系統3部分（圖4），充分利用太陽能及回收雨水，通過濕度感應，啟動智能灌溉，實現節能節水目的，低碳環保。

3.1 太陽能供電系統

在辦公樓樓梯間頂部及花架上方設置薄膜太陽能光伏發電機組。薄膜光伏工作時，通過薄膜分光技術將太陽輻射分為植物需要的光能和用于太陽能發電的光能，既滿足了植物生長需求，又實現了光電轉換。太陽能光伏機組將太陽能的光能轉化為電能后，輸出直流電存入蓄電池中（圖5），滿足屋頂花園智能噴灌系統、照明系統等提供用電需求。

發電機組裝機容3.0 kW，年理論發電量達4 000 kW?h，機組使用壽命達25年以上。通過測算噴灌系統、雨水收集池動力系統和照明系統用電總量，該發電機組發電量能充分滿足需求。當極端天氣蓄電池電量不足時，系統通過切換器自動切換到市政供電。

3.2 雨水回收系統

廣州雨水資源豐富，空氣質量較好，雨水經屋頂綠化層層過濾后水質較佳，開展雨水回收利用具有得天獨厚的優勢。該項目通過利用屋頂自然高差設置雨水收集系統，實現對雨水回收利用。系統主要包括蓄水種植容器、排水管道、蓄水池等（圖6）。

圖4 智能給排水系統示意圖

圖5 太陽能供電系統示意圖

種植容器底部設有蓄水槽，容器溢排水管孔系統設計可使容器的底部始終蓄有水分，雨水進入種植容器，經植被層和基質層滲透后被儲存于蓄水槽內，上部土壤缺水時，蓄水槽內的水向上蒸發，為植物補充水分。當蓄水槽內的水到達側壁的溢水口時即可溢出，排入通風排水槽。種植容器截留的雨水及聚集在屋頂防水保護層表面的雨水，通過屋面排水匯集到排水口進入排水管道，從而進入雨水收集池。雨水在收集池經進一步過濾、沉淀凈化后可用于灌溉用水，蓄水池水量不夠時再切換到市政管網補充用水。

圖6 雨水回收系統示意圖

德國瓦爾特·科爾布（Walter Kolb）2002年開展的研究表明，超過10 cm覆土的屋頂綠化能蓄存50%的雨水[15]。該屋頂花園按照70%的綠地率及年平均降水量1 800 mm折算，在不考慮雨水回收系統溢出的情況下，面積200 m2的屋頂花園1年可利用雨水量達120 m3以上。通過該屋頂花園1年的運行也表明，雨水集水量可基本滿足屋頂綠化灌溉用水，只需于秋季極端干燥時期進行少量灌溉補水。

3.3 智能灌溉系統

該屋頂花園智能噴灌系統運用美國HUNTER中央控制系統、SOLAR SYNC氣候傳感器及土壤濕度傳感系統組合，包括傳感系統、中央控制系統、電磁閥、輸送網絡等。氣候傳感器自動收集降雨量、光照強度、溫度等參數，通過內置程序計算當天的植物ET值（蒸發蒸騰量）；土壤濕度傳感器由設置在土壤根系層中的多個土壤濕度傳感器組成，用于檢測土壤濕度；中央控制系統計算機分析氣候傳感器和土壤濕度傳感器傳送的信號，以決定電磁閥啟用與關閉。該屋頂花園以美國HUNTER公司ET系統推薦的“土壤含水量30%～50%”作為屋頂綠化植物管理的土壤濕度標準，即當土壤濕度達到50%的上限值時發送信號給控制器，控制器即停止灌溉；當土壤濕度低于30%的下限時，發送信號給控制器，避免植物因缺水凋萎。

4 效益分析

該屋頂花園通過節能智能噴灌系統的應用，有效利用了太陽能、雨水等再生資源，緩解暴雨形成的屋頂積水，達到節能減排目的，產生了很好的環境、經濟和社會效益。節能智能噴灌系統中屋頂太陽能發電系統年發電4 000 kW?h；雨水回收系統中在不考慮溢出的情況下，可利用雨水量達120 m3以上；通過濕度感應實現精準灌溉，節約了用水，并且保護了植物根系因淋水過多而導致的爛根，還減少了人工運行維護的費用；蓄水容器的應用，減少了防水和阻根層建設的費用，又對屋頂起到保護作用，減少了房屋的維修費用。此外，辦公樓屋頂花園的建設能為職工提供新的花園綠地空間和休憩場所，有助于其消除工作疲勞、提升工作熱情等。

5 結語

該屋頂花園設計遵循了生態節能原則，其智能灌溉系統有效利用了太陽能、雨水等再生資源，通過自動采集土壤濕度，實現屋頂花園精準灌溉。該系統在屋頂花園運行一年以來，植物長勢茂盛、四季有花，顯著增加了綠量，為辦公樓增加了綠色的活動空間（圖7），有效改善熱環境，取得了較好的經濟、環境和社會效益，也是海綿城市建設的有力實踐。

圖7 項目完成實景圖（航拍）

經過一年多的實踐應用，該項目也存在一些不足，比如智能噴灌系統一次性投入過高，需要較長的周期進行消化。這需要加大科技創新力度，開展屋頂綠化新材料和新技術的專向研發與推廣，以進一步降低建設成本，為屋頂綠化事業提供強大的科技支撐。同時結合城市發展和氣候特征，總結過往屋頂花園經驗以及借鑒、引進國外的先進經驗技術，建設生態節能型屋頂花園，從而使屋頂花園在我國生態文明城市建設中發揮出最大的生態景觀效果。

注：本文圖片均為作者自繪自攝。