西南地區公共建筑立體綠化設計及實踐研究
——以成都市屋頂綠化為例

范 樂， 王燕語， 崔劍鋒， 宋 寧， 盧湘蓉

(1. 中國建筑科學研究院有限公司西南分院， 四川成都 610041; 2. 四川中建研科技有限公司，四川成都 610041； 3. 哈爾濱工業大學建筑學院, 黑龍江哈爾濱 150006;4. 黑龍江省寒地建筑科學重點實驗室， 黑龍江哈爾濱 150006)

自20世紀以來，隨著經濟的發展，城市化和工業化顯著增加，人們的生活質量得到了顯著提高。 然而，城市生態環境也因城市建設和城市人口的膨脹受到了極大的影響。世界上污染最嚴重的十個城市中有七個位于中國，中國500個大城市中只有1 %符合世界衛生組織的空氣質量標準。 中國正面臨著城市化帶來的可持續發展的巨大挑戰，例如城市化導致的空氣污染等一系列的環境問題。

成都是四川省的省會城市，與中國其他大城市一樣，越來越多的人在成都定居，以尋求更好工作機會、提高生活品質。因此，該城市面臨著城市人口快速增長的巨大壓力。隨著城市發展，氣候變化和空氣污染等問題已日益嚴峻。緩解城市熱島效應也是需要解決的重點問題之一，熱島效應充分解釋了城市化與城市氣候變化之間復雜的關系：建筑物(例如瀝青)的建筑材料，表面覆蓋物(例如，不透水部分)和建筑物幾何形狀(例如，建筑物尺寸和它們的并置)吸收大量的熱量，這些熱量在城市中積聚。大規模和高強度的人類活動導致能源消耗、溫室氣體排放增加。根據成都氣象統計數據，2016年6月的最高溫度達到了34 ℃，這在同一時期很容易地打破了之前31 ℃的記錄。2016年6月的平均氣溫為25.5 ℃，比1981年至2010年的30年觀測值高出2 ℃。

立體綠化作為城市對城市綠化發展尤為重要究立體綠化意在充分貫徹了人與自然共榮和諧發展的政策和方針，推進西南地區打造綠色生態城市，為城市建設提出指導性意見。大力發展公共建筑立體綠化技術，亦有利用于推進城市綠色建筑的發展，在綠色建筑設計與運營階段均具有積極的作用。

1 研究方法

1.1 研究區域氣候概況

成都位于30.7 °N/104 °E，地處中國西南部。該市面積約12 400 km2，約有1 000萬居民。根據K?ppen-Geiger分類，成都的屬于Cwa：氣候溫暖，夏季炎熱，冬季干燥的氣候特點。本研究中使用的長期氣象數據來源于Meteonorm 7。圖1～圖4顯示了成都氣候的特征，包括年溫度范圍，太陽輻射，降雨量和風速，具體特征詳見圖1～圖4。

圖1 成都地區逐月溫度變化

圖2 成都地區逐月太陽輻射變化

圖3 成都地區逐月降雨量變化

圖4 成都地區逐月風速變化

如圖1～圖4所示，成都地區氣候溫和，夏季平均氣溫約為27 ℃，冬季約為5 ℃。夏季的平均最高溫度約為35 ℃，無霜期為337 d。受季風季節的影響，夏季多降雨。成都的氣候適宜，適合各類型植被生長，成都的植物種類繁多。此外，成都全年沒有大風，成都市相比較于沿海城市，更有利于密集型綠化屋頂的發展。

1.2 屋頂綠化類型

屋頂綠化的分類是基于屋頂的功能或者植被的特征，影響因素主要包括土壤厚度、植被類型和承載力等因素。在實際設計過程中是根據項目情況及業主需求演變出各類型的屋頂綠化，具體變化如圖5所示。成都市有地方導則《屋頂綠化及垂直綠化技術導則(試行)》，但在屋頂綠化的分類上，德國屋頂綠化導則在中國得到了廣泛引用和改編。在導則中，輕質型屋頂綠化通常在不上人屋頂上，生長介質厚度介于2.5～15.2 cm之間。輕質型屋頂綠化的植物高度通常有限制，并且多為適應性、耐旱性較強的植物，較易維護。相反，密集型的屋頂綠化可能由各種灌喬木組成，植物高度通常大于25 cm，培養基厚度大于40 cm，半密集型屋頂綠化的特征介于上述兩種類型之間[1](表1)。

(a)草坪(輕質型屋頂綠化) (b)草坪與灌木類 (c)草地、喬灌木(密集型屋頂綠化)圖5 屋頂綠化形式

1.3 屋頂綠化的構造

屋頂綠化的構造從上到下包括:植物層、生長介質、過濾層、排水層、根屏障、防水層和屋頂平臺(圖6)。在進行屋頂綠化施工前，屋面需要進行閉水試驗以確保防水質量。

表1 屋頂綠化具體形式

圖6 屋頂綠化構造

1.4 研究方法

1.4.1 ENVI-met

ENVI-met 4.0是一個專為微氣候模擬而設計的軟件程序。在ENVI-met中設計了一個三維微氣候模型，以模擬城市環境中的地表-植物-空氣的相互作用。 整體模擬方法考慮了從小規模到大型網絡的相互聯系，例如建筑物與周圍環境的相互作用。 建筑物的布局、建筑材料和植物分布創造了一個微氣候系統，對室內和室內生活條件都有很大的影響。模擬考慮了建筑物周圍的空氣流動，城市表面的熱量和蒸汽傳遞，以及植被與周圍環境之間的能量交換[2]。

1.4.2 DesignBuilder

DesignBuilder是由英國DesignBuilder公司開發的仿真模擬軟件。 軟件開發基于EnergyPlus計算，具有圖形界面，允許用戶可視化界面中建模。EnergyPlus的動力熱力模擬引擎擁有最完善的用戶界面，具體而言，選擇建筑物表面的范圍，可視化表現過加熱的影像、能源消費等。最適當地校核所使用的自然光，實行照明控制系統和電器照明節約的計算。同時，還可進行自然換氣的溫度模擬及適當的冷暖空調大小的計算。它集成了EnergyPlus的所有功能，包括冷熱負荷的模擬，能耗(氣體和電力)，溫度和氣流CFD分析等[3]。

1.4.3 DesignBuilder屋頂綠化能量守恒算法

影響屋頂綠化能量傳遞的關鍵參數包括不斷增長的介質深度，土壤的熱容性，植物高度，葉片氣孔導度和土壤濕度等條件。 能量平衡包含來自土壤和植物表面的顯熱(對流)和潛熱(蒸發)熱通量，進入土壤基質的熱傳導以及進出生長介質和葉表面的長波輻射。 圖7為DesignBuilder中綠色屋頂能量守恒定律：

圖7 屋頂綠化能量守恒示意

潛熱通量(L)、顯熱通量(H)、短波輻射(Is)和入射長波輻射(Iir)。 傳導到土壤中以及冠層內長波(LW)輻射的復雜交換，具體公式如下：

2 建模與結果分析

2.1 ENVI-met建模與分析結果

本研究模擬對象以典型6層辦公建筑為例，在ENVI-met中，首先根據建筑物總平布局確定建筑物與周邊園林綠化之間的位置關系，外墻材料和植物類型。在ENVI-met中，簡化了主要材料，外墻和屋頂采用默認材料：混凝土(0.2反照率)。園林綠化喬灌木采用復層綠化[4]，具體模型如圖8所示，模型參數如表2所示。

圖8 ENVI-met建模示意

根據成都市屋頂綠化及垂直綠化技術導則(試行)，建議綠化屋頂覆蓋率應至少滿足50 %的屋頂面積。模擬的三種情景是屋頂A：50 %植被屋頂，屋頂B：70 %植被屋頂，屋頂C：100 %植被屋頂(圖9)。

屋頂A:50%植被屋頂 屋頂B:70%植被屋頂 屋頂C:100%植被屋頂圖9 ENVI-met屋頂綠化示意

圖10所示，采用2 m植物高度，50 %覆蓋率的屋頂綠化，建筑室外環境有大幅度的下降，溫度下降區域隨著屋頂綠化面積的增加而繼續增加。從ENVI-met的結果來看，綠色屋頂A，綠色屋頂B和綠色屋頂C的平均溫度分別下降0.6 ℃，0.63 ℃和0.65 ℃。

圖10 ENVI-met屋頂綠化溫度分布

由模擬結果可見，雖然全屋頂綠化降低熱島效應的效果要優于50 %覆蓋率的屋頂綠化，但50 %覆蓋率的屋頂綠化已有較好的降低熱島效應的效果，且全屋頂綠化的優勢并不顯著。從經濟成本角度考慮，50 %覆蓋率的屋頂綠化為最優方案。

表2 模擬參數輸入值

2.2 DesignBuilder模型與分析結果

DesignBuilder的模擬計算著重探討建筑物全年的能耗，包括供暖和制冷等。基于第二章中的能量守恒公式，屋頂綠化幾個關鍵參數的作用，例如生長介質的深度，葉面積指數(LAI)和生長介質的材料等。簡化模型如圖11所示。

圖11 DesignBuilder建模示意

基礎參數設計：

在DesignBuilder中屋頂綠化的基本參數設置如表3所示。為探究屋頂綠化覆土深度、植物葉片指數、植物高度等因素與建筑節能的影響關系，制定了以下13種方案，并對其對了相應的的模擬型研究(表4)。

表3 DesignBuilder模擬基礎參數輸入值

如圖12所示，13種方案中供暖和供冷均有不同程度的減少。其中方案4LAI5綠化屋頂，土壤深度0.3 m，植物高度0.75 m的方案具有最佳的建筑節能性能， 與沒有綠化屋頂的基線建筑相比，年總制冷負荷和供暖負荷減少約5.3 %。相同的LAI和植物高度，覆土厚度0.4 m的節能性能優于0.3 m的方案。在相同LAI和覆土高度的情況下植物高度1 m的方案節能效果優于植物高度0.5 m的方案。

3 結束語

ENVI-met對建筑周圍微環境的研究證明，屋頂綠化對降低熱島效應有明顯的效果。使用DesignBuilder進行建筑能耗模擬表明，與沒有屋頂綠化的建筑相比，屋頂綠化對建筑全年節能率可達5 %。雖然相較其他被動化的建筑設計策略相比，要保持屋頂綠化最佳狀態還需要后期不斷的圍護，但對城市環境而且，屋頂綠化還有更多的生態價值。本研究僅是對城市立體綠化實踐的初探，城市立體綠化包括屋頂綠化及垂直綠化，在實踐過程中植物的選擇也會更多樣，屋頂綠化很少由單一種類的植物組成，多為樹木、灌木、草皮、攀爬類植物復合種植。進一步研究可探究不同植物組合和不同屋頂綠化布局對建筑節能及熱島強度的影響。

表4 DesignBuilder模擬方案

圖12 DesignBuilder模擬結果