屋面綠化節能技術研究進展

李芳濤，魏格連

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

0 引言

全球氣候變暖和城市規模擴張造成了城市熱島效應等環境問題，為了改善這一現狀，目前很多國家都在不斷優化城市建筑（尤其是圍護結構）的配置。屋面作為建筑的“第5立面”，占城市總表面的20%～25%[1]，是接收太陽輻射最多的建筑圍護結構。因此，研究屋面保溫隔熱是十分必要的。本文通過回顧國內外學者對屋面綠化技術的研究，總結屋面綠化結構參數對屋面綠化節能效果的影響，以期為屋面綠化技術在我國的推廣提供依據。

1 屋面綠化的發展情況

屋面綠化通常由以下部分組成（由上到下）：植被層、基質層、濾布、排水層、阻根層和隔熱層[2]，如圖1所示。屋面綠化主要利用植被層的遮擋作用、光和作用、蒸騰作用，以及基質層的水分蒸發作用等，減少屋面對太陽輻射的吸收，降低屋面溫度，削弱屋面向室內的傳熱，提高建筑圍護結構的熱工性能[3-4]，以此降低建筑能耗，緩解城市熱島效應，如圖2所示。

圖1 屋面綠化的典型結構（Fig.1 Typical structure of the green roof）

圖2 屋面綠化傳熱過程（Fig.2 Heat transfer process of green roof）

屋面綠化在國內外的應用日趨廣泛，德國、美國、加拿大、澳大利亞、新加坡等國大力倡導在新建建筑和既有建筑中打造屋面綠化。目前，德國10%的建筑采用了屋面綠化技術；2005年，美國波特蘭市大約有2英畝的屋面綠化[5]；加拿大多倫多市頒布了《屋面綠化章程》規定，要求面積大于2 000 m2的新建建筑，屋面綠化必須占總屋頂面積的20%～60%；韓國政府鼓勵公共部門、民營企業和開發商應用屋面綠化，以實現可持續發展[5]；日本東京相關法規要求新建建筑必須使用屋面綠化，以此推動了亞洲國家屋面綠化的進程[6]。

自20世紀90年代起，我國開始倡導營造屋面綠化來降低建筑能耗、改善城市熱環境的理念，對屋面綠化的推廣主要以一線城市為主[7]，各大城市相繼出臺了《北京屋頂綠化規范》《成都市屋頂綠化及垂直綠化技術導則》等相關標準[8]。2012年，上海首次將立體綠化示范項目納入建筑節能項目專項扶持范圍[9]。我國屋面綠化技術起步較晚，在借鑒國外的成功經驗的同時，要因地制宜建造低成本低、創新高效的屋面綠化。

2 屋面綠化結構參數對節能效益的影響

2.1 植物種類

屋面綠化對節能效益的影響不容忽視，而影響屋面綠化熱工性能的主要參數為植被層和基質層[10]。植被的類型及特性決定了遮蔭水平，影響對基質的熱量傳輸；而基質層的厚度和特性，決定了屋面綠化的熱容，以及向建筑物的熱傳導。

屋面綠化植被的特點是：高度抗旱、無需定期灌溉、維護少及植物根短。植物是屋面綠化中不可或缺的一部分，它利用遮陽、蒸騰和光合作用降低通過屋頂表面的對流和輻射傳熱。植物間的節能效益存在差異，主要是由于植被層形成的附加熱阻不同[11]，在同一環境中，不同植被的冠層溫度不同。Jim[12]在香港的研究發現，花生的蒸騰速度比景天快，可以顯著冷卻上方的近地空氣溫度和葉面溫度，但其蒸發冷卻效果是單向的，不能冷卻下方的基質層溫度。由于花生地具有高持水能力，產生了熱沉效應，推動熱量向下，造成了花生地的室內冷負荷高于景天地。MacIvor等人[13]通過研究也得到類似結果，種植景天的降溫效果比草更好。在不同的氣候條件下，景天科表現良好、對維護要求低、抗旱性能強，因此在粗放型屋面綠化中，景天科備受關注[14]。

部分地區沒有景天科植物，可以選擇合適的本地植被，選擇適應當地氣候條件、且易被獲取的本地植被，以便更好地發揮屋面綠化的優勢[15-17]。Schweitzer等人[18]在研究地中海氣候下本地植物對室內氣溫的影響中發現，露草屬的降溫效果顯著，且所需灌溉少，最適合地中海氣候。

綜上所述，景天科植物的節能表現良好，但對于適應了當地氣候的植物來說，其節能力也不容忽視，且本地植物能增加生物多樣性，具有更大的經濟和環境效益。未來的研究重點為：量化當地植物所帶來的實際經濟效益，研究植物耗散途徑的作用，制定適合本地的屋面綠化指南。

2.2 植物特性

植物葉面積指數（LAI）表征植物覆蓋建筑表面積的大小，通常取值范圍為0.5～5.0。LAI能夠反映植物蒸散和太陽能到達土壤表面的程度[19]。近年來各國學者關于LAI與屋面綠化能耗關系的研究見表1[20-22]。由表可知：LAI越大越有利于屋面綠化在夏季的熱工性能；LAI越小冬季供熱能耗越小。

表1 LAI與屋面綠化能耗關系的研究結果（Tab.1 Research results on the relationship between LAI and roof greening energy consumption）

Yaghoobian等人[23]指出，植被覆蓋率影響植物的遮陽效應和蒸發效應，植被覆蓋率越高，基質層表面溫度越低。Alcazar等人[24]使用ENVI-met V4（城市氣候模擬軟件）模擬屋面綠化的微氣候調節能力，研究發現，葉片密度（LAD）高，冠層內的蒸散增加，提升了屋面綠化的冷卻效果。有研究指出，在炎熱氣候或溫暖氣候條件下，植物葉面積大小對減少建筑冷負荷起到至關重要的作用[19]。Umberto[14]研究發現，屋面綠化對城市微氣候的冷卻作用隨著LAI的增加而增強，且屋面綠化的LAI越高，建筑的冷負荷越少，節能效果更佳。植被覆蓋率的作用易受屋面隔熱影響。Yaghoobian等人[23]模擬在隔熱效果不同的建筑上安裝屋面綠化，結果表明，建于1980年前的建筑隔熱差，對能源的需求更易受植被覆蓋率的影響。

表1中不同研究者得到的結果有所不同，這是由于氣候狀況、屋面綠化構造及所安裝的原始屋面隔熱存在不同。總體而言，在夏季應關注植物的生長，提高植物覆蓋率；在冬季尤其是晴天，應及時修剪植物葉片，避免植物葉面積指數過大。以上研究均在LAI恒定的情況下開展的短期實驗模擬。

Zhou等人[25]改進了1種適用于年度模擬、LAI可變的屋面綠化數學模型，經實測證明，改進后的模型更加準確，可以應用于不同氣候區域。考慮植物生長、環境因素對LAI的作用，開發適用于各種氣候的變LAI模型，能更好地確定植物特性對節能效益的長期影響。

2.3 基質層厚度

按基質層厚度，屋面綠化可分為粗放型和集約型這2種[26]。前者主要是為了美觀和生態效益而開發，不是為了公共用途，此類屋面綠化建立在較薄的土壤上（厚度小于15 cm），平屋頂的建筑物均可設置，且設計要求維護少（每年1～2次）。后者通常是為娛樂而設，其土壤厚度為20～200 cm，需要特殊的屋面結構支撐，因此必須將其作為建筑初始設計的一部分[27]。安裝粗放型屋面綠化對屋面的要求更低，因此更受人們歡迎。

基質層提供的隔熱作用取決于其厚度和含水量。近年來關于基質層厚度對屋面綠化節能效益影響的研究參見表2[20-21,28-31]，由表可看出2種截然不同的結論。部分研究表明，基質層厚的節能效果優于基質層薄的，另一部分研究發現基質層越厚，屋面的隔熱能力越強，增加了建筑能耗。這主要是由于在夏季，室外天氣炎熱，如基質層厚，能降低太陽光的照射強度，減少制冷能耗；室外天氣涼爽時，房間內不易散熱，增加了制冷能耗。同理在冬季，室外氣溫低時，如基質層厚，能避免室內熱量流失，減少供熱能耗；室外氣溫高時，室外熱流不易流入室內，增加了供熱能耗。為解決夏季屋面綠化的反向傳熱問題，可增加通風設施，加速散熱；為克服冬季吸熱少的問題，可加設太陽能吸熱裝置，彌補屋面綠化的缺陷。

表2 基質層厚度對屋面綠化節能效益影響的研究結果（Tab.2 Study on the effect of substrate thickness on energy saving efficiency of roof greening）

2.4 基質層含水量

土壤的熱性能，如導熱性、熱容及擴散率，均會隨土壤濕度而變化，影響屋面綠化的節能效果。當基質從干燥轉變為飽和狀態時，熱導率和比熱容均有顯著增加[32]。Pianella等人[33]采用穩態技術，發現基質熱導率隨水分的增加而增大。屋面綠化的主要散熱方式是蒸發和凈長波輻射，而蒸發的強度取決于土壤水分含量[34]。Jim等人[35]通過每日定期灌溉綠色屋頂，觀察到土壤水分可以儲存能量、抑制晝夜溫度波動并維持屋面蒸發。Lazzarin等人[36]發現，基質層在含水率高的情況下，可以大幅減少傳入室內的熱量，甚至使得熱量由室內傳向室外。楊真靜等人[37]也得出相同的結論，屋面熱流密度與土壤濕度呈負相關，而隔熱能力與土壤濕度呈正相關。

研究表明，基質層含水量越大，屋面綠化的隔熱效果越好，但耗費的水資源越多，成本也越高。因此，應根據植物特性及當地條件，維持適中的基質層含水量。基質層含水量是影響植物生長狀態的重要指標，但目前，未充分研究基質層含水量與植物生長狀況的相互作用，導致研究結果與實際情況存在誤差。

3 結論

本文概括了近5年來國內外學者對屋面綠化節能技術的研究成果，發現作為附加隔熱，屋面綠化減少了通過屋頂結構的熱流，降低了制冷供熱能耗。其中，植物種類、葉面積指數、基質層厚度、含濕量等參數對屋面綠化的節能性有顯著影響。夏季耐旱、葉面積指數高，以及冬季植被覆蓋率低的植被，能最大限度地減少建筑能耗。基質層厚度的增加，能減少冬季熱負荷，但其對于夏季冷負荷的影響，結論存在差異。基質層含濕量越高，屋面的蒸發冷卻效應越好，有利于屋面的保溫隔熱。

屋面綠化是減少建筑能耗的有效措施，但仍存在許多限制其使用的因素，對屋面綠化在節能的技術研究提出以下建議。

（1）目前，關于屋面綠化節能效果的研究文章僅關注幾個典型的氣候區域。在美國、澳大利亞、歐洲和少數亞洲國家，粗放型屋面綠化是1項成熟的技術。但在發展中國家，對屋面綠化的研究非常有限。因此，其他國家/地區只能選擇進口屋面綠化部件，但由于存在適應性等問題，導致最終失敗。考慮到每個國家均有不同的氣候條件和城市化形式，開展本地研究至關重要，包括準備生長基質并篩選本地植物，以便在各個地區成功地實施適合本地區的屋面綠化。

（2）復合型屋面綠化能夠改善傳統屋面綠化不足的問題，將被動冷卻系統或主動冷卻系統與屋面綠化相結合，并驗證其節能效果和適用性。Bollman等人[38]在屋面綠化設計中加入遮蔭設施，以增大屋面反照率，降低了日間的峰值溫度，同時保留了植物群的功能，有效地結合了涼爽屋面和屋面綠化的優點。另有研究人員集成輻射冷卻系統與屋面綠化，并在中東和亞洲地區實施該技術，證實了在炎熱氣候下，該技術可以顯著地提高室內外的熱舒適度，極大地增強了屋面綠化的冷卻性能。此外，有研究人員開發了1種帶有智能通風控制系統的綠色屋頂，改善了屋面綠化在夜間不易散熱的問題[39]。

（3）目前的研究忽略了屋面綠化設計變量之間的相互作用。比如，基質層導熱率、比熱容等，隨基質層含水量的變化而變化。在之后的屋面綠化模型中，要控制多個參數，以得出更準確的研究結論。

（4）對于屋面綠化的研究，主要集中在室內外局部區域，分析屋面綠化對熱環境和能耗的影響。但在區域尺度上，屋面綠化的研究結果不夠全面，仍停留在定性分析層面，缺乏普適性。應掌握屋面綠化對區域熱環境的影響規律，指導屋面綠化在城市區域中的應用。