李芳涛，魏格连
（湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007）
全球气候变暖和城市规模扩张造成了城市热岛效应等环境问题，为了改善这一现状，目前很多国家都在不断优化城市建筑（尤其是围护结构）的配置。屋面作为建筑的“第5立面”，占城市总表面的20%～25%[1]，是接收太阳辐射最多的建筑围护结构。因此，研究屋面保温隔热是十分必要的。本文通过回顾国内外学者对屋面绿化技术的研究，总结屋面绿化结构参数对屋面绿化节能效果的影响，以期为屋面绿化技术在我国的推广提供依据。
屋面绿化通常由以下部分组成（由上到下）：植被层、基质层、滤布、排水层、阻根层和隔热层[2]，如图1所示。屋面绿化主要利用植被层的遮挡作用、光和作用、蒸腾作用，以及基质层的水分蒸发作用等，减少屋面对太阳辐射的吸收，降低屋面温度，削弱屋面向室内的传热，提高建筑围护结构的热工性能[3-4]，以此降低建筑能耗，缓解城市热岛效应，如图2所示。
图1 屋面绿化的典型结构（Fig.1 Typical structure of the green roof）
图2 屋面绿化传热过程（Fig.2 Heat transfer process of green roof）
屋面绿化在国内外的应用日趋广泛，德国、美国、加拿大、澳大利亚、新加坡等国大力倡导在新建建筑和既有建筑中打造屋面绿化。目前，德国10%的建筑采用了屋面绿化技术；
2005年，美国波特兰市大约有2英亩的屋面绿化[5]；
加拿大多伦多市颁布了《屋面绿化章程》规定，要求面积大于2 000 m2的新建建筑，屋面绿化必须占总屋顶面积的20%～60%；
韩国政府鼓励公共部门、民营企业和开发商应用屋面绿化，以实现可持续发展[5]；
日本东京相关法规要求新建建筑必须使用屋面绿化，以此推动了亚洲国家屋面绿化的进程[6]。
自20世纪90年代起，我国开始倡导营造屋面绿化来降低建筑能耗、改善城市热环境的理念，对屋面绿化的推广主要以一线城市为主[7]，各大城市相继出台了《北京屋顶绿化规范》《成都市屋顶绿化及垂直绿化技术导则》等相关标准[8]。2012年，上海首次将立体绿化示范项目纳入建筑节能项目专项扶持范围[9]。我国屋面绿化技术起步较晚，在借鉴国外的成功经验的同时，要因地制宜建造低成本低、创新高效的屋面绿化。
2.1 植物种类
屋面绿化对节能效益的影响不容忽视，而影响屋面绿化热工性能的主要参数为植被层和基质层[10]。植被的类型及特性决定了遮荫水平，影响对基质的热量传输；
而基质层的厚度和特性，决定了屋面绿化的热容，以及向建筑物的热传导。
屋面绿化植被的特点是：高度抗旱、无需定期灌溉、维护少及植物根短。植物是屋面绿化中不可或缺的一部分，它利用遮阳、蒸腾和光合作用降低通过屋顶表面的对流和辐射传热。植物间的节能效益存在差异，主要是由于植被层形成的附加热阻不同[11]，在同一环境中，不同植被的冠层温度不同。Jim[12]在香港的研究发现，花生的蒸腾速度比景天快，可以显著冷却上方的近地空气温度和叶面温度，但其蒸发冷却效果是单向的，不能冷却下方的基质层温度。由于花生地具有高持水能力，产生了热沉效应，推动热量向下，造成了花生地的室内冷负荷高于景天地。MacIvor等人[13]通过研究也得到类似结果，种植景天的降温效果比草更好。在不同的气候条件下，景天科表现良好、对维护要求低、抗旱性能强，因此在粗放型屋面绿化中，景天科备受关注[14]。
部分地区没有景天科植物，可以选择合适的本地植被，选择适应当地气候条件、且易被获取的本地植被，以便更好地发挥屋面绿化的优势[15-17]。Schweitzer等人[18]在研究地中海气候下本地植物对室内气温的影响中发现，露草属的降温效果显著，且所需灌溉少，最适合地中海气候。
综上所述，景天科植物的节能表现良好，但对于适应了当地气候的植物来说，其节能力也不容忽视，且本地植物能增加生物多样性，具有更大的经济和环境效益。未来的研究重点为：量化当地植物所带来的实际经济效益，研究植物耗散途径的作用，制定适合本地的屋面绿化指南。
2.2 植物特性
植物叶面积指数（LAI）表征植物覆盖建筑表面积的大小，通常取值范围为0.5～5.0。LAI能够反映植物蒸散和太阳能到达土壤表面的程度[19]。近年来各国学者关于LAI与屋面绿化能耗关系的研究见表1[20-22]。由表可知：LAI越大越有利于屋面绿化在夏季的热工性能；
LAI越小冬季供热能耗越小。
表1 LAI与屋面绿化能耗关系的研究结果（Tab.1 Research results on the relationship between LAI and roof greening energy consumption）
Yaghoobian等人[23]指出，植被覆盖率影响植物的遮阳效应和蒸发效应，植被覆盖率越高，基质层表面温度越低。Alcazar等人[24]使用ENVI-met V4（城市气候模拟软件）模拟屋面绿化的微气候调节能力，研究发现，叶片密度（LAD）高，冠层内的蒸散增加，提升了屋面绿化的冷却效果。有研究指出，在炎热气候或温暖气候条件下，植物叶面积大小对减少建筑冷负荷起到至关重要的作用[19]。Umberto[14]研究发现，屋面绿化对城市微气候的冷却作用随着LAI的增加而增强，且屋面绿化的LAI越高，建筑的冷负荷越少，节能效果更佳。植被覆盖率的作用易受屋面隔热影响。Yaghoobian等人[23]模拟在隔热效果不同的建筑上安装屋面绿化，结果表明，建于1980年前的建筑隔热差，对能源的需求更易受植被覆盖率的影响。
表1中不同研究者得到的结果有所不同，这是由于气候状况、屋面绿化构造及所安装的原始屋面隔热存在不同。总体而言，在夏季应关注植物的生长，提高植物覆盖率；
在冬季尤其是晴天，应及时修剪植物叶片，避免植物叶面积指数过大。以上研究均在LAI恒定的情况下开展的短期实验模拟。
Zhou等人[25]改进了1种适用于年度模拟、LAI可变的屋面绿化数学模型，经实测证明，改进后的模型更加准确，可以应用于不同气候区域。考虑植物生长、环境因素对LAI的作用，开发适用于各种气候的变LAI模型，能更好地确定植物特性对节能效益的长期影响。
2.3 基质层厚度
按基质层厚度，屋面绿化可分为粗放型和集约型这2种[26]。前者主要是为了美观和生态效益而开发，不是为了公共用途，此类屋面绿化建立在较薄的土壤上（厚度小于15 cm），平屋顶的建筑物均可设置，且设计要求维护少（每年1～2次）。后者通常是为娱乐而设，其土壤厚度为20～200 cm，需要特殊的屋面结构支撑，因此必须将其作为建筑初始设计的一部分[27]。安装粗放型屋面绿化对屋面的要求更低，因此更受人们欢迎。
基质层提供的隔热作用取决于其厚度和含水量。近年来关于基质层厚度对屋面绿化节能效益影响的研究参见表2[20-21,28-31]，由表可看出2种截然不同的结论。部分研究表明，基质层厚的节能效果优于基质层薄的，另一部分研究发现基质层越厚，屋面的隔热能力越强，增加了建筑能耗。这主要是由于在夏季，室外天气炎热，如基质层厚，能降低太阳光的照射强度，减少制冷能耗；
室外天气凉爽时，房间内不易散热，增加了制冷能耗。同理在冬季，室外气温低时，如基质层厚，能避免室内热量流失，减少供热能耗；
室外气温高时，室外热流不易流入室内，增加了供热能耗。为解决夏季屋面绿化的反向传热问题，可增加通风设施，加速散热；
为克服冬季吸热少的问题，可加设太阳能吸热装置，弥补屋面绿化的缺陷。
表2 基质层厚度对屋面绿化节能效益影响的研究结果（Tab.2 Study on the effect of substrate thickness on energy saving efficiency of roof greening）
2.4 基质层含水量
土壤的热性能，如导热性、热容及扩散率，均会随土壤湿度而变化，影响屋面绿化的节能效果。当基质从干燥转变为饱和状态时，热导率和比热容均有显著增加[32]。Pianella等人[33]采用稳态技术，发现基质热导率随水分的增加而增大。屋面绿化的主要散热方式是蒸发和净长波辐射，而蒸发的强度取决于土壤水分含量[34]。Jim等人[35]通过每日定期灌溉绿色屋顶，观察到土壤水分可以储存能量、抑制昼夜温度波动并维持屋面蒸发。Lazzarin等人[36]发现，基质层在含水率高的情况下，可以大幅减少传入室内的热量，甚至使得热量由室内传向室外。杨真静等人[37]也得出相同的结论，屋面热流密度与土壤湿度呈负相关，而隔热能力与土壤湿度呈正相关。
研究表明，基质层含水量越大，屋面绿化的隔热效果越好，但耗费的水资源越多，成本也越高。因此，应根据植物特性及当地条件，维持适中的基质层含水量。基质层含水量是影响植物生长状态的重要指标，但目前，未充分研究基质层含水量与植物生长状况的相互作用，导致研究结果与实际情况存在误差。
本文概括了近5年来国内外学者对屋面绿化节能技术的研究成果，发现作为附加隔热，屋面绿化减少了通过屋顶结构的热流，降低了制冷供热能耗。其中，植物种类、叶面积指数、基质层厚度、含湿量等参数对屋面绿化的节能性有显著影响。夏季耐旱、叶面积指数高，以及冬季植被覆盖率低的植被，能最大限度地减少建筑能耗。基质层厚度的增加，能减少冬季热负荷，但其对于夏季冷负荷的影响，结论存在差异。基质层含湿量越高，屋面的蒸发冷却效应越好，有利于屋面的保温隔热。
屋面绿化是减少建筑能耗的有效措施，但仍存在许多限制其使用的因素，对屋面绿化在节能的技术研究提出以下建议。
（1）目前，关于屋面绿化节能效果的研究文章仅关注几个典型的气候区域。在美国、澳大利亚、欧洲和少数亚洲国家，粗放型屋面绿化是1项成熟的技术。但在发展中国家，对屋面绿化的研究非常有限。因此，其他国家/地区只能选择进口屋面绿化部件，但由于存在适应性等问题，导致最终失败。考虑到每个国家均有不同的气候条件和城市化形式，开展本地研究至关重要，包括准备生长基质并筛选本地植物，以便在各个地区成功地实施适合本地区的屋面绿化。
（2）复合型屋面绿化能够改善传统屋面绿化不足的问题，将被动冷却系统或主动冷却系统与屋面绿化相结合，并验证其节能效果和适用性。Bollman等人[38]在屋面绿化设计中加入遮荫设施，以增大屋面反照率，降低了日间的峰值温度，同时保留了植物群的功能，有效地结合了凉爽屋面和屋面绿化的优点。另有研究人员集成辐射冷却系统与屋面绿化，并在中东和亚洲地区实施该技术，证实了在炎热气候下，该技术可以显著地提高室内外的热舒适度，极大地增强了屋面绿化的冷却性能。此外，有研究人员开发了1种带有智能通风控制系统的绿色屋顶，改善了屋面绿化在夜间不易散热的问题[39]。
（3）目前的研究忽略了屋面绿化设计变量之间的相互作用。比如，基质层导热率、比热容等，随基质层含水量的变化而变化。在之后的屋面绿化模型中，要控制多个参数，以得出更准确的研究结论。
（4）对于屋面绿化的研究，主要集中在室内外局部区域，分析屋面绿化对热环境和能耗的影响。但在区域尺度上，屋面绿化的研究结果不够全面，仍停留在定性分析层面，缺乏普适性。应掌握屋面绿化对区域热环境的影响规律，指导屋面绿化在城市区域中的应用。
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