西南地區(qū)公共建筑立體綠化設(shè)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(xué)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(yè)大學(xué)建筑學(xué)院, 黑龍江哈爾濱 150006;4. 黑龍江省寒地建筑科學(xué)重點實驗室， 黑龍江哈爾濱 150006)

自20世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市化和工業(yè)化顯著增加，人們的生活質(zhì)量得到了顯著提高。 然而，城市生態(tài)環(huán)境也因城市建設(shè)和城市人口的膨脹受到了極大的影響。世界上污染最嚴(yán)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(wèi)生組織的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 中國正面臨著城市化帶來的可持續(xù)發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)，例如城市化導(dǎo)致的空氣污染等一系列的環(huán)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(zhì)。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(fā)展，氣候變化和空氣污染等問題已日益嚴(yán)峻。緩解城市熱島效應(yīng)也是需要解決的重點問題之一，熱島效應(yīng)充分解釋了城市化與城市氣候變化之間復(fù)雜的關(guān)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(guī)模和高強度的人類活動導(dǎo)致能源消耗、溫室氣體排放增加。根據(jù)成都?xì)庀蠼y(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016年6月的最高溫度達(dá)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(fā)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(fā)展的政策和方針，推進(jìn)西南地區(qū)打造綠色生態(tài)城市，為城市建設(shè)提出指導(dǎo)性意見。大力發(fā)展公共建筑立體綠化技術(shù)，亦有利用于推進(jìn)城市綠色建筑的發(fā)展，在綠色建筑設(shè)計與運營階段均具有積極的作用。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)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(jù)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(shù)據(jù)來源于Meteonorm 7。圖1～圖4顯示了成都?xì)夂虻奶卣?，包括年溫度范圍，太陽輻射，降雨量和風(fēng)速，具體特征詳見圖1～圖4。

圖1 成都地區(qū)逐月溫度變化

圖2 成都地區(qū)逐月太陽輻射變化

圖3 成都地區(qū)逐月降雨量變化

圖4 成都地區(qū)逐月風(fēng)速變化

如圖1～圖4所示，成都地區(qū)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(fēng)季節(jié)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(fēng)，成都市相比較于沿海城市，更有利于密集型綠化屋頂?shù)陌l(fā)展。

1.2 屋頂綠化類型

屋頂綠化的分類是基于屋頂?shù)墓δ芑蛘咧脖坏奶卣?，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(shè)計過程中是根據(jù)項目情況及業(yè)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(dǎo)則《屋頂綠化及垂直綠化技術(shù)導(dǎo)則(試行)》，但在屋頂綠化的分類上，德國屋頂綠化導(dǎo)則在中國得到了廣泛引用和改編。在導(dǎo)則中，輕質(zhì)型屋頂綠化通常在不上人屋頂上，生長介質(zhì)厚度介于2.5～15.2 cm之間。輕質(zhì)型屋頂綠化的植物高度通常有限制，并且多為適應(yīng)性、耐旱性較強的植物，較易維護(hù)。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(yǎng)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(zhì)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(gòu)造

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

表1 屋頂綠化具體形式

圖6 屋頂綠化構(gòu)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(shè)計的軟件程序。在ENVI-met中設(shè)計了一個三維微氣候模型，以模擬城市環(huán)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(guī)模到大型網(wǎng)絡(luò)的相互聯(lián)系，例如建筑物與周圍環(huán)境的相互作用。 建筑物的布局、建筑材料和植物分布創(chuàng)造了一個微氣候系統(tǒng)，對室內(nèi)和室內(nèi)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(huán)境之間的能量交換[2]。

1.4.2 DesignBuilder

DesignBuilder是由英國DesignBuilder公司開發(fā)的仿真模擬軟件。 軟件開發(fā)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(xiàn)過加熱的影像、能源消費等。最適當(dāng)?shù)匦：怂褂玫淖匀还猓瑢嵭姓彰骺刂葡到y(tǒng)和電器照明節(jié)約的計算。同時，還可進(jìn)行自然換氣的溫度模擬及適當(dāng)?shù)睦渑照{(diào)大小的計算。它集成了EnergyPlus的所有功能，包括冷熱負(fù)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(guān)鍵參數(shù)包括不斷增長的介質(zhì)深度，土壤的熱容性，植物高度，葉片氣孔導(dǎo)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(fā))熱通量，進(jìn)入土壤基質(zhì)的熱傳導(dǎo)以及進(jìn)出生長介質(zhì)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(dǎo)到土壤中以及冠層內(nèi)長波(LW)輻射的復(fù)雜交換，具體公式如下：

2 建模與結(jié)果分析

2.1 ENVI-met建模與分析結(jié)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(jù)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(guān)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(rèn)材料：混凝土(0.2反照率)。園林綠化喬灌木采用復(fù)層綠化[4]，具體模型如圖8所示，模型參數(shù)如表2所示。

圖8 ENVI-met建模示意

根據(jù)成都市屋頂綠化及垂直綠化技術(shù)導(dǎo)則(試行)，建議綠化屋頂覆蓋率應(yīng)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(huán)境有大幅度的下降，溫度下降區(qū)域隨著屋頂綠化面積的增加而繼續(xù)增加。從ENVI-met的結(jié)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(jié)果可見，雖然全屋頂綠化降低熱島效應(yīng)的效果要優(yōu)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(yīng)的效果，且全屋頂綠化的優(yōu)勢并不顯著。從經(jīng)濟成本角度考慮，50 %覆蓋率的屋頂綠化為最優(yōu)方案。

表2 模擬參數(shù)輸入值

2.2 DesignBuilder模型與分析結(jié)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?；诘诙轮械哪芰渴睾愎剑蓓斁G化幾個關(guān)鍵參數(shù)的作用，例如生長介質(zhì)的深度，葉面積指數(shù)(LAI)和生長介質(zhì)的材料等。簡化模型如圖11所示。

圖11 DesignBuilder建模示意

基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)計：

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

表3 DesignBuilder模擬基礎(chǔ)參數(shù)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(jié)能性能， 與沒有綠化屋頂?shù)幕€建筑相比，年總制冷負(fù)荷和供暖負(fù)荷減少約5.3 %。相同的LAI和植物高度，覆土厚度0.4 m的節(jié)能性能優(yōu)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(jié)能效果優(yōu)于植物高度0.5 m的方案。

3 結(jié)束語

ENVI-met對建筑周圍微環(huán)境的研究證明，屋頂綠化對降低熱島效應(yīng)有明顯的效果。使用DesignBuilder進(jìn)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(jié)能率可達(dá)5 %。雖然相較其他被動化的建筑設(shè)計策略相比，要保持屋頂綠化最佳狀態(tài)還需要后期不斷的圍護(hù)，但對城市環(huán)境而且，屋頂綠化還有更多的生態(tài)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(fù)合種植。進(jìn)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(jié)能及熱島強度的影響。

表4 DesignBuilder模擬方案

圖12 DesignBuilder模擬結(jié)果