装配式屋顶花园节能技术应用与分析 | 程仁武文才臻张俊涛＊

Application and Analysis of Energy Saving Technique for Assembled Roof Garden

2018-08-28 -

程仁武文才臻张俊涛＊（广州市林业和园林科学研究院，广东广州 510405）

＊

CHENG Ren-wu, WEN Cai-zhen, ZHANG Jun-tao

（Guangzhou Academy of Forestry and Landscape Architecture, Guangzhou 510405, China）

摘要：基于屋顶绿化生态节能应用及建设休憩场所的双重需求，以广州市林业和园林科学研究院办公楼屋顶为例，从景观设计、节能与可再生能源利用、节水与水资源利用以及环境质量方面入手，系统应用太阳能供电、雨水收集、智能喷灌及生态景观技术建造装配式屋顶花园，能有效降低办公楼内外温度，净化了屋顶空气质量，节约了水资源，美化了屋顶景观。探索屋顶花园生态节能新途径，以期为城市屋顶绿化节能减排工作提供参考。

关键词：装配式屋顶花园；智能给排水；生态节能；生态景观中图分类号：TU986；S688

文献标志码：A

文章编号：1671-2641(2018)04-0064-05

收稿日期：2018-05-16

修回日期：2018-07-30

Abstract: Based on the dual demand of energy-saving intelligent application of roof greening and construction of resting place, this paper takes the roof garden of Guangzhou Academy of Forestry and Landscape Architecture as an example, explores intelligent water supply and drainage system of the fabricated roof garden from the aspects of solar power supply system, rainwater collection system and intelligent sprinkler irrigation system, we also explore a new way for ecological and energy saving roof garden construction. The purpose of this paper is to provide references for promoting urban energy conservation and emission reduction.

Key words: Fabricated roof garden; Intelligent water supply and drainage; Energy conservation and emission reduction; Ecological landscape

屋顶绿化作为城市绿化的重要组成部分，对拓展城市绿地空间、美化景观、缓解城市热岛效应、改善生态环境有着重要作用 [1~3]。联合国环境规划署的一项研究表明，一个城市的屋顶绿化率如果达到70% 以上，城市上空的 CO2 含量将下降80%，热岛效应将基本消失[4]。目前，屋顶花园的应用研究已在多个城市开展，并形成了简单式和花园式屋顶绿化2 种较为成熟的类型 [5]。

屋顶花园建设形式多样，传统的建设内容包括防水层、阻根层、排水层、过滤层、基质层、植被层、灌溉系统等[5]，但也存在建设工艺繁杂、荷载要求高、施工进度慢、造价成本高等问题。装配式屋顶绿化是近几年发展起来的新技术，起源于美国，是指根据建筑物特点，将具有排水、蓄水、过滤、通风、阻隔根等功能的可移动容器拼装成一个完整的绿化系统，并在其中种植植物，具有代表性的是北京奥运会主场馆“鸟巢”的足球场草坪项目[6]。与传统屋顶绿化相比，装配式屋顶绿化具有很好的蓄水、排水和阻根能力，可自由拆卸移动，荷载轻，成景快且能有效降低能耗等优点[7]。经不断研发改进，装配式屋顶绿化技术已逐渐成为屋顶绿化发展的新趋势。随着屋顶绿化的快速发展，生态节能与智能化管理成了其建设的重要内容。

本文探索适用于城市屋顶节能减排的技术，以广州市林业和园林科学研究院办公楼屋顶装配式屋顶花园节能设计为例，应用太阳能供电、雨水收集、智能喷灌及生态景观技术等技术建造节能屋顶花园，同时分析其对降低室内温度、改善空气质量的效果，以期改善屋顶眩光与空中景观、延长建筑使用寿命、净化城市高空空气，提高生态和节能效应。

1研究区域概况、设计理念及施工

1.1 研究区域概况广州市林业和园林科学研究院办

公楼建于 20 世纪 80年代，屋顶呈长方形结构，长20 m，宽 12 m，可绿

化面积约210 m ；建筑南面为小丘陵，其余三面无遮挡，光照充足。研究区域属亚热带季风气候，雨水资源丰富，年平均降水量超过1 800 mm，雨水资源充足[8]。项目定位为办公休憩绿地，研究区域屋面为原始裸露水泥屋顶，不适宜进行大强度改造。经专业机构测试，屋面荷载为200 kn•m-2。

1.2屋顶花园设计理念该屋顶花园以“以人为本，智能管理，生态节约”为理念，结合广州气候特点和屋顶特殊的环境条件，借助智能管理系统，充分利用太阳能、雨水等再生资源，实现资源循环利用。同时以木亭和花架为中心，利用曲径通幽的造园手法，实现绿地、园路和休憩区的有机结合，形成了丰富的空间层次，为使用者营造优美的休憩空间。

该屋顶花园设计主要通过以下措施解决屋顶承重、屋面防水排水、植物根系穿透等技术难点：

1）通过专业评估分析，将木亭、花架、高大乔木等规划到建筑的承重结构部位，比如承重的梁、墙等，分散屋面承重，同时对承重部位进行加固处理，以确保安全；

2）考虑到建筑荷载、屋面防水、阻隔根系穿透等，采用具有排水、蓄水、过滤、通风、阻隔根等功能的装配式屋顶绿化种植槽技术种植绿化植被。

1.3屋顶花园系统组成与功能整合装配式屋顶绿化系统主要由种植子系统和智能给排水子系统组成。种植子系统包含抗旱易养护植物、轻质屋顶绿化营养专用基质和轻质可蓄排水模块化种植容器。智能给排水子系统又包含太阳能供电系统、雨水收集系统和智能灌溉系统3部分（图1）。下雨时，一部分雨水经基质、种植容器的排水过滤层过滤后储存于蓄水层中，多余的雨水经排水槽和运输网管流至蓄水池储存。当屋顶绿化植物的土壤湿度低于标准值时，智能灌溉系统将收集的雨水喷灌至屋顶绿化植物种植处。太阳能供电系统将太阳能转换成电能，用于维持智能灌溉系统的运行及照明等其他需求。

2屋顶花园施工

根据对广州现有的屋顶绿化容器进行详细调查，筛选出适合本屋顶花园的轻质可蓄排水模块化种植容器。该种植容器主要由保温隔热层、排水槽、蓄水层、阻根层和排水过滤层组成，能满足过滤、排水、蓄水、阻根等功能需求。容器规格为 500 mm×500 mm×70 mm，可根据施工现场需求进行机动拼装；容器上方可以根据种植植物的不同进行围边的叠加，围边尺寸是100 mm，容器之间通过卡槽连接，由排水通道风槽连通，形成通路（图2）。

在植物配置上，参考《屋顶绿化技术规范》（DB440100T 111-2007）要求，重点选择耐热、抗风、耐旱、生长缓慢、耐修剪、滞尘能力强、低维护的植物种类[9]。本案例结合实地条件并充分考虑植物特性，选用了较为轻型的毛竹 Phyllostachys edulis、旅人蕉 Ravenala madagascariensis、茶花 Camellia japonica、剑麻 Agave sisalana、鹤望兰 Strelitzia reginae、琴叶珊瑚 Jatropha integerrima、朱蕉Cordyline fruticosa 等小型花灌木，地被植物则选用铺地锦竹草 Callisia repens、佛甲草 Sedum lineare、锦绣苋 Alternanthera bettzickiana、彩叶草Plectranthus scutellarioides 等（图3），不仅耐干旱易养护，且色彩丰富，绿化效果好。

基质对屋顶花园整个系统的长期稳定起着关键作用 [10~11]，李卓

[12~13]

等研究表明，土壤容重越小，其滞留贮水量、吸持贮水量和饱和贮水量越大。为同时满足植物生长、屋顶荷载和蓄排水要求，屋顶花园应选用具有轻质、洁净、养分释放持久、排水通透、施工简便、适宜植物生长、无臭味等优良特性的栽

培基质 [14]。综合考虑容重、肥效等因素，经过多方筛选对比，该屋顶花园选用的基质为广州市林业和园林科学研究院自主研发的轻质屋顶绿化营养专用基质，其ph 值为 6.94， EC 值为 0.78 ms•cm-1，容重为 0.36 g•cm-3，总孔隙度为 56.25%，有机质含量为 485.63 g•kg-1。

3智能给排水系统

给排水系统是保证屋顶花园日常养护的主要配套设施，包括太阳能供电系统、雨水收集系统和智能灌溉系统3部分（图4），充分利用太阳能及回收雨水，通过湿度感应，启动智能灌溉，实现节能节水目的，低碳环保。

3.1太阳能供电系统在办公楼楼梯间顶部及花架上方设置薄膜太阳能光伏发电机组。薄膜光伏工作时，通过薄膜分光技术将太阳辐射分为植物需要的光能和用于太阳能发电的光能，既满足了植物生长需求，又实现了光电转换。太阳能光伏机组将太阳能的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中（图5），满足屋顶花园智能喷灌系统、照明系统等提供用电需求。

发电机组装机容 3.0 kw，年理论发电量达4 000 kw•h，机组使用寿命达 25年以上。通过测算喷灌系统、雨水收集池动力系统和照明系统用电总量，该发电机组发电量能充分满足需求。当极端天气蓄电池电量不足时，系统通过切换器自动切换到市政供电。

3.2 雨水回收系统广州雨水资源丰富，空气质量较好，雨水经屋顶绿化层层过滤后水质较佳，开展雨水回收利用具有得天独厚的优势。该项目通过利用屋顶自然高差设置雨水收集系统，实现对雨水回收利用。系统主要包括蓄水种植容器、排水管道、蓄水池等（图6）。

种植容器底部设有蓄水槽，容器溢排水管孔系统设计可使容器的底部始终蓄有水分，雨水进入种植容器，经植被层和基质层渗透后被储存于蓄水槽内，上部土壤缺水时，蓄水槽内的水向上蒸发，为植物补充水分。当蓄水槽内的水到达侧壁的溢水口时即可溢出，排入通风排水槽。种植容器截留的雨水及聚集在屋顶防水保护层表面的雨水，通过屋面排水汇集到排水口进入排水管道，从而进入雨水收集池。雨水在收集池经进一步过滤、沉淀净化后可用于灌溉用水，蓄水池水量不够时再切换到市政管网补充用水。

德国瓦尔特g科尔布（Walter Kolb）2002年开展的研究表明，超过

10 cm覆土的屋顶绿化能蓄存50%的雨水 [15]。该屋顶花园按照 70% 的绿地率及年平均降水量1 800 mm 折算，在不考虑雨水回收系统溢出的

情况下，面积 200 m 的屋顶花园 1

3年可利用雨水量达 120 m 以上。通过该屋顶花园 1 年的运行也表明，雨水集水量可基本满足屋顶绿化灌溉用水，只需于秋季极端干燥时期进行少量灌溉补水。

3.3 智能灌溉系统该屋顶花园智能喷灌系统运用美国 HUNTER 中央控制系统、SOLAR SYNC气候传感器及土壤湿度传感系统组合，包括传感系统、中央控制系统、电磁阀、输送网络等。气候传感器自动收集降雨量、光照强度、温度等参数，通过内置程序计算当天的植物ET值（蒸发蒸腾量）；土壤湿度传感器由设置在土壤根系层中的多个土壤湿度传感器组成，用于检测土壤湿度；中央控制系统计算机分析气候传感器和土壤湿度传感器传送的信号，以决定电磁阀启用与关闭。该屋顶花园以美国HUNTER 公司 ET系统推荐的“土壤含水量30％ ~50％”作为屋顶绿化植物管理的土壤湿度标准，即当土壤湿度达到50% 的上限值时发送信号给控制器，控制器即停止灌溉；当土壤湿度低于30% 的下限时，发送信号给控制器，避免植物因缺水凋萎。

4效益分析

该屋顶花园通过节能智能喷灌系统的应用，有效利用了太阳能、雨水等再生资源，缓解暴雨形成的屋顶积水，达到节能减排目的，产生了很好的环境、经济和社会效益。节能智能喷灌系统中屋顶太阳能发电系统年发电4 000 kw•h；雨水回收系统中在不考虑溢出的情况下，可利用雨水量达 120 m3 以上；通过湿度感应实现精准灌溉，节约了用水，并且保护了植物根系因淋水过多而导致的烂根，还减少了人工运行维护的费用；蓄水容器的应用，减少了防水和阻根层建设的费用，又对屋顶起到保护作用，减少了房屋的维修费用。此外，办公楼屋顶花园的建设能为职工提供新的花园绿地空间和休憩场所，有助于其消除工作疲劳、提升工作热情等。

5结语

该屋顶花园设计遵循了生态节能原则，其智能灌溉系统有效利用了太阳能、雨水等再生资源，通过自动采集土壤湿度，实现屋顶花园精准灌溉。该系统在屋顶花园运行一年以来，植物长势茂盛、四季有花，显著增加了绿量，为办公楼增加了绿色的活动空间（图7），有效改善热环境，取得了较好的经济、环境和社会效益，也是海绵城市建设的

有力实践。

经过一年多的实践应用，该项目也存在一些不足，比如智能喷灌系统一次性投入过高，需要较长的周期进行消化。这需要加大科技创新力度，开展屋顶绿化新材料和新技术的专向研发与推广，以进一步降低建设成本，为屋顶绿化事业提供强大的科技支撑。同时结合城市发展和气候特征，总结过往屋顶花园经验以及借鉴、引进国外的先进经验技术，建设生态节能型屋顶花园，从而使屋顶花园在我国生态文明城市建设中发挥出最大的生态景观效果。

注：本文图片均为作者自绘自摄。

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98-104. 作者简介：程仁武 /1985 年生/男/福建莆田人/硕士研究生/工程师/专业方向为风景园林