BuildingandEnvironment162(2019)106273
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Building and Environment
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Green roofs to reduce building energy use? A review on key structural factors of green roofs and their effects on urban climate
Tiziana Susca
ENEA Italian National Agency for New Technologies, Energy and Sustainable Economic Development, Via Anguillarese, 301, 00123 S. Maria di Galeria, Rome, Italy
A R T I C L E I N F O
Keywords:
Green roofs Climate mitigation
Urban heat island Energy saving Urban sustainability
Urban policy making
A B S T R A C T
In the next decades, the increase in global population will lead to further urbanization determining, on the one hand, an increase in building energy use and, on the other hand, a surge in urban temperature, which, in turn, affects building energy demand. Since the building sector greatly contributes to the use of energy globally, the amelioration of this sector is an urgent issue to contribute to climate stabilization. Published literature shows that green roofs affect both directly and indirectly building energy use, delivering the message that green roofs are fit-all solutions. However, the efficacy of the deployment of green roofs varies
depending on climate and their specific design.
The present study provides a geographically explicit review of the potential building energy benefits deriving from the installation of green roofs depending on their specific design aiming at answering the following research questions:
- Are green roofs fit-all solutions for decreasing building energy use in diverse climates?
- How should insulation, growing media, and plant selection of green roofs be calibrated in different climates to maximize their effect on building energy use?
- How can green roofs contribute to urban heat island-mitigation in different climates?
Answering these research-questions, this study provides urban decision-makers and planning agencies useful insights, not only to prioritize strategies, but also to efficiently design by-laws and local regulations to maximize the potential positive effect of urban-wide green roof deployment on building energy use.
Background
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- Building energy use
In 2007 the majority of the world-wide population became urban [1], and, by 2050, this percentage will continue growing reaching 66% [2], entailing further urbanization [3]—one of the major an- thropogenic contributors to climate change [4]—and the potential raise of local warming phenomena: Urban Heat Island (UHI) effect [5]. This latter, in turn, augments cooling energy demand [6–12] and the related Greenhouse Gas (GHG) emissions that feed-back climate change.
Nowadays, the building sector is responsible for the use of almost 120 EJ globally and about 30% of global carbon dioxide (CO2) emis- sions [13]. As in the EU28, between 1990 and 2013, the energy-use in the household sector dropped by just 3.2% [14], a further amelioration of the building sector is mandatory to diminish energy use, contributing to climate stabilization.
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- Green roofs as a mitigation measure
Among other mitigation and adaptation strategies [15–18], green infrastructures can contribute to urban wastewater management [19,20] and to mitigate urban temperature [5,21–24]. Since in densely urbanized cities residual surfaces convertible into vegetated areas are rarely available, rooftops can provide unexploited urban surfaces [25,26] that can help climate adaptation and mitigation. As, in the last decades, the interest towards climate change mitigation and urban climate resilience is growing, green roofs are gaining importance and a wide body of research has been published to ameliorate their perfor- mances and to investigate their benefits in different climates (e.g., Refs. [27–31]).
Green roofs can be mainly clustered into extensive and intensive. Extensive green roofs are usually more economically affordable than intensive green ones and because of their lightweight—typically the growing medium layer is 5–15 cm—they can retrofit existing rooftops [32–34]. Because of their easy installation, green roofs mounted on
modular trays are becoming popular, although, they cannot be used for pedestrians or for recreational purposes because of their limited struc- tural resistance. Typically, green roofs are constituted—from top to bottom—by: vegetation layer, growing medium, waterproofing mem- brane, and insulation layer [35]. Additional layers to their basic con- figuration are a root barrier and a drainage layer [36]. Usually, growing medium is an artificial light substrate and plants are succulent species because of their resistance, minimal maintenance, and limited or un- necessary irrigation [36,37]. Intensive green roofs, also called roof gardens, are characterized by a 15–120 cm thick growing medium that permits to shrubs, little trees, large plants or lawns to grow, providing urban amenities and recreational areas [35,38]. Because of their weight, intensive green roofs can be exclusively installed on specifically designed flat rooftops. The environmental benefits provided by in- tensive green roofs are the same or greater than extensive roofs, but the maintenance and irrigation costs are higher [39].
Initial and management costs make green roof wide-deployment unattractive, especially in hot climates, where irrigation is crucial in decreasing cooling loads [40–43], and watering costs can exceed the economic benefits deriving from the decrease in building energy de- mand.
Green roof installation can be beneficial both at building and ur
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绿色屋顶减少建筑物能源消耗？绿色屋顶的关键结构因素及其对城市气候的影响
摘要：在未来几十年，全球人口的增长将导致进一步的城市化，一方面决定了建筑能源使用的增加，另一方面，造成了城市温度的激增，反过来，也影响了建筑能源需求。由于建筑部门大大有助于全球能源的利用，改善这一部门是促进气候稳定的一个紧迫问题。
已发表的文献表明，绿色屋顶直接或间接地影响建筑能源的使用，传递出绿色屋顶适用于所有解决方案的信息。然而，绿色屋顶的应用效果视乎气候和屋顶的特定设计而有所不同。
这项研究按地理位置详细检测了建筑物应用绿色屋顶所带来的潜在能源效益，视乎屋顶的具体设计而定，旨在回答以下研究问题:
- 绿色屋顶是否适用于在不同气候条件下减少建筑能耗的所有解决方案？
- 如何在不同气候条件下校准绿色屋顶的隔热、生长介质和植物选择，以最大限度地提高其对建筑能源的影响？
- 在不同气候条件下，绿色屋顶如何有助于缓解城市热岛效应？
针对这些研究问题，本研究为城市决策者和规划机构提供了有益的见解，不仅可以确定战略的优先次序，而且可以有效地设计规章制度和地方法规，最大限度地发挥城市绿色屋顶应用对建筑能源利用的潜在积极作用。
关键词：绿色屋顶;减缓气候变化;城市热岛;节约能源;城市可持续性;城市政策制定
1.背景
1.1.建筑能源使用
2007 年，全世界大多数人口都进入了城市，到2050年，这一比例将继续增长达到 66%，进一步推动城市化进程。城市化是造成气候变化的主要因素之一，也是局部变暖现象的潜在增强因素:城市热岛效应[5]。后者反过来又增加了冷却能源的需求[6-12]和反馈气候变化的相关温室气体(GHG)排放。
如今，全球大约有 120 兆焦耳(EJ)和 30%的二氧化碳(CO2)排放量来自建筑行业。与欧盟 28 国一样，在 1990 年至 2013 年期间，家庭部门的能源使用仅下降了 3.2%，建筑部门的进一步改善是减少能源使用的强制性措施，有助于气候稳定。
1.2.绿色屋顶作为环节措施
在其他减缓和适应战略[15-18]中，绿化基础设施可有助于城市废水管理[19,20]和缓解城市温度[5,21-24]。由于在人口密集的城市化城市中，很少出现可以转换为植被区域的残余地表，而屋顶可以提供未开发的城市地表，有助于适应和减缓气候变化。近几十年来，人们对减缓气候变化和城市应对气候变化的兴趣日益浓厚，绿色屋顶越来越受到重视，人们发表了大量的研究成果，以改善绿色屋顶的性能，并研究其在不同气候条件下的效益。[27-31]).
绿色屋顶主要是大面积和密集的屋顶绿化。大面积型屋顶绿化通常比密集型屋顶绿化更经济实惠，而且它们重量轻(通常中间层的长度为5-15 厘米)，因此可以翻新现有的屋顶[32-34]。并且易于安装，在屋顶上安装绿色屋顶模块化托盘正变得流行，但因为他们有限的结构阻力，虽他们不能用于行人或娱乐目的。典型的绿色屋顶由上至下依次为:植被层、生长介质、防水材料和隔热层[35]。附加层的基本构造是一个根屏障和一个排水层[36]。通常，生长介质是一种人造光基质，植物是多浆植物，因为它们具有抗性好，粗放管理，少量或不需要灌溉[36,37]的优点。密集型的屋顶绿化，也称为屋顶花园，生长基质15-120 厘米厚，可以种植灌木、小树、大型植物或草坪，并提供城市设施和娱乐区域[35,38]。由于它们的重量较重，密集型的屋顶绿化需要在专门设计的平屋顶上应用。密集 较高[39]。
初始成本和管理成本减少了应用绿色屋顶的吸引力，特别是在炎热的气候条件下，灌溉是降低冷却负荷的关键[40-43]，浇水成本可能超过建筑能耗降低带来的经济效益。
绿色屋顶可以有益于建筑物和城市规模:有助于节约能源(例如，Refs。[44-50]);减少屋顶表面的热振荡，从而可以延长屋顶隔热层的寿命[36,51,52];减少噪音[53,54]，提高空气质量[55-59]，有助于美化城市[35]，提高城市生物多样性[58-60]，减少雨水径流[61-72]，并减轻城市热岛效应[73-75]。
1.3.绿色屋顶和城市规则
城市政策可以广泛推广绿色屋顶，为整个社区带来好处[43]。这种政策可以刺激市场竞争，降低绿色屋顶的初始成本，从而缩短投资回收期[78,79]。
一些行政部门已经制定了附则和倡议，以促进绿色屋顶的部署。例如，2009 年，多伦多市议会通过了绿色屋顶条例，指导城市绿色屋顶的应用[59]。多年来，芝加哥市为绿色屋顶的部署提供资助;此外，波特兰市为绿色屋顶的安装提供占地面积比例奖金。此外，加拿大安大略省滑铁卢市开发了一些项目，支持应用绿色屋顶，并将市政厅和东景社区中心的屋顶等公共空间改造成绿色屋顶[77]。在瑞士，许多州的法律要求使用绿色屋顶，而在英国，尽管没有实施相关政策，但在过去几年里，绿色屋顶增加了300%。
- 研究的依据及目的
在未来几年，世界范围内居民的增加将导致城市化地区的增加，这将带来建筑物能源需求的增长和城市温度的激增(即城市热岛效应)，这反过来将影响建筑物的能源使用，特别是在温暖气候条件下的能源使用。为了防止建筑部门的能源需求增加，并成功地促进热岛效应减缓和气候稳定，城市决策者需要采取有效措施。
绿色屋顶可以减少建筑物的能源消耗，提供额外的热阻，同时减轻城市热岛效应，反过来减少建筑物的冷却能源需求。它们通常被认为是万能的解决方案。然而，气候和完成绿色屋顶的需求可能会宣布成功或失败的部署。
在过去的几年里，随着人们对绿色屋顶兴趣的增长,相关文献急剧扩大(图 1)。在《科学网》(WebofScience)上，2013 年至2018 年间发表的 1403 篇关于“绿色屋顶”(greenroof)的科学文章可以找到。
图一.2013年至2018年发表有关绿色屋顶的科学文章数目
这项研究提出了一个关于绿色屋顶配置对建筑能源利用和城市热岛效应的影响的最新文献综述，包括荟萃分析。
这项评估已经在科学网站上进行，作为选择标准，关键词是“屋顶绿化”和“冷却能源”;“绿色屋顶”和“建筑能源使用”。综述性文章和国内期刊发表的文章被排除在目前的研究之外，此外，观察和模型研究也被包括在内。从 2013 年到 2018 年底，在国际科学期刊上共发表了160篇同行评议的科学文章，提供了有关绿色屋顶的热行为与其绝缘性、生长介质、植物选择以及对热岛效应缓解的贡献的信息。
本研究旨在回答以下研究问题:
-绿色屋顶是否适用于在不同气候条件下减少建筑能耗的所有解决方案？
-如何在不同气候条件下校准绿色屋顶的隔热、生长介质和植物选择，以最大限度地提高其对建筑能源使用的影响？
-在不同的气候条件下，绿色屋顶如何有助于缓解城市热岛效应？
这项调查的最终目标是提供关于绿色屋顶影响的气候和设计知情的见解，以明智地制定城市政策。
- 结论
本研究提供的文献综述表明，近年来发表的关于绿色屋顶及其对建 筑能源利用和城市热岛效应的科学论文集中在有限的几个气候区域。因 此，今后的研究最好涵盖迄今为止为了进一步扩大关于全面铺设绿化屋顶的潜在影响的知识。通过元分析发现，虽然生长介质、灌溉和植物选择可能影响屋顶绿化的热性能，但后者可以提供一些共同的特征。
绿化屋顶并不总是有利于减少建筑物的能源需求。在温暖的气候，例如 Aw、BSk、Cwb 和 csa，它们在非隔热屋顶上的使用会使供暖能源需求减少 20%至 60%。同时，在沙漠气候(即 BWh 和 BWk)，绿色屋顶的安装可能没有影响甚至有害。此外，在非隔热屋顶上安装绿化屋顶，可以有效地减少 10-75%的冷却能源需求。同样，绝缘绿色屋顶在除BSh 和 Dfa 以外的所有灌木化气候区降低了最多 30%的供暖和制冷能源需求，这两个地区的部署对供暖能源需求没有影响。
绿色屋顶的土壤层提供的热绝缘对于降低寒冷气候下的建筑能源需求至关重要。同时，在冬季，在温暖的气候条件下，土壤层提供的热绝缘可以通过蒸发散热和植物遮荫来抵消。在热带气候条件下，4 厘米厚的土壤层提供了最佳的热绝缘，而更厚的土壤层不会提供任何额外的好处。此外，在德瓦、Dfa 和 Cfa 气候区，最佳土壤厚度为 30 厘米，在干燥气候条件下，灌溉是减少建筑能源需求的关键。然而，如果没有灌溉，在干燥的气候条件下，绿色屋顶会对建筑能源的使用产生微不足道甚至有害的影响。相反，在多雨的气候条件下，灌溉对绿色屋顶的影响是无关紧要的。综述还表明，LAI 对于降低温热气候下的建筑能源需求具有重要作用，但其影响在多云天数下降。
在所有被调查的气候区，屋顶绿化有利于减轻屋顶的热岛效应。因此，绿色屋顶的广泛应用可以为城市内部提供更加舒适的城市气候，提供额外的休闲空间。然而，热岛效应的缓解效果在行人水平是可以忽略的所有调查气候。因此，为了在行人层面有效地减轻城市绿化屋顶的城市热岛效应，首先需要对城市绿化屋顶的部署进行测试，并可能将其与其他城市热岛效应减缓策略相结合。虽然今后可以进一步扩大目前的研究范围，以增加与已经调查的地区有关的研究数量，并纳入尚未涵盖的气候地区，但是，这里展示的结果可以为建筑师、决策者和城市委员会提供支持，以制定有效的细则和条例，确定干预措施的优先次序，同时减少建筑能耗和减轻城市热岛效应。
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