ABSTRACT

The research and demonstration of southern cities roof drought and barren tolerant ultra-thin ecological thermal insulation layer (referred to as ecological thermal insulation layer) is to solve the environmental problems in urban cities. At present, the urban cluster effect is serious; the per capita urban green area is less and less; the urban ecosystem is unbalanced; and urban environmental problems, such as grey haze, air pollution, and noise hazard and water pollution, are more and more serious, which aggravates the technical difficulty of urban management. Meanwhile, ecological thermal insulation layer stands from the perspective of urban managers; the project seeks for urban ecological governance technology projects that can save social resources and financial costs, which can not only effectively solve urban environmental difficulties, but also save social costs. The research and development of ecological thermal insulation layer starts from current livelihood priorities and southern urban climate. The research and development of this project starts from current livelihood priorities and southern urban climate, creatively using Callisia repens and Sedum mexicanum as the research objects, and considering the additional bearing capacity of building structures, the soil planting in urban hydrology function, building energy consumption and humanistic features, combining with sponge urban ecological technology principle, using only 2 cm thick thin nutrition layer, to construct ecological insulating thermal layer. After the construction of the ecological insulation thermal layer was successfully lived, observation and monitoring were carried out in 300 days without watering, no maintenance and natural cultivation. Based on the current problems that need to be solved urgently by urban governance, we design and develop related tests project, and then theoretically calculate its effect on urban management, and evaluate its social value. This project research should not only be based on the construction science and technology, but also take the urban management effect into account, so as to save social resources and financial costs, to carry out the cultivation and research. In this paper, detailed data analysis is made on the study of hydrology function, water quality purification, energy conservation, ecological restoration and environmental optimization in urban management effect. It is hoped that the ecological insulation thermal layer and related technical patent products developed in this project can be greatly promoted and applied in society, and make technical contributions to solve the current management problems.

Keywords:Drought and Barren Tolerant Ultra-Thin, Ecological Insulating Thermal Layer, Urban Management, Hydrology Function, Energy-Conservation, Water Quality Purification, Ecosystem, Environment Optimization

生态隔热层在城市管理中的效应研究

伍春丽^1,2,3，莫丹^1,2,3，杨水龙⁴，王若嘉^1,2,3，王树功^1,2,3，周永章^1,2,3*

¹中山大学地球环境与地球资源研究中心，广东 广州

²中山大学地球科学与工程学院，广东 广州

³广东省地质过程与矿床资源探查重点实验室，广东 广州

⁴广东玉宇环保科技有限公司，广东 广州

收稿日期：2018年10月19日；录用日期：2018年11月6日；发布日期：2018年11月13日

摘 要

南方城市屋顶耐旱耐瘠超薄生态隔热层(简称生态隔热层)技术产品研发与示范是为了解决城市环境问题而生。当前城市集群效应严重，城市人均占有绿化面积越来越少，城市生态系统失衡，灰霾、空气污染、噪声危害、水污染等城市环境问题越来越严重，加剧了城市管理的技术难度。生态隔热层的研究同时从城市管理者的角度思考，寻找更节约社会资源与财政成本的城市生态治理技术项目，既能有效解决城市环境困境，又能节约社会成本。生态隔热层的研究与开发是从当前民生重点和南方都市气候入手。创造性采用铺地锦竹草和针叶佛甲草为研究对象，并考虑到建筑结构的额外承载力，土植的城市水文功能、建筑能耗和人文功能，结合海绵城市生态技术原理，采用仅2 cm厚超薄营养层，来构造生态隔热层。生态隔热层构造培植成功后，再采用300天不浇水、无养护、天生天养地实施观察和监测。针对城市治理亟待解决的问题，设计开发相关测试项目，然后理论推算其城市管理效应，评估其社会价值。项目不仅要建立在建筑科学技术的基础上实施研究，还要必须考虑到城市管理绩效，以节约社会资源与财政成本实施培育研发。本文针对城市管理效应中的水文功能、水质净化、节能、生态修复和环境效应研究做详尽的数据分析说明，希望本项目研究开发的生态隔热层和相关技术专利产品能得到极大的社会推广应用，为解决城市管理困境做出应有的技术贡献。

关键词 :耐旱耐瘠超薄，生态隔热层，城市管理，水文功能，节能，水质净化，生态系统，环境优化

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1. 绪论

1.1. 研究背景

建筑的本意是为人类提供安全舒适的休憩场所，城市发展的本质是使资源应用与经济发展高效化，为营造舒适、可持续发展的人类社会服务。人口的急剧发展，经济发展中的各种不平衡，导致行业产业发展不平衡，相关科学技术发展不平衡，制约了城市建筑在不断膨胀发展进程中各行各业应有的平衡规划设计，导致城市发展的集群效应带来了一系列城市环境困境问题，如灰霾、空气污染、噪声危害、水污染、城市热岛效应等。根本原因是城市生态失衡、城市土壤功能丧失，所以城市规划以及管理过程是需要更多的跨学科思考和各相关学科的综合应用能力的过程。

2015年8月，截至8月17日，全国已有154个城市因暴雨洪水发生内涝受淹，受灾人口255万人，全国有2座中型和274座小型水库出险或发生水毁，堤防损坏2.36万处4700千米。全国有29省(区、市) 1810个县5932万人遭受洪涝灾害，因灾死亡232人、失踪55人，紧急转移安置466.35万人，农作物受灾4839千公顷，倒塌房屋11.75万间，直接经济损失约1176亿元。

2015年的数据显示，全国共出现26次降水过程，面平均降水量376毫米，较历史同期略偏少，在空间分布上，除华东大部、西北中部偏多外，黄淮海大部、西北东部和西部、东北南部、西南大部、华南南部降水偏少2~5成。大江大河洪水平稳，中小河流超警数量多，局地洪水量级大。大江大河除淮河、西江发生超警洪水，其他均未发生超警洪水。太湖出现2009年以来最高水位，持续超警时间达35天。全国有290条河流发生超警洪水，广西湘江上游全州江段、安徽滁河、河南淮河干流及支流史河等70条河流发生超保洪水，安徽滁河、江苏秦淮河及大运河、江西梅川、陕西冷水河等13条中小河流发生超历史记录洪水。

从上述数据分析，雨水比同期少，但各城市内涝严重，由此可见土壤失去了有效的水文功能，土壤在城市建设中被压实，被钢筋水泥固封住，失去其应有的水文和生态养护功能，城市土壤问题凸显而不被重视，尤其在亚热带气候地区，城市土壤无法满足雨季应有的水文功能，城市内涝现象极为严重。

环境保护和可持续发展是当今人类社会共同面临的两大核心主题，近代工业文明的强势高速发展，以前所未有的速率改变地球环境，城市化率的高速飚升对人地生态系统产生前所未有的影响，生态环境压力、过度碳排放、环境污染、全球气候变暖、局部气候异常、海平面上升等等，地球生态系统退化引发一系列的环境危机。截止2012年，中国的城市化率与世界城市化率分别达到52.6%和52.4%，再加上2012年至2017年5年间，国内房地产行业在巨大的市场利润驱动下，再度极速扩张，城市化高度集聚。城市化集聚效应对于区域经济发展，社会形态产生巨大影响，高效推动经济、科技和文化教育的发展提高，有利政府高效实施人口资源的各种公共管理服务，但同时城市人口急剧膨胀、人口密度高集也为城市带来了严重的环境污染和自然生态景观的严重破坏，城市热岛效应、雾霾现象仿佛传染病一样在城市间迅速传播，我国PM2.5值达标的城市屈指可数，严重影响区域生态环境和生态系统功能，威胁城市可持续发展。

我国当前的城市规划依然停留在改革开放之初，全国生态环境良好，追求极度解放工业生产力高速发展的经济社会状态，还没有切实转型到绿水青山就是金山银山的大局规划意识，城乡中有限的土地资源也在过去几十年的高速发展中消耗殆尽。落实绿水青山就是金山银山的政策思想到城市规划和城市管理方案中去，有待寻求更为科学的城市规划方案和科学的公共技术管理方案。在人类精神文明不断发展的进程中，城市规划以及城市管理不能再停留在狭义的行政学、管理学和政策学的理解中，传统界限分明的分科分类管理，已经不再俱备与时俱进的需求，我们需要从更促进人类社会可持续科学发展的角度理性思考城市管理问题，从学术的角度给城市规划提供更为实用的民生技术发展支持的技术数据，为城市管理提供更为实用的学术理论。

1.2. 研究意义

城市是现代产业和人口聚集的地区，是人类文明和经济社会进步的标志。在现代经济社会发展中，城市处于经济活动的核心地位，是全国政治、经济、交通、信息、科技、教育、文化的聚集、交流和辐射中心，同时也是先进生产力的集聚地。我国当前城市化高度集聚，城市化率超国际平均水平。从当前城市内涝频繁，成为当前国家灾难关注重点，说明我国当前城市居住环境，城市生态系统功能远低于国际平均水平，与欧洲智慧城的差距也越拉越大，在未来的发展规划里，如何保证最后可利用的土地资源是满足智慧城市发展需求的？以及如何实施有效的地球资源与环境研究，寻求更有利于城市文明发展的技术方案，都需要城市管理的工作者努力推动国家相关的绿色发展以及绿色技术应用。

针对城市堆垛效应分析，更多的环境问题是由城市生态系统的严重失衡导致，当今城市的治理与管理，需要我们尽快尽量还回适量的城市生态系统给地球，城市内涝的根本原因，城市的土壤丧失了生态系统中的生态以及水文功能，作为城市管理的规划者应该思考如何归还城市土壤的生态和水文功能，或者突破传统建筑结构设计去研发新的合理建筑结构设计。在最近的建筑研究领域里，有一种还绿的设计理念，在建筑设计方案中，占用了一定的土地建筑面积后，通过第五立面的设计还回一定的绿地面积给地球。“绿色建筑”也是当前建筑理念的发展趋势，这个“绿”不能理解为一般意义的立体绿化，屋顶花园，应是代表一种新的建筑设计方案概念或建筑设计研发指向，让建筑能充分利用地球环境自然资源，对地球自然环境无害，充分尊重地球生态系统平衡条件下建造的一种人居环境，它必须可持续发展的、顺从生态发展规律的、植根于绿水青山的、并且节能和环保的 [1] 。这就要求每一个相关学科做好自己切实的可行的发展研究。

本项目研发以当前重点民生和南方都市区气候为特色实施研发切入，创造性地应用铺地锦竹草和针叶佛甲草为研究对象，培植后突破性地采用300天不浇水的耐旱耐瘠超薄生态层监控研发方式，再综合纳入解决城市困境问题为目标，对其城市管理效益进行检测分析评估，再结合土植的城市水文功能、建筑能耗，并联合海绵城市生态技术的水文功能进行城市管理中的生态效应评估与同时评估其社会价值 [2] 。项目从开始就建立在节约社会资源与社会成本的角度实施研发，希望研发的技术产品能得到极大的推广应用，为解决城市困境问题做出应有的贡献，也希望能从更加广泛的技术应用上寻求利用生态学原理，解决当前城市可持续发展的瓶颈问题。一方面评估生态隔热层的生态效应在城市管理中的效应成果，另一方面可以说为寻求高效节能的智慧城市寻求可持续发展的技术方案。本文侧重生态隔热层在城市管理中的效应研究，建筑科学技术功能应用研究另文。

2. 研究理论

城市是先进产业和高端人才集聚的地方，一线城市在政治、经济、文化、科技活动和城市管理效应的成果有极大的影响力，其对社会的辐射力不亚于一个核电站产生的电能供应，可以直接波及全国政治、经济、交通、信息、科技、教育、文化的良性发展、是先进生产力的聚集地，是经济、文化、政治和科技交流和辐射中心。

一切有利于社会可持续发展科学技术研发的开展都可以利用一线城市的辐射力，迅速影响周边城乡发展的良性规划和向往更美好的公共管理方向发展。

南方城市耐旱耐瘠超薄生态隔热层的研究推广，是为了解决当前社会城市化率居高不下，城市人均占有绿化面积越来越少的问题，同时亦是为了修复城市生态系统，解决城市热岛效应，降低城市能耗需求等问题。

2.1. 研究内容

项目选取针叶佛甲草与铺地锦竹草，实施草种的耐旱、耐贫瘠等特性观察研究后，建立屋顶绿化生态技术产品示范基地，再综合纳入解决城市发展困境问题为目标，实施生态隔热层的城市管理效应中的相关效应研究，寻求开发出符合南方城市大面积应用的生态隔热层技术产品，提出南方城市生态隔热层城市效应中各生态效应技术参考指标，促进适宜技术产品在构建城市绿意量 [3] 、改善环境质量方面的应用，解决生态环境问题和产生一定的城市管理技术效应。

主要研究有以下内容：

1) 屋顶生态隔热层的合理结构参数及设计方案。

2) 水文效应，铺地锦竹草和佛甲草的储水性研究。采用对比测试分析数据，测试其不同时期吸水率，然后推理计算其在暴雨情况下的蓄水性，通过数据计算其在暴雨过程中的调节径流和截蓄水能力。

3) 节能效应，降温效益计算，比较裸天台与生态隔热层的绿化天台的相关数据、和监测生态隔热层在的温度变化情况(温度阈值、波幅、延迟性等)，计算其节能能力。

4) 生态链修复效应，培植成功后，实施监测，不再人为介入养护技术，在自然情况下，所带来的生态修复效应分析。

5) 环境优化效应，生态隔热层的对环境作用的定性以及量化分析。a) 景观美化作，构造城市绿意天际线 [4] 。b) 滞尘效应：比较不同的屋顶生态隔热层对空气中扬尘的吸附效果，以单叶片滞尘量为主要指标，估算单位面积生态隔热层的滞尘能力。c) 固碳、低碳效应：比较不同的屋顶生态隔热层单位面积的二氧化碳体积分数、交换速率和光合有效辐射等，分析其二氧化碳吸收速率。同时，通过测定不同植株的碳储量，估算单位面积生态隔热层的固碳能力。

基于上述研究，提出适应南方都市区气候条件的，耐旱、耐瘠、超薄的屋顶生态隔热层的相关研究成果分析。

2.2. 研究技术路线

当前社会对屋顶绿化的实施存在不少担忧，比如会对屋顶带来安全隐患，植物根系破坏建筑结构，造成屋顶漏水，植物枯枝败叶容易滋生的蚊虫以及其它细菌，影响顶层居民的生活质量。如果需求大量的水资源和人工进行维养，造成物业成本负担。屋顶生态的水源供给需求涉及建筑、植物、土壤、景观、结构、给水排水等多项目的设计与建筑需求，加重建造成本，一个间接导致房价的上升，如若实施城市还绿改造，则硬性增加居民的改造成本。而对城市管理者来说，增设的生态隔热层，如果需求与普通的园林景观一样，也会加大政府财政负担，但寻求解决城市内涝的方法，还回适量的城市生态系统的事情，刻不容缓。每年城市内涝带来的经济损失更大。

充分考虑城市管理节约资源与成本的需求，本研究采用的技术路线(图1)所示，采用优选物种，超轻超薄生态层，算上截留降水的重量，不足以对建筑钢构安全产生隐患，而且生态隔热层的保温功能在一定的程度对建筑顶层钢筋水泥土起到养护作用。南方屋顶温暖与干燥条件强，难以像地表那样产生蚊虫。实施培育工作前需做好充足的理论准备，如生态物种的优选与训化，建立示范基地，耐旱耐瘠300天，实施基础监测，再结合产品应用需求，实施相关项目城市需求调研，建立相关数据理论研究方法，实施项目研究，并将理论成果转化了量化产品付诸市场应用，进行推广应用。

2.3. 生态隔热层结构

屋顶绿化是一项融合建筑科学技术、景观生态学、环境土壤学和园艺学等多学科为一体的现代综合

图1. 技术路线

性技术。相比地面种植，屋顶种植需考虑植物屋顶的恶劣的生存环境条件和建筑结构的安全性，而且该项目是实施300天耐旱耐瘠研究，在屋顶培植成功后，由其天生天养，自生自灭，不浇水，不施肥，不维护300天，监测植物特性，然后再做相应的观察与检测，因此需采用更为精细的施工设计和更为成熟完善的种植技术。

在基地种植过程中，本研究把屋顶绿化种植屋面的构造层次分为结构基层、找平层(保温层)、防水层(根防水层)、防护层(保护隔离层)、蓄/疏水层、过滤层、种植基层(营养层)和植被层。图2为针叶佛甲草种植屋面构造图。图3为针叶佛甲草结构实景图。

针叶佛甲草的营养层，有泥炭和木屑，两者对土壤都具有疏松多孔透气，渗水性强的功能，既能保持水分，同时又具有良好的排水性，并且能中和土壤的酸碱度，而且质轻，可以减轻生态隔热层对楼板的承压作用，他们因含有很高的有机质，腐殖酸及营养成份可以有利微生物活动，既可以作为栽培基质，又可以作为土壤良好调解剂。

蛭石是由花岗岩水合时产生的，因为蛭石具有膨胀性，膨胀后化学性质稳定，并且保持不溶于水，PH值稳定，无毒，无味，无任何副作用，是优良的建筑材料，可作绝佳的防火绝缘材料。又因其具有阳离子交换性，使其具有吸附能力，是良好的吸附剂，对土壤的营养有极大的作用，可作为土壤改良剂等。同时膨胀蛭石也具有良好的吸水性，在污水治理上，常利用其作为吸附剂、助滤剂、实施污水处理、海水油污吸附。这些性能都可以让生态隔热层在城市治理中发挥特有的功用。

陶粒的内部结构特征呈细密峰窝状微孔，内部多孔，形态、成分相对单一，从而具有质轻、密度低、筒压强度高、孔隙率高，软化系数高、抗冻性良好、耐腐蚀抗碱集料反应、良好的隔绝性等优异性能。可以作为功能材料广泛应用于建材、园艺、食品饮料、耐火保湿材料、化工、石油等应用领域。陶粒无粉尘，质轻在农业和园林中的主要作为无土基床材料及滤水材料，既满足植物含水的需要，也满足透气

图2. 针叶佛甲草种植屋面构造

图3. 针叶佛甲草结构实景

的要求。

浮石在中国是中医用药，也是一种无公害的环保型材料，用途广泛，在建筑，研磨和水利上有重要作用。它的特点是质量轻、强度高、耐酸碱、耐腐蚀，且无污染、无放射性等。由于抗腐蚀性比较强，在自然环境中一般不会参与生物膜的化学反应，而且表面一般带正电荷，亲水性强，有利于微生物生长，可以说是生物膜的载体，同时散气性好，过滤性好，耐臭氧，这些特点都可用于农业和园林中的残余农药处理分解。

铺地锦竹草采用的是常规性土壤。

3. 城市管理效应分析

3.1. 水文效应

水文功能，强调的是蓄水，调节河流径川、补充地下水和维持区域水平衡，生态隔热层在截蓄雨水，降低暴雨径流量，减少河流径流量，起到天然“海绵”功能。通过生态隔热层的吞吐调节，在一定的程度上，调节时间区域的水循环，并且可以起到一定的抗旱功效，而本课题的研究，同时增添生态隔热层的抗旱研究，希望在一定的程度上可以减少城市生态绿化维养成本，节约城市水资源，降低城市管理成本。通过生态层隔热层水文功能，改善城市局部流域的水资源与水循环，从而调节空气中的水分子运动，并进而影响区域生态系统的水分运动和城市区域水系的水量、水质变化。研究和认识生态隔热层的储水性，对于合理开发、利用自然降水资源，防治水患，充分发挥生态隔热层的城市水文效益具有重要意义 [5] 。

涵养水源，调节流量，减少内涝。通过合理设计和选择营养层(蓄水层)、过滤层、种植基层和植被层的材料，计算和比较不同草种的储水性，分析生态隔热层调节径流和蓄水的能力。图4为培育中的两种不同草本。

图5和图6分别为本课题研究中两种不同草种的储水分析图，同样的培育结构，但其中过滤层材质和营养基层有所不同。在以下所有的理论分析计算中，假设厚度为定量不变，进行测试以及其他相关变量的理论推理计算。

测试原理是采用同等户外条件下养护，挑选连接一星期不下雨的时段，裁剪样品进入实验室，模仿暴雨冲淋，进行检测，计算不同时段吸水率，实施数据分析，分析其暴雨瞬时储水性和暴雨后再储水能

图4. 培育中的草本

图5. 铺地锦竹草储水率图

图6. 针叶佛甲草储水率图

力，以评估其调节径流和蓄水能力，同时评估其在城市内涝中的城市治理效益。

从生长状态来看，铺地锦竹草生长旺盛，实物观测可以看出单位面积内植物簇数量多于针叶佛甲草。但铺地锦竹草的瞬时吸水率低于针叶佛甲草，再对结构材料实施针对性分析比较，分析影响生态隔热层调节径流及蓄水能力的因素有：

1) 结构层的介质材料，若要生态隔热层获得良好的储水性，培育基层中的介质材料选择非常重要。介质材料，包括营养层和滤水层。各物质材料的组成，粘度，孔隙率，材料的吸水性也对储水性产生影响，针叶佛甲草的营养层采用科学配比，滤水层采用PVC窗纱网，有一定的吸水和储水能力。

2) 介质厚度，同等材料，介质越厚，吸水率越强，储水能力越强。当然介质越厚，在暴雨期间储水量越大，层顶结构层承重量也会随着增加，需要根据建筑顶层结构的最大承载力选择合适的厚度。

3) 介质的初始湿度，实验表明室内温度达到31℃，温度为69%的情况下，一个星期耐旱耐瘠的样品瞬时吸水率达到最高水平，随后处于储水空间极度饱和状态，直至延续至16个小时后，才再度释放微弱的储水空间，18至19个小时后，又达到极度湿润状态下的二次饱和峰值。

根据国家气象台数据：小雨指日降雨量在10毫米以下，中雨日降雨量为10~24.9毫米，大雨降雨量为25~49.9毫米，暴雨降雨量为50~99.9毫米，大暴雨降雨量为100~250毫米，特大暴雨降雨量在250毫米。按100毫米的降水量等于100升/平方米的降水量为计算的依据。在分析数据中，分别剪取5 cm * 5 cm的铺地锦竹草和针叶佛甲草进行瞬间储水量计算，铺地锦竹草的量约为22.4 kg/(m²·2 cm)，针叶佛甲草约为30.68 kg/(m²·2 cm)。转化为立方数据是，铺地锦竹草为1120 kg/m³，针叶佛甲草为1534 kg/m³。它们在耐旱耐瘠一周的情况下，他们的瞬间储水力分别为约22.4毫米和约30.68毫米的降雨量，同时也是铺地锦竹草和针叶佛甲草截留降水和调节径流的饱和容纳能力。

根据广州市2017年10月31日城市卫星图像，叠加广州市海珠区的建筑矢量图，分别计算广州市海珠区天台和绿化天台面积，天台总面积约12,668,000平方米，绿化天台面积约251,300平方米，目前海珠区天台绿化率约为2%。图7为中山大学南校区地环大楼的卫星截取图。图8为海珠区卫星图与建筑矢量叠加计算部分图。

假设海珠区所有天台全部实施生态隔热层种植，分析在暴雨时，整个海珠区截留降水和调节径流的能力，铺地锦竹草的量约为283,763,200千克，针叶佛甲草约为388,654,240千克。以1千克水的质量是1升，1升 = 0.001立方米为转算依据，铺地锦竹草转化后的储水容量约是28.38万立方米，针叶佛甲草的约是38.87万立方米。按国家对水库的划分：小(一)型水库库容大于或等于100万立方米而小于1000万立方米；小(二)型水库库容大于或等于10万立方米而小于100万立方米。

3.2. 水质净化效应

生态隔热层可以利用营养层材料特性，改善水质，降低水的硬度，平衡水的酸碱性，并可防止水资

图7. 中山大学南校区地环大楼卫星图

图8. 海珠区卫星图与建筑矢量叠加图(部分)

源受到环境中的物理、化学、热能及生物的污染。在营养层比对项目分析上，铺地锦竹草，采用常规土壤作为基层营养层培养，而针叶佛甲草中的营养层采用泥炭、木屑、蛭石、陶粒、浮石等混合物组成。

分别对他们在改善水质的酸碱性进行实验数据分析，采用PH为7的自来水实施横向对比检测，水培育植物时长达24小时，每隔4小时分别监测。铺地锦竹草的培育水质PH值变为5，针叶佛甲草初始时PH不变，16小时后PH为8，可以利用这个特性，调节不同地区的降雨特性，尤其是容易产生酸雨的区域，实施生态水质治理。

当前学术界普遍利用生态植物各种生物植物特性，实施植物生态治污方案以及措施，并取得一定的成效。

城市化进程的一个恶果是暴雨带来更多的污染物集聚到河流，并且随着水分子的在河流及空气中的扩散运动，不断扩大污染影响。而且人口的大量聚集，生活垃圾的加剧，加重已经富营养化水体的危机，利用植物吸收营养的特性和营养层的材料特性，可以吸收和过滤处理一定的污染物，将其截留转化为植物的肥料。因为营养层的材料可以自由根据实际需要配合，从而改变生态隔热层的某方面功能，从而实施水体的生态治污工程。

针叶佛甲草的营养层设计，就充分考虑到水质处理问题，利用材料的特定功能达到一定的水体碱化效果。

生态隔热层对水质的净化功能，里面涉及的微妙化学反应，及治污处理过程是一个集土壤、材料、环境、化学以及生物学相融合一个多学科结合的研究过程。

3.3. 节能效应

城市生活的群聚效应，以及人们不断上涨的物质文明生活需求，导致社会能耗需求不断急剧增加，从而导致大量的碳排放，加剧城市热岛效应，加速全球变暖。近年来低碳减排，节能成为各国首要政治任务，围绕节能减排，各相关学科不断地进行各种研究。

建筑材料领域更是穷尽材料学科知识，极力从不同材料的传热系数入手，不断实施各种配比研究，但取得的成效相当低。在其他相关领域，也是不断利用新出来的材料的各种节能功能，打造低碳节能产品，以实施城市的节能效应 [6] 。在层出不穷的材料利用以及功能叠加下，也为城市节能带来一定的贡献，但有种穷兵黩武的感觉。

屋顶花园的节能效应，早有研究，但截止到现在并没有得到很合理的利用，主要是建造成本和养护成本及结构安全需求尚未寻到有效解决方案。本课题研究的两种超薄耐旱耐瘠的草种，既不会对现成建筑产生结构安全问题，同时建筑成本和维养成本极低，适合大面积推广应用。在实施监测研究过程中，针对其节能效应做了一定的检测数据对比分析。图9、图10和图11分别是佛甲草绿化天台与周围空间温度变化的研究图，图12为地环大楼生态隔热层的温度监测图。

从检测和监测数据分析，生态隔热层对室内温度的降温效应稳恒介于2℃左右，对于天台可以在高温时段降低楼板及室内温度，尤其是夏天楼板温度可以达到40℃时，绿化的天台，可以将温度平衡在30℃

图9. 佛甲草绿化天台与裸天台室内温度变化图

图10. 佛甲草绿化天台与裸天台1.5 m处温度日变化比较

图11. 佛甲草绿化天台与裸天台贴面处温度日变化图

图12. 地环大楼温湿监测图

左右。

在建筑材料性能中，常规建筑钢筋混凝土传热系数高、比热容小，建筑群体本身容易产生高温现象，同时也会对周围空间产生热岛效应，一系列的建筑高温堆垛效应下，产生城市热岛效应。另根据粤08J/216《佛甲草种植隔热屋面建筑构造》的佛甲草种植屋面热工计算表，整个生态隔热层的传热系数为0.98W/(m²·K)，热惰性指标D为3.834。D值愈大，周期性温度在其内部的衰减愈快，围护结构的热稳定性愈好，可以有效缓解钢筋混凝土带来的高温效应。

针叶佛甲草的生态隔热层可以改善建筑物在太阳爆晒下产生的高温现象。城市存在大量的钢筋混凝土物、沥青道路等，根据能量守恒原理，大量空调的使用，室外高热现象加剧，城市热岛效应影响范围扩大。可以利用生态隔热层能有效降解建筑结构的高温能力，一方面缓解城市热岛效应，一方面实施城市节能效应。

根据上图的温度检测数据，做节能减排数据分析，可以整理得到表1。

表1. 佛甲草绿化天台与裸天台1.5 m标准房间的耗电比较

假设单位空间佛甲草绿化天台相应系列的室内均降温2.9℃，单位区域内降低的能耗为0.35 kw/h，估算降温对周围的影响，从监测可以看出，降温影响大概时效可以持续16个小时，那么楼层顶层一台空调可以节省的能耗为5.6 kw，那么一个区域的数据？只做楼层顶层节能计算，100平方米的空调只计算一台空调，以海珠区12.668平方公里的楼台面积实施计算，一个海珠区一天可以节能约709,408 kw。由此可以明确生态隔热层的节能效益非常高。

3.4. 生态系统修复效应

地环大楼的层顶生态隔热层观测基地，已经实施两年，在天生天养的过程中，植物的种类也由原来的两种不断有其他的植物种类出现，这些植物全都属于种子繁殖，至于种子的来源，一部分可能是风带来的，另一部分应该是来生态隔热层玩耍的鸟类带来的，可以简单概括为由自然界带来。中山大学南校区素来有“候鸟驿站”和“观鸟圣地”之称，每年都会有大批候鸟在中大南校区具有良好生态环境的树林中做气候迁移栖息，而每年都会有大批的观鸟爱好者在各种丛林中拍摄候鸟，在一定的程度上影响候鸟玩耍。在本项目的观察过程中，带来最大的意外惊喜是，经常在无意中见到一群不同的鸟类在生态隔热层中玩耍与嬉戏，一旦发现有人出现，即飞离而去，极难抓拍。用生态隔热层铺设的绿化天台，无意中为在中大南校区栖息的鸟类提供了舒适的玩耍地。图13为基地初始及一年后的照片对比。

图13.地环大楼基地前后对照图

由图13可见屋顶生态隔热层在维护和修复生物多样性方面起到特殊的作用，在耐旱耐瘠实施两年过程中，共带来22种种子类植物，能明确观察到在生态层上玩耍的鸟类6种，蝴蝶品种4种，蜂类3种，蜻蜓2种，在雨水较多的月份里，能观察到小蜗牛和小螺的出现，薄薄的生态隔热层就可以在屋顶构建成一个小型的生态系统。其中还有一种高大灌木，无法解释来源，只能说明是候鸟选中了这个环境，从其它地方叼来，培养生长成适宜居的灌木种。图14观察过程中拍下的多样性生物。从项目实施天生天养起，从自然带来的植物和生物带来的数量来看，生态隔热层对城市生态系统具有一定的修复效应。

图14. 观察过程中捕足到的生物多样性

3.5. 环境优化效应

1) 构造城市绿意天际线 [7] [8] [9] 。建筑的本意在于展现艺术美，城市规划的本意是建筑美相互影响叠加，不断美化城市，愉悦广大市民美好的心灵。在现代建筑设计中，一个优秀的生态景观设计师和规划师是能科学地理解周围土壤、水、植物和大气之间微妙的内在联系，并且很好地在建筑的第五立面中完美诠释出来，优秀的作品往往能为城市构建出良好的特色绿意天际线，改变过去，人们只能在田间享受着“闲看庭前花开花落，漫随天外云卷云舒”的悠闲的现象，让人们可以在城市灰色的第五立面寻找到另外一片绿意天地 [4] 。图15为构建城市天际线图，前面是裸天台的城市天际线景观图，后面是玉宇公司与惠州某房地产企业实施天台绿化行动后的城市绿意天际线景观图，改善了城市建筑钢筋混凝土带来的灰冷，带来了充满生命力绿意天际线的环境优化效应。

图15.城市天际线

绿意天台景观，让灰色的天台布满积极向上的生命色彩。图16为中国屋顶节能绿化行动实施天台绿化行动前后的改造景观航拍图。在光秃秃的屋顶实施针叶佛甲草的绿化后，整栋建筑仿佛融入了绿化艺术性的生命力。

图16. 城市天台改造

2) 滞尘、净化空气，利用佛甲草植簇的特性，有效滞尘，实施环境优化效应。中国城市雾霾严重，大部分城市PM2.5达不到WTO要求。雾霾对人身体健康有巨大负作用，尤其是肝脏和肺，医学上认为雾霾在一定的程度上会令儿童脑部发育受损，同时对老人易造成多种老年病。我们常说的PM2.5，粒径较小，人体的鼻腔、咽喉已经挡不住的可吸入颗粒物，它们可以一路下行，进入细支气管、肺泡，再通过肺泡壁进入毛细血管，再进入整个血液循环系统，对人体的呼吸系统和心血管系统造成伤害。

雾霾的主要来源是煤、石油和化石燃料的燃烧，比如汽车，飞机，工业锅炉等的燃烧过程，也有化肥厂，金属冶炼厂生产过程中的排放，以及环境空气中硫氧化物、氮氧化物、挥发性有机物和其它化合物的反应生成。PM2.5主要来自于人为排放，包括一次排放和二次转化生成。一次排放主要来自燃烧过程及粉尘、扬尘。二次转化是指由二氧化硫、氨、氮氧化物和挥发性有机物等气态前体物在大气中通过化学反应而生成。

可以通过生态隔热层实施尘霾的吸滞，实施雾霾空气净化效应，还城市清新空气。在测试结果中针叶佛甲草1平方米约可以滞尘200 g。图17为针叶佛甲草的滞尘数据横向对比图。

图17. 针叶佛甲草滞尘能力数据

在介绍生态隔热层结构图的时候，本文简单介绍生态隔热层中针叶佛甲草的营养层材料组成，通过大气以及降水，生态隔热层可以实施离子的交换作用，以及利用营养层的疏松多孔性，有效俘获空气中的污染物或者实施微生物降解，通过污染物滞留或者反应消耗掉，从而达到空气治污，净化空气，处理各种PM颗粒的功效。

3) 固碳、低碳节能效应，有助于低碳智慧型城市的建设 [2] [6] 。为了缓解全球温室效应，我们的国家主席在联合国巴黎气候变化大会承诺了：中国在“国家自主贡献”中提出将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值并争取尽早实现，2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%~65%。温室效应的主因是CO₂。减少碳排放以及利用绿植消耗空气中单位定量的含碳量，是减少温室效应的有效途径。

绿植的功效在于利用二氧化碳和水在叶绿机体内发生光合作用，产生人类需要的氧和有机质，在能量的转换过程中，同时将热能转换成化学能。这里生态隔热层植物本身具有极强的固碳功能。同时其降温能力的节能又可以间接减少城市能耗中的碳释放，实施低碳减排功效。

依据光合作用公式，以及绿色植物在晴天时，通常每天每平方米叶片约需要吸收5 g二氧化碳进行光合作用，对屋顶生态隔热层产生城市管理效应的低碳作用进行计算。

根据遥感数据估算出来的海珠区天台面积，假设海珠区所有天台，已经实施生态隔热层绿化，一天的固碳量约为63.34吨。

再根据发改办气候[2011] 1041号《省级温室气体清单编制指南》2005年我国区域电网单位供电平均二氧化碳排放，广东省单位供电平均二氧化碳排放为0.714 (kg/kW·h)，再基于节能效应的计算推理数据，以一台空调一天的减碳量约为4 kg，基于海珠区约12.668平方公里的天台面积，假设每100平方米仅置一台空调，只计算顶层节能减碳，海珠区一天的减碳量约为506,720 kg (506.72 t)。

4. 结论

综合上述分析，可以大约推论出，假设海珠区裸天台实施了生态隔热层绿化建设，其在城市管理中的效应分析研究成果大致如下：生态隔热层在水文功能上的调节径流、截流蓄水能力，相当于一个小(二)型水库的储水量，可以有效应用于城市内涝治理。同时也可以用于城市气候和水质的治污净化处理。在节能效应上，效果明显，在单机计算上，可以让一台空调一天节能5.6 kW，同时碳减排约4 kg。在环境优化绿植的光合作用的固碳效应中，以海珠区进行推算，可以固碳约63 t，再叠加节能减排可以低碳减排约506 t。从自然界对生态隔热层带来的生物种类和数量来看，其同时具备城市生态功能修复效应。当然从城市审美角度来看，它又能给城市带来绿意的第五立面景观艺术。由此可见，生态隔热层具备一定的城市管理效应，可以用于当前城市可持续发展困境的治理应用。

基金项目

广州市科技计划项目“南方城市屋顶耐旱耐瘠超薄生态隔热层技术产品研发与示范”(编号：201604020092)，民生科技研究专题。

文章引用

伍春丽,莫 丹,杨水龙,王若嘉,王树功,周永章. 生态隔热层在城市管理中的效应研究
Research on the Effect of Ecological Insulation Thermal Layer in Urban Management[J]. 世界生态学, 2018, 07(04): 241-258. https://doi.org/10.12677/IJE.2018.74026

参考文献