綠屋頂的功能和技術

本文收錄於臺大農業推廣通訊雙月刊94期

文/國立臺灣大學園藝暨景觀學系 張育森教授、賴允慧研究助理

全球暖化及氣候異常變遷,加上全世界人口又過半集中於都市,都市熱島效應極為嚴重,世界各國無不積極推動都市環境中的各種節能降溫環保措施。由於都市用地日漸不足限制綠地發展,因此「屋頂綠化」概念便應運而生。廣義綠屋頂 (green roof) 係指將建築物屋頂、外牆及陽臺以人工方式進行植栽整建的基礎綠化工程,在寸土寸金的都會地區,將地面失去的綠從空中及立面找尋回來的積極替代性做法,因此綠屋頂被視為擴展都市綠覆面積最有效率的途徑(圖一)。

圖一、薄層綠屋頂可明顯增加都市叢林中的綠覆率

屋頂綠化按照植栽種類與介質厚度,可分為三種類型:花園式屋頂綠化、組合式屋頂綠化及薄層式屋頂綠化(圖二)。前兩者在國外稱之為「精緻型綠屋頂 (intensive green roof)」,其所使用的植物類型多樣,是以小型喬木、灌木或地被植物進行複層綠化的方式,因此使用的介質厚度通常大於 15 公分;國外薄層式屋頂綠化則稱為「粗放型綠屋頂 (extensive green roof)」,為利用單層地被植物覆蓋屋面,且介質厚度不超過 15 公分的綠化工法。

由於薄層式屋頂綠化採薄層、輕質材料建造,植栽選擇以維護管理強度較低的種類為主,其低維護特色符合節能減碳需求,加上綠屋頂兼具多方功能,因此七十年代在德國興起後,隨即盛行於歐洲各國,近年來美國、臺灣與其他亞洲國家亦開始投入許多相關研究與實際推廣活動。

圖二、薄層綠屋頂可提供民眾休閒活動場所

一、綠屋頂元件有哪些組成?

綠屋頂需建造於結構上健全、無損害的屋頂,屋頂綠化建構方式皆包含最少量的構件–基本防水層、蓄排水層、過濾阻隔層及生長介質和植物。上述的構件可使用的材料相當廣泛,但建立的系統工法則多為由個別構件組成之傳統方式,以及同時包含排水、介質和植物之獨立盆模組單元。

二、綠屋頂具有哪些好處?

(一) 增加都市的綠化率、美化環境

都市中每人所擁有的平均綠化面積是衡量都市生態環境品質的重要指標;根據國際生態和環境組織的調查,都市若需獲得最佳環境,每人平均擁有的綠地需達到 60 平方公尺 (m2) 以上。

建築屋頂的表面材料多為水泥、板磚、石棉瓦、石油瀝青等灰黑色防水用材,綠屋頂以綠色植物取代硬性建材,可減少屋頂反射的炫光與陽光輻射熱,俯視或平視時,綠化空間與建築量體的相互搭配,可美化視野所及之處;同時,綠屋頂及主體建築幾何空間的對比,亦可形成多層次的都市空中綠化景觀。

(二) 都市降溫、減少光輻射、消除熱島效應

都市氣候作為都市生態系統的重要組成要素,是維持都市生態系統良性循環至關重要的因素之一,因此改善都市氣候已成為都市建設中的一個重要課題。

都市內大約有 30% 的土地被易吸收熱能的人造結構(如柏油、水泥)所覆蓋,在白天吸收熱,而於夜晚放出熱,使夜晚的空氣升溫。由於人工地盤比熱較小,加上都市消耗於蒸發熱的潛熱小,使得都市可感熱增加,溫度上升,此與郊區的溫差現象即為熱島效應 (urban heat island effect)。

由於綠色屋頂對陽光的反射率比深色水泥屋頂大,加上綠色植物的遮陽作用以及為滿足生理所需的同化作用,使綠色屋頂面的淨輻射熱量遠小於未綠化的屋頂面;同時,綠色屋頂面因植物的蒸散和潮濕下墊面的蒸發作用消耗的潛熱明顯比未綠化的屋頂大。這樣就使綠化屋頂從空中獲得的熱量少,而散熱效果大,因而減緩了都市的熱島效應。

(三) 屋頂保溫隔熱、節約能源

建築物屋頂綠化降溫方面,主要以降低建築物溫度、減少冷氣用電量,透過屋綠頂建築用電量調查分析省電幅度。由於綠屋頂具有隔離性,可降低夏季空調的支出,減少冬季暖氣需求,降低建物加熱與冷卻費用至少 10 至 15%,從而有效改善室內熱環境、減少房間空調耗能。

臺大園藝暨景觀系研究團隊於臺北市某國小同棟校舍,進行「綠屋頂」與「裸露屋頂」之溫度差異試驗,結果顯示屋頂綠化確實可顯著地降低建築物表面溫度。夏季高溫時期( 6 至 9 月),使用屋頂綠化皆可較裸露屋頂降低其表面平均溫度達 10℃ 以上,在最熱的 7至 8 月甚至可降溫 12 至 13℃,而室內則降低 5 至 6℃;故可知在臺灣的氣候條件下,薄層式綠屋頂植栽槽確實具有顯著的降溫能力。

(四) 保護建築結構、延長使用壽命

沒有屋頂綠化覆蓋的平屋頂,夏季陽光照射,最高可達 50℃ 以上;溫帶地區冬季冰雪覆蓋,夜晚溫度最低可達- 20℃,較大的溫度差使屋頂建材和黏結材料經常處於熱脹冷縮狀態,加上紫外線長期照射引起的老化現象,屋頂防水層較易遭到破壞造成屋頂漏水。

綠屋頂則為保護屋頂防水層、防止屋頂漏水開闢了新的途徑。經過綠化的屋頂由於種植層的阻滯作用,屋頂內外表面的溫度波動較小,減小產生裂縫的可能性。同時,由於屋頂不直接接受太陽直射,延緩密封材料的老化,也間接增加屋頂的使用壽命。德國的綠屋頂經驗顯示:綠化屋頂比傳統式屋頂延長 2至 3 倍的時間,約可增加 40 至 50 年的生命週期。

(五) 固定二氧化碳、達成減碳目標

綠屋頂可以有效增加綠地面積和都市中的植物生物量,有利於維持都市大氣中的碳氧平衡。綠屋頂對大氣中 CO2 的吸收,主要通過植物的光合作用完成。據估算:如果按成年人每人每天呼吸消耗 0.75 公斤氧氣 (O2)、排出 0.9 公斤CO2計算,則每人平均 10 m2 的綠化面積,就可以完全吸收呼出的 CO2。

國內的內政部建築研究所實驗亦證明,屋頂適度綠化(放置大型盆栽)的頂樓住戶,夏季的用電量比沒綠化的住戶省 40%。以一戶 40 坪的頂樓住宅為例,夏季每月可減少空調電費 2,600 元,減排二氧化碳 515 公斤,擴大到全臺的頂樓住戶,每個月就能省下1億多元電費,減碳成效相當可觀。

(六) 隔濾懸浮微粒(滯塵)、淨化空氣

綠屋頂的綠化植物通過吸收和截留空氣中的污染物(如 CO2、二氧化氮、二氧化硫、臭氧和塵埃、重金屬等),可以淨化空氣、提高空氣品質、改善環境。文獻指出,一個城市屋頂綠化率如果達到 50%,可使其全年空氣中的塵埃降低 40% 左右,進而淨化空氣品質。屋頂綠化對大氣中灰塵的降低有兩條途徑,一是種植植物可增加屋頂的粗糙程度,提高風的摩擦阻力,空氣中灰塵也隨之下降;二是植物葉片吸附作用:綠色植物葉片表面生長的蠟質或絨毛有皺褶且能分泌黏液,能夠阻擋、過濾和吸附各種塵埃。

(七) 調節截留雨水、淨化用水

屋頂綠化可對暴雨達到一定的緩衝作用,同時淨化都市水質,對都市洪水控制、建築物腐蝕防治及河流水質處理均有相當助益。另外,由於綠屋頂的綠化植物對雨水的截留和蒸散作用,以及介質層對雨水的吸收作用,使綠屋頂可在一段時間內將雨水儲存在屋頂上,並逐漸通過水分蒸發和植物蒸散擴散到大氣中去,進而可改善都市的空氣濕度與生態環境。

國內外大量試驗證實,種植層大於 10 cm 的綠化屋頂相對無綠化屋頂而言,全年能減少 60 至 80% 的逕流量(排水系統壓力)屋頂綠化同時利用建立在植物與土壤複合物中之生物、物化過程來避免或減少空氣污染物進入排水系統,使它像個水中污染物的過濾器,降低在雨水中之氮、磷等含量,也降低最終回到循環水系的水溫,抵銷酸雨效應淨化水質。

(八) 隔絕噪音與防範火災

噪音污染是長期困擾都市居民的環境污染問題之一,研究表示屋頂綠化至少可以減少 3 至 8 分貝 (dB) 的噪音雜。另外,澳洲、南非、法國與美國加州都市和農村的屋頂綠化,確實可減少火災中人員和財產的損失;德國研究指出:屋頂綠化運用多肉植物尤其耐火。

(九) 創造生物多樣性與生物棲息環境

都市生物多樣性的提高對都市居民生活品質有正面的影響,而綠色空間廊道是生物多樣性的重要場所;綠屋頂是都市綠色空間的重要組成,也是維持和保護生物多樣性的重要場所。東京中央區的八重洲大樓,以吸引小鳥為屋頂綠化設計重點,二十多年來已成為東京都市中心的鳥類保護區。 瑞士巴塞爾綠色屋頂生物多樣性的研究也顯示,綠屋頂已營造出「微棲地」(microhabitats) 提供79 種甲蟲和 40 種蜘蛛的生長環境,同時這些蟲又可成為鳥類的食物。

(十) 提供休憩、療癒、教育與園藝生產空間

綠色是最適宜人眼觀看的顏色,當於人類視野中的比例達到 25% 時,人的心情比較容易感覺舒暢;同時,綠色植物亦能調節人的神經系統,使緊張疲勞得到緩解和消除。在中小學校園內建設綠屋頂,可以為學生提供學習知識和實地參與屋頂綠化景觀植物或蔬果種植活動的良好場所;在住宅大樓屋頂進行綠屋頂工程,還可增加住戶交流機會,加深鄰里關係(圖二)。

三、綠屋頂的基本技術

(一)綠屋頂有哪些工法?

如前述薄層綠屋頂建構包含基本防水層、蓄排水層、過濾阻隔層及生長介質和植物,故現行綠屋頂工法可大略區分為兩種:

  1. 蓄排水板型:利用具有凹槽可貯雨水的塑膠板,平鋪在已做防水之屋頂表面,板上鋪 1 至2 層不織布,其上再填入介質並種植物,操作區四周可以木板或空心磚圍邊防介質流出並定型。此類型因可鋪設範圍較廣,適用於種植多種植物或排列圖形、色彩豐富之綠屋頂。
  2. 盆缽模組型:以四方形塑膠盆缽為主體,其底部 2至3 公分具有可貯水空間,上層則為介質與植物,此類型優點為方便移動,但較難造型。

(二)綠屋頂要種哪些植物比較好?

植物選擇與種植是屋頂綠化中最重要的一個環節,其他所有措施都是為了屋頂上植物的成活和生長。屋頂綠化的位置特殊、生態嚴酷,日光、溫度、濕度、風力等因數隨樓層提高而有較大的變化,特別是太陽輻射強、忽冷酷熱、晝夜溫差大、風力較強。如此的環境下,植被難以生長良好,養護難度高且養護成本也必然要加大。因此,屋頂綠化植物材料的選擇必須要適地適種,從屋頂的實際環境加以考量,因「頂」制宜,全面考慮各種不利因素的影響。

屋頂綠化植物(以「薄層式」綠屋頂適當植物為主)的選擇應具有以下特性:

  1. 遵循植物多樣性和共生性原則:不同的植物有其各自獨特的觀賞效果,選擇時沒有統一的標準和規則。當屋頂綠化只採用同一品種時,從觀賞價值到病蟲害防治,都存在一定問題。將多種植物種類組合起來種植,效果會好得多。因此,條件允許時,要盡可能的多品種組合。
  2. 生長特性和觀賞價值相對穩定:選擇可長期維持生長勢和觀賞效果穩定的植物種類;因此比較不會因生長環境變化,而造成生長勢減弱或落葉、枯萎等不良現象。
  3. 高度矮、風阻小:以低矮灌木、草坪、地被植物和攀緣植物等為主。
  4. 植株淺根:為適應薄介質,植株應淺根且有較發達的橫向或鬚根系,不宜選用根系穿刺性較強的植物,以防止植物根系穿透建築防水層。
  5. 耐極端氣候—耐熱、耐曬、耐寒、耐高熱風、耐較大的晝夜溫差。
  6. 抗逆性強—抗旱、抗溼、抗空氣污染、抗病蟲害且滯塵能力強。
  7. 易移植、耐修剪或生長緩慢:植株耐移植可提高成活率,且生長勢強者經過修剪仍能恢復原本翠綠;而生長慢者則可維持長時間觀賞價值。
  8. 低維護管理:管理粗放,養護管理費用低,完工後可減少人工補植。
  9. 具備強再生能力與自播性:缺株或季節適應生長後,可自動蔓延補滿。
  10. 適當增加色彩:豐富的植物種類,利用豐富的植物色彩來美化建築環境(圖三)。

圖三、利用低矮且色彩鮮豔的植物可創造綠屋頂藝術氣息

(三)綠屋頂要用什麼土(介質)?

介質的選配並非一成不變,而是根據當地資源合理選配。原則上應不同輕重、保水性、通氣性……等性質的介質進行搭配,再考慮操作方便、價格便宜、清潔無毒等要素即可。綠屋頂建議選用的介質特性有四點:

  1. 輕質:薄層式屋頂綠化適宜于承重條件苛刻的建築物屋頂,對栽培介質重量有著嚴格的要求。自然土壤容重一般都在 1.0g/cm3 以上,不宜用於薄層式屋頂綠化,適合於薄層式屋頂綠化的栽培介質於風乾和飽和水狀態下容重分別在 0.5 g/cm3、0.8 g/cm3 左右。
  2. 薄層:降低種植層厚度是非常有效的減輕承重措施,然而降低介質層厚度,必然會降低其水分、養分供應能力、溫度調節能力、根系生長空間等植物生長必需的介質條件。
  3. 穩定:薄層式屋頂綠化完成施工後,其使用年限最好在 5至20 年才有推廣價值。影響屋頂綠化壽命主要是建材品質、施工技術及植物特性,其中栽培介質性質長期穩定是關鍵因素。因為屋頂綠化一旦建成後,大幅度更換栽培介質的難度將會提升。劣質的屋頂綠化栽培介質在使用時,由於材料的破碎或降解,結構性會發生很大變化,使得養分釋放和酸鹼度環境也會隨植物根系吸收和分泌作用而發生劇烈變化,因而不利於植物生育。因此應要求介質的物理結構、酸鹼度、養分供應等穩定性要長久。
  4. 環保:不污染環境是進行屋頂綠化的基本要求,過去的人工栽培介質原料大部分是選自天然無機礦物和天然有機材料,隨著礦產資源的日益匱乏和栽培介質產業的本身發展,對工、農業廢棄物進行資源化再利用是栽培介質發展的重要趨勢。因此,屋頂綠化介質要求要選擇清潔材料和無公害生產技術,應做到介質的製造和使用不會對環境造成污染。

四、結語

德國與日本每年綠屋頂施作面積持續穩定增加,而臺灣為了提升屋頂綠化覆蓋面積,降低熱導效應並且減低洪峰流量所帶來的衝擊,更因著眼於綠屋頂的全面推廣,現階段除民間團體與學術界正投入大量人力研究開發外,政府機關亦制訂相關綠化條例獎勵,綠屋頂將會是未來綠化之主流。

Share