Моделирование эффективности зеленых крыш в смягчении воздействия городской жары и повышении качества воздуха

Зеленые крыши, также называемые растительными крышами или живыми крышами, являются все более распространенной стратегией городского дизайна, которая включает в себя выращивание растительности на крышах зданий. Эти системы принимаются в городах по всему миру в качестве практического, природного решения для решения двух насущных экологических проблем: эффект городского острова тепла и плохое качество воздуха. Хотя концепция проста, количественная оценка фактических преимуществ требует сложного моделирования, которое учитывает местный климат, геометрию здания, тип растительности и динамику загрязнителей. В этой статье исследуется состояние моделирования для эффективности зеленой крыши, что показывают исследования и как эти результаты могут направлять политику и дизайнерские решения.

Проблема острова тепла и почему зеленые крыши имеют значение

Городские районы часто на 1-3 ° C теплее, чем окружающие сельские районы, и во время тепловых волн разница может превышать 10 ° C. Этот эффект городского теплового острова происходит потому, что обычные строительные материалы - бетон, асфальт, металлическая кровля - поглощают и повторно излучают солнечное излучение, в то время как непроницаемые поверхности уменьшают испарительное охлаждение. Тепловые острова увеличивают потребность в энергии для кондиционирования воздуха, повышают образование озона на уровне земли, ухудшают связанные с теплом болезни и смертность, а также деформируют инфраструктуру водоснабжения и питания.

Зеленые крыши противодействуют этим эффектам с помощью двух основных механизмов: затенения и испарения. Растительность и растущие среды блокируют солнечное излучение от достижения мембраны крыши, снижая температуру поверхности на 30–60 °C по сравнению с обычными черными или темными крышами. Вода, удерживаемая в почве и тканях растений, испаряется, охлаждая окружающий воздух так же, как естественный ландшафт. Кроме того, зеленые крыши обеспечивают изоляцию, которая уменьшает нагревание и охлаждающие нагрузки круглый год, снижая потребление энергии в здании и связанные с этим выбросы парниковых газов.

Моделирование эффективности зеленых крыш: обзор

Чтобы выйти за рамки анекдотических данных и небольших экспериментов, исследователи разработали ряд моделей, которые имитируют производительность зеленой крыши в разных условиях. Эти модели позволяют планировщикам оценивать снижение температуры, улучшение качества воздуха, удержание ливневых вод и экономию энергии перед установкой. Они делятся на несколько категорий: модели энергетического баланса в масштабе здания, модели микроклимата, модели городского навеса и региональные модели качества воздуха. Каждый подход имеет свои сильные стороны и ограничения, и выбор зависит от исследовательского вопроса и имеющихся данных.

Модели энергетического баланса

Эти модели фокусируются на тепловых потоках на поверхности крыши: чистая солнечная радиация, разумная передача тепла в воздух, скрытая передача тепла через испарение и проводимость через слои крыши. Они обычно используют почасовые или субчасовые данные о погоде и требуют таких параметров, как индекс площади листьев, сопротивление стомата, теплопроводность почвы и содержание влаги. Модель FLT:0 FASST, разработанная Центром исследований и разработок инженеров армии США, является одним широко используемым примером, применяемым в исследованиях зеленых крыш в Чикаго, Нью-Йорке и Портленде.

Микроклимат и модели городских навесов

В более широком масштабе модели, такие как ENVI-met или Модель исследования и прогнозирования погоды (WRF), в сочетании с параметризацией городского навеса, могут имитировать влияние зеленых крыш на городской микроклимат. Эти модели представляют улицы, здания, растительность и атмосферу в трех измерениях, позволяя исследователям исследовать, как зеленые крыши в районе влияют на температуру воздуха, ветровые модели и влажность на уровне пешеходов. Из-за их вычислительных требований они обычно работают в течение нескольких репрезентативных дней или для конкретного события тепловой волны.

Модели качества воздуха

Для оценки воздействия на загрязнение воздуха используются модели, такие как система моделирования многомасштабного качества воздуха (CMAQ) Сообщества (FLT: 1) Эти модели включают в себя кадастры выбросов, химический транспорт и процессы осаждения. Зеленые крыши уменьшают загрязняющие вещества двумя способами: фильтруя твердые частицы (PM) через поверхности листьев и поглощая газообразные загрязнители, такие как озон (O[FLT: 2]]3 [[FLT: 3]]) и диоксид азота (NO[[FLT: 4]]2 [[FLT: 5]]) через устьицы. Моделирующие модели параметризируют эти скорости удаления на основе индекса площади листьев, стоматальной проводимости и аэродинамической устойчивости. Сочетание сценариев зеленой крыши с моделями качества воздуха обеспечивает пространственно разрешенные оценки сокращения загрязнения в городе.

Ключевые компоненты и параметры в моделях с зеленой крышей

Точность любой модели зависит от того, насколько хорошо ее параметры представляют реальную систему. Вот основные компоненты, которые исследователи должны указать:

• Тип растительности и физиология: Различные виды растений имеют разные показатели площади листьев (LAI), альбедо, проводимости стомата и глубины корней. Седумы распространены для обширных зеленых крыш из-за их низких потребностей в воде, но травы, полевые цветы и кустарники могут обеспечить большее охлаждение и удаление загрязнения. Модели должны учитывать сезонные изменения в LAI и стоматальном поведении.
• Свойства среды роста (подложки): Глубина подложки, пористость, теплопроводность и водонепроницаемость значительно влияют на хранение тепла и эвапотранспирацию. Более глубокие подложки поддерживают более крупные растения, но добавляют структурную нагрузку и стоимость. Модели часто используют функции ван Генухтен или Клапп-Хорнбергер для описания удержания влаги в почве и гидравлической проводимости.
• Геометрия крыши и характеристики здания:] Размер крыши, форма, соотношение сторон и ориентация. Зеленые крыши на высоких зданиях испытывают различные скорости ветра и температуры, чем на малоэтажных структурах. Изоляция и альбедо существующей крыши также влияют на общий тепловой поток. Модели могут включать трехмерную геометрию здания с использованием данных ГИС и LiDAR.
• Местный климат и погода: Солнечное излучение, температура воздуха, скорость ветра, влажность и осадки являются ключевыми факторами. Используются почасовые данные с близлежащих метеостанций или наборы данных повторного анализа (например, ERA5). Экстремальные условия, такие как тепловые волны или засуха, особенно важны для проверки устойчивости характеристик зеленой крыши.
• Концентрации загрязнителей воздуха и скорости осаждения: Для моделирования улучшения качества воздуха исследователи вводят концентрации ТЧ_2,5, ТЧ₁₀, O₃, NO₂, и SO₂ из сетей мониторинга или кадастров выбросов. Скорости осаждения для каждого типа загрязняющих веществ и растительности получены из полевых экспериментов и литературных значений.

Результаты моделирования исследований: что говорит наука

Многочисленные исследования моделирования были проведены для городов по всему миру, и результаты удивительно последовательны. Хотя точные цифры варьируются, есть убедительные доказательства того, что зеленые крыши могут привести к значительному снижению как температуры, так и загрязнения воздуха.

Сокращение температуры

Поверхностное снижение температуры 15-40 ° C на самой поверхности крыши является общим для хорошо поливаемых зеленых крыш по сравнению с обычными темными крышами. В масштабе здания экономия энергии для охлаждения колеблется от 10% до 40%, в зависимости от климатической зоны и изоляции. В масштабе района, моделирование по Santamouris (2014) рассмотрело десятки исследований и обнаружило, что широкое внедрение зеленых крыш может снизить температуру окружающего воздуха на 0,3-3 ° C во время теплых дней. Например, моделирование зеленых крыш, покрывающих 50% доступных крыш в Чикаго, снизило пиковые температуры воздуха в городах на 2,5 ° C. В жарких, засушливых городах, таких как Феникс, модели показывают аналогичные, но немного меньшие сокращения из-за более высоких фоновых температур и более низкой влажности.

Улучшение качества воздуха

Зелёные крыши удаляют загрязнители воздуха путём сухого осаждения. Знаковое модельное исследование, проведенное Currie и Bass (2008) в Торонто, показало, что если бы 6% крыш города были озеленены, годовое сокращение PM₁₀ составило бы около 2,2 тонн, O₃1,4 тонн, а NO₂0,9 тонн. Более поздние исследования с использованием CMAQ уточнили эти оценки. Для региона Нью-Йорка моделирование обширных зеленых крыш на 10% зданий показало ежегодное сокращение PM_2,5 в среднем, с локализованными сокращениями до 5 % вблизи зеленых крыш. В Пекине, Китай, модели, которые включали зеленые крыши наряду с другой зеленой инфраструктурой, предсказали 10-процентное снижение концентрации PM[[

Важно отметить, что абсолютное удаление загрязнения является скромным в масштабах города, но преимущества непропорционально велики в плотных городских районах, где уровни загрязнения являются самыми высокими, а население наиболее подвержено воздействию. Кроме того, зеленые крыши сокращают использование энергии в зданиях, что, в свою очередь, снижает выбросы от электростанций, создавая косвенные преимущества качества воздуха, которые могут быть в несколько раз больше, чем эффект прямого осаждения.

Реальные мировые тематические исследования и валидация

Одного лишь моделирования недостаточно; его необходимо проверить на основе полевых измерений. Несколько городов профинансировали экспериментальные проекты по созданию зеленой крыши, которые предоставляют данные для калибровки и проверки моделей.

Чикагская мэрия Зеленая крыша

Одна из наиболее изученных зеленых крыш в Соединенных Штатах находится на вершине мэрии Чикаго, установленной в 2000 году. Постоянный мониторинг температуры поверхности, температуры воздуха, влажности и влажности почвы предоставил богатый набор данных. Моделирование исследований с использованием данных с этой крыши подтвердило, что температура поверхности остается на 20-30 ° C холоднее, чем черные смолы крыши в летние дни. Модели прогнозы для испарения и теплового потока соответствовали измерениям в пределах 10% после калибровки.

Торонто Зеленая крыша Bylaw

Торонто стал первым североамериканским городом, который санкционировал зеленые крыши на новых коммерческих и жилых зданиях более определенного размера, начиная с 2010 года. Исследователи использовали обширную базу данных городских установок зеленой крыши для проверки региональных моделей. Исследование, использующее модель MM5 , показало, что озелененные крыши снизили среднюю летнюю дневную температуру на 0,5-1,5 ° C по всему городу, с наибольшим охлаждением в районах с высокой плотностью зеленой крыши. Модель также предсказала снижение концентрации озона до 3 ppb в дни с высоким уровнем загрязнения.

Суперблоки Барселоны и интеграция с «зеленой крышей»

Модель суперблока Барселоны, которая восстанавливает улицы для пешеходов и зелени, расширяется, чтобы включить зеленые крыши в рамках комплексной стратегии адаптации. Моделирующее исследование с использованием ENVI-met показало, что добавление зеленых крыш к существующим зданиям в суперблоках снизило температуру воздуха на уровне пешеходов до 1,8 ° C во второй половине дня и снизило концентрации PM ₁₀ на 10-12% в блоке. Эти результаты согласуются с измерениями, сделанными во время тепловой волны 2018 года.

Проблемы и ограничения моделирования зеленой крыши

Несмотря на свои обещания, моделирование эффективности зеленых крыш сталкивается с несколькими препятствиями, которые исследователи продолжают решать.

• Пространственная и временная изменчивость:] Производительность зеленой крыши сильно варьируется в зависимости от наличия воды, здоровья растений, сезонных циклов и технического обслуживания. Модели, которые предполагают однородную растительность или постоянную влажность почвы, могут переоценивать преимущества.
• Дефицит данных: Многие города не имеют подробной информации о структуре крыши, высоте здания или существующих зеленых насаждениях. Модели должны опираться на значения по умолчанию или спутниковые оценки, которые увеличивают неопределенность.
• Масштабное несоответствие: Модели масштаба здания могут не захватывать модели городской циркуляции, в то время как региональные модели не могут разрешать локальные эффекты охлаждения. Модели сопряжения в разных масштабах являются вычислительно интенсивными.
• Условия границы: Преимущества зеленых крыш зависят от окружающей городской ткани. Одна зеленая крыша в пустыне из асфальта будет иметь ограниченное воздействие; сеть зеленых крыш по всему району может производить синергетическое охлаждение и сокращение загрязнения.
• Соображения справедливости: Моделирование часто предполагает единообразное принятие, но на самом деле зеленые крыши с большей вероятностью будут установлены на более богатых зданиях. Это может усугубить экологическое неравенство, если выгоды сосредоточены в уже выгодных районах.

Будущие направления и новые подходы к моделированию

Эта область быстро развивается, с новыми методами, которые обещают более точные и действенные прогнозы.

Машинное обучение и модели, управляемые данными

С ростом доступности данных спутникового дистанционного зондирования (например, температуры поверхности суши Landsat, индексов растительности Sentinel-2) и следов зданий с высоким разрешением алгоритмы машинного обучения, такие как случайные леса и нейронные сети , могут прогнозировать снижение температуры и улучшение качества воздуха без необходимости использования полных моделей физических процессов. Эти подходы, основанные на данных, могут быть обучены на наблюдениях с существующих зеленых крыш, а затем масштабированы до уровня города, обеспечивая быстрые, прозрачные оценки для планировщиков.