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绿色屋面的环境影响：在一个使用周期内绿色屋面对自然资源可持续利用的贡献
Caterina Gargari, Carlo Bibbiani, Fabio Fantozzi, Carlo Alberto Campiotti

翻译：郑正旗

Pisa大学的能源、系统、领土和建筑部门 在Diotisalvi 2, Pisa 56126 (Italy)
Pisa大学兽医科学部。在Viale delle Piagge 2, Pisa 56124 (Italy)
ENEA-意大利新技术、能源和可持续经济发展研究所-研究能源效率的技术部门 –农业部门。在Anguillarese 301, Rome 00123 (Italy)

摘要：
尽管一些研究表明：绿色屋面在节约能源、提升室内舒适度、缓解热岛效应、雨水管理和减少污染方面贡献突出，但绿色屋面的环境效益主要取决于构造中的初级能源、自然资源和未经加工的材料。
绿色屋顶通常或多或少是许多种不同覆盖层的综合体，使得每一个绿色的屋顶都有它自身的特点和外表。
基于寒冷气候情景的早前LCA研究结果表明在所有的绿色屋面作用层中某些特殊层次所具有最高影响。在一定层度上说，当隔离和基层在密度和质量不同时，综合影响会改变。
从这些相似的EU研究成果出发，这个研究旨在于评估在相比于热容量隔离不是那么关键的炎热气候下全部影响的变化。
LCA已经被应用于评估和比较四种不同绿色屋面方案的环境影响，与这些方案形成对比的是一个标准粘土斜屋面，都基于在相同使用期限的1m2的功能单位，在这里各层次是按照实际使用和市场来决定的。
关键词：绿色屋面 寿命周期评估法 环境效益
术语
GWP Global Warming Potential 全球变暖趋势
AP Acidification for soil and water 酸化土壤和水
EP Eutrophication 富营养化
ODP Ozone Depletion 臭氧消耗
POCP Photochemical ozone creation 光化学臭氧反应
[ADP-element] Depletion of abiotic resources-element 非生物资源——元素的耗损
[ADP_fossil fules] Depletion of abiotic resources – fossil fuels 非生物资源——化石燃料的耗损
LCA Life Cycle Assessment 生命周期研究方法
LCI Life Cycle Inventory 生命周期清单
RSL Reference Service Life 使用基准期
DSL Design Service Life 设计使用寿命
FU Functional Unit 功能单位

1、 介绍

绿色屋面被考虑当做一个应对城市问题的解决方案，这些城题
问题包括缓解热岛效应、减轻噪音和空气污染、暴雨管理、支持生物多样性。在城市规划中，绿色屋面也被认为是提升城市环境可持续力的最好选择。在欧洲水平的首创也为这些建筑带来了利益，这些建筑都使用绿色屋面以减少土地占用的影响。
通常来说，绿色屋面能有效缓解城市热岛效应，应对城市洪流和控制水体和空气质量，这是显而易见的。阻止房屋所有者建设绿色屋面的最主要原因是基于这么一个考虑：除了额外的费用，在一个建筑物使用周期中绿色屋面的维修费用也是相当昂贵的。事实上，一些研究表明密集或深厚的土壤屋面系统比传统的屋面花费更高，但对花费比传统屋面更低的广泛的绿色屋面来说，这不一定总是真的。
此外，尽管欧洲有关能效的法律推广零能耗建筑，但在一个可见的将来建筑的能源和资源的损耗还是主要取决于建筑材料。不止是在使用中的能源消耗，因此在一个建筑使用规划中建筑材料的环境影响变成一个急迫的评价指标。在最近的十年里，由于在在建筑使用阶段的能源消耗，相比于2006年由Saiz et al得出的数据环境影响已经被减少。估计这种使用在建筑能耗使用周期中占大约80%~90%的比例，而另外的10%~20%是被消耗在建筑材料提取和生产上。不足1%的材料得通过破坏环境的方法去处理，这种现象在建筑界很普遍，特别是在数据被追朔到上世纪50年代的地中海气候区。

2、 案例研究

一个位于比萨城(Lat 43°40’ N Long. 10°23’ E)的单层社会住房建筑被选择作为研究案例。这个东西朝向的建筑有一个砖石墙做的隔离和一个倾斜的粘土质屋面。
这个研究的目的在于评估当一个标准的斜屋面被不同类型的绿色屋面取代时全建筑使用寿命中的环境效益与负荷。由于试用阶段的能源使用不是评估的一部分，建筑能耗指标不被考虑。
因此，除了屋面板以外，在使用周期评估中内外墙和地板都没有被考虑，因为它们都是一样的。
如以下表格描述（ Errore. L'origine riferimento non è stata trovata）, 五种不同类型的屋面被评估 .
表格一：用产品生命周期评估方法评估屋面
因为区分广义型和狭义型的土壤层厚度和类型不同，绿色屋面也各异。一个广义上的绿色屋面的特点是它的种植植物从景天属植物到低矮的药草植物再到开花的草包植物（最高25cm），几乎不需要维护和灌溉。广义上的绿色屋面的种植土层的厚度大约3-15cm，不被设计来践踏。这些系统非常适合以较低的维修管理高效处理暴雨。
狭义上的绿色屋面的特点是它的的种植植物从草本植物到树木，需要专业维护和经常使用的灌溉系统。狭义的绿色屋面种植土层的典型厚度是15-30cm。狭义的绿色屋面为设计和生物多样性提供了巨大潜力。植物的选择和设计对屋面的维护影响非常大。
土层的质量（密度、粒径、配比）极大地影响了绿色屋面的整体性能：在屋面板上的绿色屋面层被暴露在极端恶劣的条件下（太阳辐射、高温、强风和暴雨等等）。一个错误的种植土层会损害可靠性和持久性，这涉及排水性能、防水性能、隔热性、绿化质量和维修费用等等。植物从种植土层吸收养料，它是绿色屋面系统的基础元素。
在研究绿色屋面的环境效益上为了评估不同类型的种植土层的关连性，这个研究聚焦于不同参数的种植土层。
如以下表格描述,
表2 四种不同类型的种植土层

种植土层需要查询的相关技术信息由商业公司直接提供，由于原始的秘密技术是公司策略性的和核心机密，所以这些信息主要是是文献。

3、 LCA方法和数据

在四十年的基准使用期前提下，被欧洲标准EN 15804 (2012)和附加条款A1 (2013)陈述的LCA方法论已经被用于不同类型绿色屋面的环境影响，与之对比的是传统斜屋面。
基准使用期根据被材料（主要的防水膜）的最短使用寿命定义，
假定在服役期中没有任何绿色屋面层次（阻根层、保护层、排水层、蓄水层、过滤层和基层）被替换掉，而且在这个期限中所有的层次保持应有的功能。我们同样定义传统斜屋面材料的基准使用期。
因此单元功能区被定义为在一个40年的基准使用期中1m2屋面的垂直投影。
为了比较水平的绿色屋面和斜屋面，一个1m2的等价单元被计算成斜屋面，考虑到了斜屋面的倾斜角（16。）。
根据由标准引入的模块化方法，产品周期研究方法被实施在每一个模块，特别是一下：
*模块A1-A3生产
*模块A4运输到建设地
*模块C2-C4寿命终止
模块A1-A3包括所有与原始材料提取、加工、辅助材料加工和运输到加工厂加工的信息与数据。
模块A4描述了材料运输到建设地对环境的影响。
即使阶段B7操作用水可能与评估绿色屋面在非常热和干燥气候下资源使用的环境影响有关，使用阶段B1-B7没有被考虑。产品周期评估方法中包含模块B，在使用阶段中，由于自然流失，额外的适宜生长的土层被增添；在B2维修阶段中化肥的使用应该被考虑，包括从基层(Akiyama et al., 2000; Ciarlo etal., 2008)相关的流失和潜在流失水。
在拆迁阶段后的模块C2-C4描述了运输垃圾处理,废物处理重用, 　　恢复、回收或最终处置。
此外，由于对大数材料而言定义材料的重复使用和回收使用的真是场景十分困难，模块D“系统边界以外的效益和负荷”没有被考虑。这可能导致低估了斜屋面（粘土瓦片可以90%回收）的效益，但对绿色屋面没有影响，因为在超出使用阶段后的四个情形案例中没有重大的不同之处。即使某些绿色屋面层次的焚化涉及能量的回收，在数量上这里也没有实质性的差异会导致特定潜在的影响减少。
这五个产品寿命周期评估方法的方案被描述如下：尽管在产品寿命周期研究方法中粘土板块布置被考虑，但在下表中没有被提及。

表3 用LCA评估方法评估的屋面表4 广义型低密度种植土层绿色屋面——LCA方案
表5 广义型高密度种植土层绿色屋面——LCA方案 表6 广义型高密度种植土层绿色屋面——LCA方案

表6 狭义型高密度种植土层绿色屋面——LCA方案

SimaPro®软件已经被应用于计算使用周期内的影响并且两个数据库被使用：国际Ecoinvent系统流程和行业数据库2.2和意大利LATERLIFE LCA数据库，这个数据库由意大利国际砖行业协会的位于佛罗伦萨的一所大学的ANDIL LCA团队开发，数据库在这个网站（www.laterizio.it）下运做。
3.1 生产阶段场景
由于用于评估的数据库中缺少特殊和一般的数据，在收集LC清单数据和生产阶段A1到A3过程中出现了困难。虽然建筑材料的数据相当完善，特别是在LATERLIFE方面，但是没有信息能立即被应用于种植土层和基质组分。惰性基质主要是火山灰质材料的混合物，这些混合物主要有火山砾、浮石、有机质比如有机肥、泥煤，化肥也会被添加。
火山砾的记录在数据库中遗漏将将导致在评估中出现最大的近似值。因此浮石被选择用于取代火山质物质。当堆肥和泥煤在Ecoinvent中，从关键信息和生产者提供的其它技术信息出发明确的NPK肥料数据将会被建模。为了评估出在种植土层中由于使用回收利用的聚合物而产生的潜在节能影响，D型的种植土层已经被建模。这些能够当成残渣来建模，这些残渣来自来粘土砖生产的或是结束方案产生的废弃物。因为在SimaPro®软件中没有ＬＣＩ数据，考虑到在拆迁阶段后用于分类和压碎砖块的能量和这些阶段的空气泄漏，一个新的记录被建模。这些能量和泄漏不涉及与加工有关的任何影响但包含原始材料的供给。
３.２　运输情景
建筑材料（砖、混凝土、木框架、塑料、膨胀土……）应该由单一的供货商提供，绿色屋面的各层次也是这样，应该来自在特定地区的公司零售商。由于考虑到到处理站的运输，几个垃圾处理站被安置在靠近Pisa镇的地方，所以从建设地出发结束情形是一段很短的距离（在２５ｋｍ之内）。道路运输卡车已经考虑，来往建设地的运输方案在预计之中。
３.３　使用期的结束
定义使用期的结束是评估中最敏感个重要的部分。在欧洲废弃物目录中这些材料大部分没有被分类；在Tuscany地区关于结构材料的收集、加工处理、回收、重复使用也没有具体一致可供使用的数据。
使用期的结束和废弃物的处理方法是根据比萨城附近真正的市场竞争来决定的，它们都是来自Romani (2014).来自屋面板的混凝土和砖块残渣被回收；在分类和压碎操作中的能源使用和废气都被考虑到。在垃圾填埋场里分类和压碎在回收过程中产生的废弃物。由于没有可供使用的一般数据，两种具体的方法（一种适合砖，一种适应混凝土残渣）在SimaPro®软件被简历模型。数据来自不同的Ecoinvent方法：处理、建设、水泥纤维板的回收和处理、砖的回收。由于拆迁、运输到分类工程、处理和分类是联系的并且EN 15804推荐的模块化方法被忽视，这些流程呈现较高的不确定性。分隔他们是不可能的，例如由于拆迁造成的泄漏和在分类中的泄漏物运输。压碎被舍去，这来自流程中的石灰石的压碎和清洗。在一个焚化炉中处理聚合物膜和隔热板，能源回收、烟尘、来自焚化炉的废水、用于清理烟筒的辅助材料、来自渣室（渣底）的短期泄漏物排放到河流中、长期泄漏物排放到地下水，剩余残渣掩埋（来自固化灰尘和洗涤残渣）和过程能量被考虑到 。轻质混凝土砂浆和石膏被分类之后被运到掩埋场处理。

4、 ＬＣＡ寿命周期评估法

根据EN 15804附件C，寿命周期评估法使用了CML –IA版本４.１，日期为２０１２.１０。所以通过７个参数和由标准阐述的核心指标来表达环境影响，这些标准是全球变暖潜能值、臭氧损耗(ODP)、酸化土壤和水(美联社)、富营养化(EP)、光化学臭氧反应POCP、非生物资源——元素的损耗(ADP-element),非生物资源——化石燃料的消耗化石燃料(ADP_fossil fules)。
此外，基于寿命清单LCI标准引进十个参数来描述资源的使用。为了简化评估，仅仅这两个数据（非可再生的一次能源资源的总使用和可再生能源的总使用）被计算。在绿色屋面的使用阶段，自来水的使用数据特别重要，特别是在炎热地区，因为在炎热地区经常的灌溉对确保植物存活和维持绿色屋面的性能必不可少。因为B1-B7使用阶段不是评估中的一部分，所以这个数据没有被计算。

5、 结果和影响

五种不同的屋面类型的比较显示，尽管一般性评论，不同类型的绿色屋面的环境效益不是那么不相同。除掉与资源使用相关的两个类型几乎所有影响类别和所有的指标都有相同的重要性，就像图一显示的一样：

图一.全寿命周期评估方法，比较LCA模块A1-A3，A4，C1-C3的结果
一般说来，当除掉光化学臭氧反应 (1%) 和 全球气候变暖 ( 2%)这两指标其它所有类型的指标平均影响减少5%时，绿色屋面比传统斜屋面有更低的影响，特别是非生物资源-化石燃料耗损 (20-30%)和 臭氧耗损(5-6%)。见图二：

（a）全寿命周期评估模块A1-A3

(b)全寿命周期评估模块C1-C2结束阶段
图二： 全寿命周期评估方法. 比较每一种屋面类型的效果
对于所有的屋面元素，最高的影响元素来自于生产阶段。
对于粘土瓦屋面，因为在熔炉中使用非可再生的一次性能源和使用导致在非生物资源、全球气候变暖、土壤和水的酸化以及臭氧消耗有较高环境影响的自然资源，所以其主要的影响来源于粘土砖和瓦以及混凝土。

表8 LCA评估影响指标-综合影响的影响——LCA模块A1-A3, A4, C1-C3
对于广发性绿色屋面，包括低密度和高密度防水膜和阻根层对GWP (9.5%), POD (44%) and ODP (20%)意义重大，而在高密度广泛绿色屋面中种植土层B对非生物资源-化石燃料影响重大（见图3）。

(a) 斜屋面

(b) 低密度广义绿色屋面

(c)狭义绿色屋面
图三 A1-A3生产阶段. 比较三种不同的解决方案

对所有类型的指标（除掉非生物资源-化石燃料耗损和臭氧消耗）种植土层B会引起最低的环境影响。这两种最高影响是Zeolithe (2.5 kg)和与地下矿产煤相关的子流程引起的。
对于广义的绿色屋面，就像Peri et al. (2012)证实的一样种植土层对GWP (7-15%), AP (15-20%)和 EP (20-25%)至关重要。
考虑到四种不同的绿色屋面的环境影响不是那么不相同，一个详细的种植土层影响的分析被实施，因为这是最一直的布局改变。
在景天属类型中回收材料的使用强有力地保证AP and GWP影响的减少，这是因为避免相关影响，使用回收砖代替浮石、轻质粘土和火山灰质材料。
比较种植土层A，这种类型对所有参数而言有最低影响。种植土层D在ADP-化石燃料上有有限的影响，但它在ADP-元素和其它参数上性能更差。这些影响主要来源于膨胀粘土的生产（虽然它在基质重量中仅占10%）和回收过程中粉碎砖块所需的耗电量。就像Borzog Chenani, et al. (2015)建议的那样，在可持续的绿色屋面中膨胀粘土确实是一种需要谨慎使用的材料。

6、 结论

这个研究没有考虑到额外的效益由于使用的节能。因为使用阶段B1-B7没有被列入评估项目中。
在年度冷热交替的能源使用(Ray et al., 2010)中绿色屋面能引起10%的节约和1-2%的建筑总能耗节约(Saiz et al., 2006)，但是忽视这些影响，宣称一个最好的绿色屋面解决方案或者公布绿色屋面总是比传统屋面有更低影响仍然是十分武断的，特别是在温带气候效益不是那么重要，据Fantozzi et al. (2015)报道。
使用回收的屋面瓦或选择由回收材料做的隔热层或防水层在意大利和其它地中海国家仍然有大的市场，按价值计算，一个标准屋面的综合影响能被有意义的减少，对绿色屋面也是这样。
低维护成本的瓦屋顶应该也会考虑，因为在它的使用年限内不需要更换瓦片，并且瓦片有150年的寿命。一种标准屋面的保温层和防水层的更换也是一个低能耗和非常简单的过程。
因此,综上所述（用水量,化肥的使用,更换操作超过40年,排放到空气和水），考虑到一个绿色屋顶在舒适和节能方面的好处,也考虑到让绿色屋顶多年保持良好状态所需的维护操作,一个合适的土壤生长介质的设计似乎是一个好的绿色屋顶设计最关键的元素。
这个结论通常需要关于市场上可利用的生长基质更完整的信息，没有其配方，保温性，防水性和处理要求的详细描述，将不能完成精确的LCA或LCC评估。该生长基质的化学成分信息是简短的,而不是详细的。一种最相关的用于衬底的材料Ecoinvent数据库是不存在的。因此所有被明显的不确定性所影响的评价是由于替代进程的使用，而不是合适的一种。
不同的混合基质可能导致完全不同的影响，因此深入研究现有产品是新的，可持久使用的基质发展的基础。
在绿色屋顶可持续性方面有一个大的改善机会。尤其是在生产和处置阶段和在定义低影响的解决方案上面LCA可以很容易地支持行业，以便于增加用于生长基质和膜的可回收材料的数量。
参考文献:
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