屋頂綠化植物對co

屋頂綠化植物對co

屋頂綠化是在屋頂、平臺、陽臺和其他建筑平臺的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種空間綠化形式。與普通的戶外綠化不同，它通常由人工合成，而不與天然土壤相連。在植物選擇、給排水設(shè)計(jì)和土壤合成方面有許多技術(shù)要求。屋頂綠化不僅能凈化空氣,降低城市噪聲,緩解城市熱島效益,而且可以增強(qiáng)城市的整體美感。因此,屋頂綠化自20世紀(jì)60年代開始被西方發(fā)達(dá)國家研究及應(yīng)用,已形成了成熟的技術(shù)和產(chǎn)業(yè);近年在我國部分地區(qū)得以試用,但占總綠化面積的比例不高,規(guī)模上和技術(shù)上都有較大的發(fā)展空間。CO2是典型的溫室效應(yīng)氣體,對其減排已成為各國關(guān)注的熱點(diǎn)。中國政府在2009年哥本哈根《聯(lián)合國氣候變化框架公約》大會上承諾,到2020年,單位GDP二氧化碳排放在2005年基礎(chǔ)上下降40%～45%。因此,迫切需要多渠道尋找具體可行的二氧化碳減排方法。對于化石燃料燃燒過程中產(chǎn)生的CO2,目前正在進(jìn)行包括地質(zhì)封存、海洋封存和礦物化學(xué)吸收等捕集技術(shù)的研究;而對于已經(jīng)存在于大氣中的低濃度CO2的捕集,研究者寄希望于綠色植物的光合作用。本論文基于綠色植物的光合作用,期望利用已有的屋頂綠化技術(shù),在城市區(qū)域進(jìn)行大規(guī)模屋頂綠化,以達(dá)到降低環(huán)境中CO2濃度的目的。為此,進(jìn)行了包括紅葉石楠、金葉女貞、紅繼木、石榴等綠色植物吸收CO2的實(shí)驗(yàn)研究,以期篩選出對CO2具有較顯著吸收能力的屋頂綠化植物。在此基礎(chǔ)上,對武漢城市區(qū)域進(jìn)行屋頂綠化所能達(dá)到的二氧化碳減排效益進(jìn)行了分析。1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法1.1管道離心通風(fēng)管圖1是參考文獻(xiàn)而自行設(shè)計(jì)的綠色植物吸收CO2的封閉式動態(tài)熏氣實(shí)驗(yàn)裝置,可以準(zhǔn)確測定箱體內(nèi)待測氣體的濃度,并具備開頂式熏氣裝置模擬自然環(huán)境的特點(diǎn)。熏氣裝置支撐部分為木質(zhì)結(jié)構(gòu),由中部長方體氣室(1.0m×0.8m×0.6m)和兩側(cè)梯臺(頂面0.2m×0.2m,底面0.8m×0.6m,高0.4m)組成,外側(cè)安裝有機(jī)玻璃板。進(jìn)氣梯臺和長方體之間用篩板隔開,進(jìn)氣處裝有電扇,可以混勻進(jìn)氣;進(jìn)氣梯臺側(cè)面有混合氣和CO2的進(jìn)氣口,排氣梯臺側(cè)面有混和氣排氣口和取樣口,氣室上有氣樣回流口;氣室內(nèi)置有溫度計(jì),實(shí)時(shí)檢測氣室內(nèi)溫度。通風(fēng)管使用直徑0.1m的塑料管,中部配有GD-100-4型管道離心通風(fēng)機(jī),可在通風(fēng)管內(nèi)形成低速氣流,使實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部混合氣自循環(huán)。CO2進(jìn)氣管、取樣管和回送管用橡膠皮管,打開儲氣瓶的止氣閥,CO2氣體(工業(yè)級,CO2>98%,武漢鋼鐵(集團(tuán))公司制氧廠)通過進(jìn)氣管進(jìn)入氣室,與室內(nèi)氣體混合。實(shí)驗(yàn)使用ACO-006型電磁式空氣泵抽取氣體樣品,并用LZB-4型轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)取樣速度,用CGT-7000型CO-CO2非分散紅外分析儀(日本SHIMADZU)檢測CO2濃度,精度0.01mL/L,測量范圍為0～100vol%,氣樣檢測之后通過回流管返回到氣室。1.2風(fēng)味物質(zhì)的釋放實(shí)驗(yàn)在屋頂上進(jìn)行,保證植物能充分接受光照,并使實(shí)驗(yàn)的光熱條件符合屋頂綠化植物的生長環(huán)境。每次實(shí)驗(yàn)前打開氣室門并開啟鼓風(fēng)機(jī),將前次實(shí)驗(yàn)殘余氣體排出并換入新鮮空氣。熏氣實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行空腔實(shí)驗(yàn),直接向氣室內(nèi)通入適量CO2,運(yùn)行裝置24h后,檢測氣室內(nèi)CO2濃度。選擇武漢地區(qū)常見屋頂綠化植物進(jìn)行熏氣實(shí)驗(yàn),將植物置于氣室內(nèi),適時(shí)補(bǔ)充CO2氣體,使其室內(nèi)CO2濃度維持在0.5%(過高濃度CO2會抑制植物呼吸作用),之后24h每隔0.5h測定一次氣室內(nèi)的CO2濃度,并記錄下氣室內(nèi)的溫度、植物的生長狀況和植株的葉片面積。實(shí)驗(yàn)使用植物如表1。2結(jié)果與討論2.1靜態(tài)模擬結(jié)果為了說明用取樣分析方法檢測氣室內(nèi)CO2濃度的可行性,在無電扇情況下,使用Fluent軟件對氣室內(nèi)氣體流速場和CO2濃度場進(jìn)行靜態(tài)模擬。模擬結(jié)果如圖2和圖3。結(jié)果顯示,氣室中部氣體流速較高,CO2濃度分布比較均勻,但靠近氣室壁處氣體流速低或停滯,使得CO2濃度有明顯差異,如圖3中的深藍(lán)色區(qū)域和橘黃色區(qū)域。針對這種情況,在氣室底部安裝電扇,增強(qiáng)氣室內(nèi)氣體的環(huán)流,使得氣室內(nèi)CO2均勻分布,抽取的氣樣具有較好的代表性。2.2溫度對植物呼吸速率的影響空腔實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,24h后氣室內(nèi)CO2濃度變化不足0.5%,氣室密閉性達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。以紅葉石楠為例,累加上補(bǔ)氣造成的濃度提高,氣室內(nèi)CO2濃度和植株對CO2吸收速率的變化如圖4和圖5。結(jié)果顯示,環(huán)境溫度對植物CO2的吸收速率有較大的影響,適合溫度下,植物光合速率隨著光照強(qiáng)度的提高而迅速增長,而當(dāng)溫度超過一定上限(約為34℃),會嚴(yán)重制約植物光合速率,植物呼吸速率相對于光合速率很小。植物呼吸速率主要受溫度、CO2和O2的濃度、水分、病原菌、機(jī)械損傷等因素影響,全年時(shí)間內(nèi)溫度變化是影響呼吸速率的主要因素;土壤微生物呼吸速率約為0.13mg/(m3·min),相對植物呼吸速率很小,可忽略不計(jì)。呼吸速率隨著溫度升高而增長,應(yīng)用Arrhenius方程式分析有如下關(guān)系:根據(jù)生物反應(yīng)動力學(xué),對同株植物呼吸指數(shù)R*O2和呼吸速率活化能Ea*O2為定值,根據(jù)植株晚間呼吸速率隨溫度的變化關(guān)系,得到紅葉石楠呼吸指數(shù)R*O2為17595L/(m2·d);根據(jù)全天溫度變化,得到植物日平均呼吸速率為0.273L/(m2·d),日平均光合速率為7.058L/(m2·d)。其余實(shí)驗(yàn)植株的檢測結(jié)果如表2。從表2可知,紅葉石楠、紅繼木和石榴對CO2的吸收速率較高,且在屋面環(huán)境中生長狀況良好,適合用于城市屋頂綠化。2.3屋頂綠化的平均光合速率和標(biāo)準(zhǔn)武漢地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū),光能資源充足,年日照總時(shí)數(shù)達(dá)2000h,熱量資源豐富,氣溫年較差大,適合綠色植物對CO2的吸收封存。根據(jù)光合作用所需可見光波段的有效輻射能(Qp)與綠化植物光合速率(Pr)間的關(guān)系式:式中:Qp取武漢地區(qū)九月平均值,Pr取實(shí)驗(yàn)植物光合速率的平均值,得到光和速率方程k值為7.676×10-7L/J;根據(jù)全年武漢地區(qū)光和有效輻射月平均值的變化,得到屋頂綠化植物年平均光合速率為4.5877×10-3m3/(m2·d)。其中,光合有效輻射月平均值通過武漢地區(qū)1971-2000年間太陽直接輻射的統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算得到,如表3。環(huán)境溫度(T)取武漢地區(qū)九月份平均值,根據(jù)全年武漢地區(qū)月平均溫度的變化,用Arrhenius方程式計(jì)算出實(shí)驗(yàn)植物年平均呼吸速率;城市屋頂綠化呼吸速率RO2為各種植物呼吸速率的加權(quán)平均值,取實(shí)驗(yàn)植物呼吸速率的平均值替代,得到屋頂綠化植物年平均呼吸速率為1.4520×10-3m3/(m2·d)。武漢地區(qū)全年月平均溫度如表4。武漢城市區(qū)域現(xiàn)有建筑面積(S)達(dá)2.5億m2。根據(jù)我國建筑設(shè)計(jì)規(guī)范,不上人屋面活荷載規(guī)定值為50kg/m2,無特殊要求上人屋面活荷載規(guī)定值為200kg/m2,20世紀(jì)80年代以后建設(shè)的城市建筑均依據(jù)這一規(guī)范設(shè)計(jì)施工,其中活荷載屋面建筑占總建筑面積的比例(η)為75%。使用新型材料和技術(shù),上人屋面都可以進(jìn)行屋頂綠化。葉面積指數(shù)LAI取城市屋頂綠化的平均值4.0。按照公式:計(jì)算得到武漢城市區(qū)域進(jìn)行規(guī)?；蓓斁G化之后,每年吸收轉(zhuǎn)化的CO2質(zhì)量為1.696×106t,相當(dāng)于一個(gè)194MW火力發(fā)電廠一年的CO2排放量。因此,屋頂綠化對城市區(qū)域的二氧化碳減排具有重要意義。3屋頂綠化采用新型活氧生物材料通過對常見屋頂綠化植物吸收CO2速率的實(shí)驗(yàn)研究,計(jì)算和分析武漢城市區(qū)域進(jìn)行屋頂綠化所能達(dá)到的二氧化碳減排效益,得到以下結(jié)論:(1)紅葉石楠、紅繼木和石榴等植物對CO2具有顯著的吸收能力,適合用于屋頂綠化;吸收CO2的速率受溫度影響很大,因此,進(jìn)行屋頂綠化時(shí)要選擇具有高比熱容的合成土壤,并進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)。(2)武漢地區(qū)進(jìn)行規(guī)?；蓓斁G化后,每年二氧化碳減排量可達(dá)到1.6