VYHODNOCENÍ PROSTOROVÉ VARIABILITY VÝPARU NA EXTENZIVNÍ ZELENÉ STŘEŠE

Transkript

1 Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad VYHODNOCENÍ PROSTOROVÉ VARIABILITY VÝPARU NA EXTENZIVNÍ ZELENÉ STŘEŠE Michal Dohnal 1), Vladimíra Jelínková 2), Lukáš Urban 1), Jiří Müller 1) 1) Katedra hydrauliky a hydrologie, Fakulta stavební, ČVUT v Praze, Thákurova 7, Praha 6 2) Architektura a interakce budov s životním prostředím, UCEEB, ČVUT v Praze, Třinecká 1024, Buštěhrad ANOTACE Detailní studium složek hydrologické bilance antropogenních půdních systémů v městských aglomeracích je aktuální výzkumné téma s přesahem do mnoha oborů lidské činnosti, navrhování stavebních konstrukcí a vodní hospodářství nevyjímaje. Význam abiotických faktorů ovlivňujících velikost výparu z extenzivní zelené střechy byl vyhodnocen z měření výparu z volné hladiny na několika rozdílně exponovaných místech vůči působení slunečního záření a proudění vzduchu. Výsledky provedeného experimentu spolu s vyhodnocením radiačních poměrů stanoviště potvrdily očekávanou variabilitu v rozsahu 30% průměrné výšky výparu a zároveň upozornily na možná úskalí ve stanovení intenzity výparu z mikrometeorologických metod. SUMMARY A detailed study of the hydrological balance components of anthropogenic soil systems in urban areas is a present-day research topic with impacts into many fields of human activity, including civil engineering and water management. Importance of abiotic factors affecting the amount of evaporation from an extensive green roof was evaluated by measuring open water evaporation at several different locations exposed to the sunlight and wind. The results of the experiment together with an evaluation of radiation balance of experimental plot confirmed the expected variability in the range of 30% of average evaporation depth and also pointed out the possible difficulties in determining the evaporation intensity from micrometeorological methods. ÚVOD Zelené střechy představují stále častěji využívaný stavební prvek oceňovaný pro svojí estetickou, hydrologickou, energetickou a ekologickou funkci. S výjimkou subjektivní estetické funkce, je možné funkcionalitu zelených střech experimentálně studovat. Dlouhou tradici má výzkum environmentální prospěšnosti těchto antropogenních půdních systémů v Německu [1], [2] a Spojených státech [3], [4]. Na druhou stranu v České republice se posuzováním vlivu zelených střech, například na hydrologickou bilanci městských aglomerací, dosud nikdo nezabýval. Hydrologická funkce zelených střech je determinována jejich transformačním účinkem, tj. snížením maxima odtoku a jeho oddálením v čase. Velikost transformačního účinku je do značné míry závislá na geometrických a hydraulických charakteristikách střešního systému ve vztahu k době trvání a intenzitě srážky. Prodloužení doby koncentrace je dáno délkou cesty vodní částice od půdního povrchu k dešťovému svodu. Naproti tomu snížení 51

2 objemu odtoku závisí na propadovém členu v bilanci navrženého systému, kterým je velikost evapotranspirace. Zatímco lze srážkovou výšku u zelených střech (zpravidla s plochou pod 2000 m 2 ) zjednodušeně považovat za prostorově konstantní, totéž není možné předpokládat v případě očekávané hodnoty evapotranspirace (tj. integrální hodnoty transpirace rostlin a výparu z holé půdy). Mezi nejvýznamnější důvody očekávané variability patří (i) rozdílná expozice částí střechy vůči slunci, (ii) nerovnoměrné proudění vzduchu kolem střešních konstrukcí budov, a (iii) vliv heterogenity půdního substrátu společně s rozdílnou kvalitou vegetačního pokryvu. Prostorovou variabilitu společného účinku prvních dvou abiotických faktorů oslunění/zastínění a obtékaní budov vzdušnými masami je možné zjednodušeně studovat na prostorové variabilitě výparu z volné hladiny. Biotické faktory sdružené v posledním bodě by vyžadovaly náročnější metodiku měření a jejich evaluace není předmětem této studie. Cílem příspěvku bylo vyhodnotit prostorovou variabilitu výparu z volné hladiny na extenzivní zelené střeše budovy Univerzitního centra energeticky efektivních budov v Buštěhradě a zjištěné výparné výšky porovnat s přilehlou střechou pokrytou betonovou dlažbou. Současně nás zajímalo, jakým způsobem se liší radiační režim těchto dvou rozdílných povrchů střech včetně odhadu důsledků použití těchto dat k výpočtu výparu pomocí některé z kombinovaných mikrometeorologických metod. METODOLOGIE Experimentální plocha Výzkumná plocha se nachází na extenzivní zelené střeše, která je součástí budovy Univerzitního centra energeticky efektivních budov (UCEEB) v Buštěhradě (souřadnice 50 09'24.8"N 14 10'10.8"E, nadmořská výška 355 m n. m.). Některá doplňková a referenční měření probíhala na sousední střeše pokryté betonovou dlažbou. Místní klima je možno klasifikovat jako mírné s průměrnou roční teplotou vzduchu 8 C ( ) a průměrným ročním srážkovým úhrnem 552 mm ( ). Zelená střecha je oproti okolnímu terénu vyvýšena o 10 metrů, má obdélníkový tvar (plocha 941 m 2 ) a průměrný sklon 2%. Původně byla střecha projektována jako extenzivní (tj. bezúdržbová). K užívání byla zelená střecha předána v polovině roku 2014 osetá směsí trav do substrátu s průměrnou výškou menší než 5 cm. Následkem nedostatečné výšky substrátu a nevhodného výběru vegetace bylo nevzejití nebo špatný růst travního porostu, nutnost jeho opakovaného dosívání, při delších bezdeštných obdobích odumření jeho částí, postupná substituce za plevely či nálety a zvýšená větrná eroze. V současnosti je vegetační pokryv kompletně zničen a zelená střecha nesplňuje žádnou z funkcí zmiňovaných v úvodu. Evaporační experiment Pro konání experimentu byl zvolen slunečný letní den (25. červen 2015) s očekávanou evaporační výškou > 5 mm. K zjištění variability výparu z volné hladiny bylo použito 13 čirých plastových výparoměrných misek o objemu 900 cm 3 (velikost výparné plochy cm 2 ). Měrné lokality na zelené střeše a jejím okolí byly vybrány tak, aby zahrnovaly všechna typická místa s ohledem na očekávaný vliv atik, světlíků a dalších konstrukcí instalovaných na střeše. Před měřením byly měrné lokality na zelené střeše vyrovnány pomocí úpravy terénu, na betonové dlažbě pomocí modelíny. Přesné množství vody do výparoměrných 52

3 nádob bylo nalito odměrnými válci, následně byly nádoby pravidelně váženy elektronickou váhou OHAUS Adventurer Pro AV8101 (rozlišení 0.1 g). Paralelně k vážení byla po celou dobu experimentu odečítána výška hladiny posuvným měřítkem s rozlišením 0.02 mm. Ve dvou výparoměrných nádobách byla zároveň měřena teplota vody staničním rtuťovým teploměrem. Vybavení pro monitoring radiačních a tepelných poměrů Radiační měření na zelené střeše je prováděno přístrojem Kipp & Zonen CNR 4, který integruje dvojice opačně orientovaných krátkovlnných a dlouhovlnných čidel. Teplota a relativní vlhkost vzduchu ve 2 metrech je měřena čidlem CS 215 (Campbell Scientific Ltd.). Pro měření přízemní teploty je využito termistoru model 107 firmy Campbell. Kompletní radiační bilance byla současně měřena na betonové dlažbě přilehlé střechy (Kipp & Zonen CNR 4). Pyranometr Kipp & Zonen CMP 11 v kombinaci se stínícím prstencem CM 121 umožnil měření intenzity rozptýleného slunečního záření, ze které byla následně vyhodnocena doba slunečního svitu a odhadnut stupeň pokrytí oblohy oblaky (oblačnost) během konání evaporačního experimentu. Data ze všech čidel byla zaznamenávána v minutovém kroku. V pravidelných intervalech byly navíc skenovány povrchové teploty infračervenou kamerou FLIR E60 (FLIR Systems, Inc., tepelná citlivost < 0.05 C). Pořízeny byly snímky výparoměrných nádob a jejich bezprostředního okolí, meteorologických sloupů, čidel a vegetace v 5:30, 8:30, 10:30, 12:30, 16:30, 19:30 a 21:00 hodin. VÝSLEDKY A DISKUZE Analyzovaný červnový den byl bezdeštný, od 10. do 18. hodiny proměnlivě oblačný, s průměrnou denní teplotou 16.6 C, a převážně jižním až jihozápadním prouděním vzduchu. Průměrné, minimální a maximální hodnoty vybraných meteorologických veličin jsou uvedeny v Tab. 1. Během noci před měřením ani během experimentu nebyly dosaženy podmínky pro vznik rosy, tj. přízemní teplota vzduchu nedosáhla teploty rosného bodu. Tab. 1 Základní meteorologické charakteristiky 25. června 2015, hodnoty jsou získány z minutových dat měřených meteorologickou stanicí na zelené střeše. Veličina Minimum Maximum Arit. průměr Teplota vzduchu 2 m ( C) Přízemní teplota vzduchu ( C) Relativní vlhkost vzduchu (%) Rychlost větru (m s -1 ) Čistá radiace (W m -2 ) Měření výparu z volné hladiny je v našem případě ovlivněno dvojím oázovým efektem (tj. nepřirozeným zvýšením hodnot výparu z důvodu ostrovního charakteru monitorovaného systému vůči okolí). Výparoměrné nádoby, s plochou o pět řádů menší než zelená střecha, jsou takovými oázami. Obdobně zelená střecha na budově UCEEB představuje vyvýšenou oázu exponovanou slunci a větru v industriálním okolí. Tato skutečnost se projevuje na meteorologických měřeních (teploty a vlhkosti vzduchu) provedených ve dvou metrech nad úrovní střechy, která nejsou ovlivněna její přítomností. V praxi se naměřené hodnoty výparu korigují koeficientem nabývajícím hodnot v intervalu <0; 1> (nejčastěji je používaná 53

4 Intenzita výparu (mm h -1 ) hodnota 0.7). Předpokládáme, že by byl koeficient prostorově konstantní, proto nejsou prezentované intenzity výparu a celková vypařená množství vody tímto způsobem opraveny. Rozdělení měření na střeše společně s naměřenými kumulativními hodnotami výparu jsou na Obr. 1. Kumulativní hodnoty výparů na zelené střeše se pohybovaly mezi 4.4 a 5.9 mm. Naproti tomu na betonové dlažbě přilehlé střechy byly naměřeny hodnoty v průměru o 1.2 mm vyšší. Ve středních částech střechy byl výpar o 7 až 17% vyšší než průměr. V rozích zelené střechy nejvíce ovlivněných atikami se celkový výpar pohyboval na úrovni 90% průměrné hodnoty pro celou střechu. Obrázek 1. Schéma evaporačních měření na zelené střeše a sousední střeše s betonovou dlažbou. U jednotlivých výparoměrných nádob jsou uvedena celková vypařená množství naměřená od úsvitu do soumraku 25. června EP12 EP8 EP :00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 Obrázek 2. Průběh intenzity výparu 25. června 2015 ve vybraných výparoměrných nádobách. EP12 značí intenzitu výparu měřenou v nádobě umístěné na betonové dlažbě, EP4 je ve střední části zelené střechy nejméně ovlivněné atikami a EP8 je v jejím severovýchodním rohu cca 30 cm od atik. Měření ovlivněná přítomností atik mají také rozdílnou dynamiku, tj. pozdější nástup nebo dřívější snížení intenzity výparu z důvodu zastínění, v porovnání s měrnými lokalitami ve 54

5 Čistá radiace (W m -2 ) střední části zelené střechy (viz Obr. 2 EP12 vs. EP8). Důvodem pro nižší naměřené intenzity je také pravděpodobně méně efektivní odvod vodních par poblíž atik. Významný rozdíl v intenzitě výparu na zelené střeše a betonové dlažbě (EP4 a EP12 v Obr. 2) nastává až v odpoledních hodinách Betonová dlažba Zelená střecha :00 06:00 12:00 18:00 00:00 Obr. 3 Čistá radiace (bilance krátkovlnných a dlouhovlnných složek radiace) měřena 25. června 2015 na zelené střeše a na sousední střeše pokryté betonovou dlažbou. Mezi hlavní faktory rozhodující o intenzitě výparu z volné hladiny patří dodávka energie pro fázový přechod a odvádění vodní páry. Tyto faktory jsou v nejpoužívanějších mikrometeorologických výpočetních metodách (např. [5]) reprezentovány snadno měřitelnými veličinami teplotou a čistou radiací respektive rychlostí větru a sytostním doplňkem. Výslednice radiační bilance krátkovlnných a dlouhovlnných složek radiace na zelené střeše a betonové dlažbě přilehlé střechy se liší (Obr. 3). Denní průměrná hodnota čisté radiace na zelené střeše je W m -2, na střeše s betonovou dlažbou potom W m -2. Diference je způsobena rozdílnou odrazivostí povrchu (albedem). Zatímco albedo betonové dlažby bylo na základě provedených měření odhadnuto na 0.28, odrazivost povrchu zelené střechy byla Tato hodnota spíše než travnímu porostu odpovídá holé půdě, což dobře koresponduje se stavem vegetace na zelené střeše budovy UCEEB v červnu Obr. 4 Snímek výparoměrné nádoby EP13 pořízený infračervenou kamerou 25. června 2015 v 11 hodin. V levém horním rohu trojice trsů rostoucích trav, v dolní části holá půda se suchou trávou a v pravé části tmavá oblast dobře prosperujících plevelů. 55

6 S ohledem na výpočet výparu některou z mikrometeorologických metod je rozdíl mezi čistou radiací na obou stanovištích (vyšší čistá radiace u zelené střechy oproti betonové dlažbě) pouze zdánlivý. Povrchem, ze kterého výpar probíhal, byla v obou případech vodní hladina, proto je možné předpokládat, že byl radiační režim nad výparoměrnými miskami ve skutečnosti totožný. Důvod odchylky mezi zjištěnými výparnými výškami (výpar na zelené střeše je v průměru o 25% nižší než na betonové dlažbě) je nutné hledat mezi ostatními faktory ovlivňujícími intenzitu výparu, především sytostního doplňku a povrchové teploty v relevantní výškové úrovni. Měření relativní vlhkosti vzduchu v úrovni výparných ploch není bohužel k dispozici. Měřené přízemní teploty (7 cm nad povrchem) se na obou stanovištích lišily pouze minimálně. Na druhou stranu teplota vody ve výparoměrných nádobách na betonové dlažbě byla v odpoledních hodinách až o 2.5 C vyšší než v nádobě na zelené střeše. Představu o povrchových teplotách v okolí výparoměrných nádob poskytlo infračervené snímkování. Na snímku z infračervené kamery (Obr. 4) je dobře patrná teplota vypařované vody v nádobě umístěné v severozápadním rohu zelené střechy. Bez zajímavosti není rozdíl mezi suchou trávou ve spodní části snímku, která se neochlazuje transpirací a povrchovou teplotou plevelů vpravo od výparoměrné nádoby, které se transpirací ochlazují oproti okolí až o 8 C. ZÁVĚR Výsledky provedeného experimentu potvrdily očekávanou prostorovou variabilitu způsobenou přítomností atik a dalších konstrukcí na extenzivní zelené střeše budovy UCEEB. Variabilita v rozsahu 30% průměrné výšky výparu má nezanedbatelný vliv na hydrologickou bilanci studovaného systému. Vyhodnocení radiačních poměrů stanovišť a některá doplňková měření, především měření teploty vody ve výparoměrných nádobách a skenování povrchových teplot infračervenou kamerou upozornily na možná úskalí ve stanovení intenzity výparu výpočtem ze standardně prováděných mikrometeorologických měření. Za klíčové považujeme určení správné výškové úrovně měření. PODĚKOVÁNÍ Autoři jsou především vděčni Dr. Janě Votrubové (Fakulta stavební, České vysoké učení technické v Praze) jejíž originální idea byla použita při návrhu prezentovaného evaporačního experimentu. Tato práce byla uskutečněna v Univerzitním centru energeticky efektivních budov, OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/ ,a za podpory GA ČR, reg. č. projektu P. LITERATURA [1] Herman, R., (2003): Green roofs in Germany: yesterday, today and tomorrow. In: Proc. 1 st N. Amer. Green Roof Conf.: greening rooftops for sustainable communities, [2] Köhler, M. (2006) Long-Term Vegetation Research on Two Extensive Green Roofs in Berlin. Urban Habitats 4, [3] Cantor, S.L. (2008): Green Roofs in Sustainable Landscape Design. W.W. Norton & Company, New York. [4] Yang, J., Y. Qian, G. Peng (2008): Quantifying air pollution removal by green roofs in Chicago. Atmos. Environ. 42, [5] Penman, H.L. (1948): Natural evaporation from open water, bare soil and grass. Proc. Roy. Soc. London A (194),