Wpływ dachów zielonych na warunki klimatyczne w mieście

Jakub P. Walawender (1, 2)

¹ Wydział Teledetekcji Satelitarnej, Centrum Hydrologiczno-Meteorologicznej Służby Pomiarowo-Obserwacyjnej, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy (IMGW-PIB), Kraków

² Zakład Klimatologii, Instytut Geografii I Gospodarki Przestrzennej, Uniwersytet Jagielloński

Cytowanie:

Walawender J.P., 2015, Wpływ dachów zielonych na warunki klimatyczne w mieście, portal Zielona Infrastruktura (https://zielonainfrastruktura.pl)

 Dachy zielone

Wprowadzanie na szerszą skalę zielonych dachów jest jedną ze strategii przeciwdziałania negatywnym skutkom klimatu miasta przede wszystkim w zakresie mitygacji efektu miejskiej wyspy ciepła (Błażejczyk i in. 2014) i tym samym przyczynia się do poprawy jakości życia mieszkańców. Trzy podstawowe funkcje dachów zielonych w odniesieniu do klimatu miasta to:

• redukcja zanieczyszczeń powietrza
• opóźnienie odpływu wody opadowej
• osłabienie miejskiej wyspy ciepła

Rys. 1. Oddziaływanie dachów zielonych na klimat

Wpływ dachów zielonych na temperaturę

Dachy pokryte roślinnością są znacznie chłodniejsze od konwencjonalnych wskutek:

• zwiększonego albedo (współczynnika odbicia promieniowania– A)większa część promieniowania słonecznego jest odbijana od powierzchni dachu zielonego (A = ok. 0,15 – 0,40) w porównaniu ze sztucznym dachem czarnym (A – 0,1) co powoduje, że nagrzewa się on w mniejszym stopniu;

• ewapotranspiracji ochładzanie poprzez parowanie z powierzchni gleby (substratu) oraz transpirację z powierzchni roślin (efekt ochładzania zależy od dostępności pary wodnej oraz temperatury powietrza);

• zacienieniaochładzanie poprzez zasłonięcie powierzchni dachu roślinnością, która blokuje dopływ promieniowania słonecznego do jego powierzchni (efekt ochładzania zależy od rodzaju roślinności i pory roku) (Bell i in. 2008).

Badania prowadzone w Nowym Jorku (Rosenzweig i in. 2006) wykazały, że w upalne letnie popołudnie temperatura powierzchni dachu standardowego może być nawet o 40 °C wyższa od temperatury powierzchni dachu zielonego. Średnio (pomiary prowadzone w lipcu 2003) temperatura powierzchni dachu standardowego była wyższa o 19 °C w ciągu dnia i niższa o 8 stopni nocą od powierzchni dachu zielonego.

Rys. 2. Średnia temperatura powierzchni dachu zielonego i standardowego w Penn State Center for Green Roofs Research (źródło: Rosenzweig i in. 2006, zmodyfikowany).

Z kolei temperatura wewnątrz budynku pokrytego dachem zielonym była w dzień średnio o 2°C niższa, a w nocy średnio o 0.3°C wyższa (Rosenzweig i in. 2006).

Wykorzystanie dachów zielonych na szeroką skalę przyczynia się do ochłodzenia powietrza w mieście i tym samym redukcji negatywnych skutków miejskiej wyspy ciepła, a co za tym idzie poprawy komfortu życia mieszkańców.

Wpływ dachów zielonych na poprawę jakości powietrza

Dachy zielone redukują zużycie energii poprzez zmniejszenie zapotrzebowania na ogrzewanie wnętrza budynku zimą oraz chłodzenie latem (większa izolacyjność dachu zielonego powoduje zmniejszony transfer ciepła/zimna do wnętrza budynku). Mniejsze zapotrzebowanie na energię wpływa na poprawę jakości powietrza poprzez ograniczenie emisji pyłów i gazów cieplarnianych uwalnianych do atmosfery w związku z produkcją energii (wysoka emisja).

Roślinność dachowa umożliwia również odfiltrowywanie niektórych rodzajów zanieczyszczeń z powietrza poprzez tzw. suchą depozycję. Naukowcy z Toronto oszacowali, że 93 m² zielonego dachu odfiltrowuje ok. 18 kg pyłu zawieszonego w ciągu roku, redukując jednocześnie dwutlenek węgla i produkując tlen (Peck i Kuhn 2003). Określono ponadto, że mniej więcej taka sam ilość pyłów emitowana jest przez 15 samochodów osobowych w ciągu roku przy standardowym użytkowaniu (Bell i in. 2008).

Poprzez obniżenie temperatury powietrza dachy zielone przyczyniają się również do zmniejszenia tempa tworzenia się ozonu przypowierzchniowego.

Wpływ dachów zielonych na bilans wodny

Roślinność na dachach zachowuje się analogicznie do sobie podobnych naturalnych zbiorowisk roślinnych umożliwiając opóźnienie odpływu wody opadowej. Dachy zielone spowalniają i zmniejszają odpływ wody opadowej z miasta poprzez:

• retencjonowanie

• ewapotranspirację

 

Wielkość retencji odpływu	Dach Standardowy	Dach Zielony
podczas średniego odpływu	24%	80%
podczas odpływu szczytowego	26%	74%

Tab. 1. Modelowana wielkość retencji odpływu (% wody opadowej) przez dach standardowy i zielony, źródło danych: Penn State Center for Green Roofs Research (czerwiec – wrzesień 2003)

Możliwości retencyjne dachów zielonych zależą od (van Woert 2005) grubości substratu, gęstości roślinności, kąta nachylenia dachu oraz częstości występowania i intensywności opadów.

Funkcja retencyjnej dachów zielonych ma istotne znaczenie dla:

• ograniczenie ryzyka powodziowego,

• redukcja zanieczyszczeń wody,

• zmniejszenie kontrastów termicznych (poprzez zwiększoną ewapotranspirację)

Temperatura wybranych obiektów

W poniższej analizie wykorzystano:

• mapę temperatury powierzchni (rys. 3) opracowaną na podstawie danych Landsat-8 OLI/TIRS (źródło danych: NASA i USGS) w rozdzielczości przestrzennej 100 m z zastosowaniem tzw. algorytmu „pojedynczego okna” z uwzględnieniem współczynników emisyjności dla różnych rodzajów powierzchni oraz korekcji atmosferycznej (Walawender et al. 2011, 2012, 2014). Na mapie widać wyraźnie odzwierciedlony zasięg oddziaływania miasta oraz typową, mozaikową strukturę SUHI.

• Zestaw ortofotomap lotniczych (źródło danych: Geoportal 2012) w rozdzielczości przestrzennej 0.25 m (skala obrazu: 1: 5000) celem powiązania informacji o temperaturze powierzchni z konkretnymi obiektami (rys 4 – 6).

W wyniku przeprowadzonej analizy rozpoznano wyraźną zależność pomiędzy temperaturą powierzchni a rodzajem użytkowania terenu, wynikającą ze zróżnicowania właściwości cieplnych różnych rodzajów powierzchni. Na mapie (rys. 3) widać wyraźnie odzwierciedlony zasiąg oddziaływania miasta. Najcieplejsze obiekty zlokalizowane są w centrum, na terenie kombinatu metalurgicznego oraz innych zakładów przemysłowych i centrów handlowych.

Zdefiniowano 3 obszary testowe zlokalizowane w centrum Krakowa i obejmujące zróżnicowane użytkowanie terenu oraz charakterystyczną zabudowę. W związku z brakiem wielkopowierzchniowych dachów zielonych obszarze Krakowa i okolic miasta zastosowano podejście modelowe. Jako wierny model dachu zielonego przyjęto jeden z fortów Twierdzy Kraków porośnięty roślinnością.

Rys. 3. Temperatura powierzchni (LST) na obszarze Krakowa i okolic w dniu 7 sierpnia 2013 o godz. 9:35 UTC z zaznaczonymi obszarami testowymi:

1 – Stare miasto, 2 – Centrum handlowe KROKUS, 3 – Cmentarz Rakowicki

Obszar testowy 1 – Stare Miasto i okolice Wzgórza Wawelskiego

Opis: obszar obejmuje historyczne centrum Krakowa składające się z Zamku Królewskiego na Wawelu oraz Starego Miasta z Rynkiem Głównym o powierzchni kwadratu i wymiarach ok. 200  200 m wraz z charakterystycznym, regularnym układem urbanistycznym. „Starówka” otoczona jest wąskim (40 – 120 m) parkiem miejskim zwanym Plantami. W obrębie obszaru testowego 1 znalazły się również fragmenty dzielnic graniczących bezpośrednio ze starym miastem (po zewnętrznej stronie Plant) oraz zakole Wisły pod Wawelem.

Rys. 4. Temperatura różnych powierzchni w obrębie Starego Miasta i okolic Wzgórza Wawelskiego w Krakowie

Obszar testowy 2 – Centrum handlowe „Krokus” i okolice

Opis: obszar obejmuje budynek centrum handlowego „Krokus” o powierzchni 30,000 m2, w obrębie którego znajduje się hipermarket, 2 sklepy średnio-powierzchniowe i ponad 50 butików i punktów usługowych. Przy centrum handlowym znajduje się parking na 1500 samochodów. Na zachód od centrum handlowego stoi nieco mniejszy hipermarket budowlany oraz kompleks biurowców. Na północ od tych budynków wybudowano m.in. apartamentowce, hotel, park wodny i multikino itp. 

Rys. 5. Temperatura powierzchni dachu C.H. „Krokus” i innych obiektów w okolicy

Obszar testowy 3 – Rejon Cmentarza Rakowickiego

Opis: obszar obejmuje Cmentarz Rakowicki (42 ha) – jedną z największych nekropolii Krakowa i jego najbliższą okolicę, m. in. fragment Olszy i układu komunikacyjnego okolic Dworca głównego, a także jeden z fortów Twierdzy Kraków – fort 12 (IV a) – Luneta Warszawska

Rys. 6. Temperatura różnych powierzchni w rejonie Cmentarza Rakowickiego

Podsumowanie

Dotychczasowe badania oraz doświadczenia wielu miast Europe Zachodniej, Stanów Zjednoczonych i Kanady pokazują, że stosowanie na szeroką skalę dachów zielonych ma wpływ na klimat miasta przede wszystkim w zakresie poprawa warunków termiczno-wilgotnościowych, jakości powietrza oraz stosunków wodnych. Analiza temperatury wybranych obiektów zlokalizowanych w centrum Krakowa, w tym fortu Luneta Warszawska jako modelu dachu zielonego przeprowadzona na podstawie obrazu satelitarnego landsat-8 OLI/TIRS zarejestrowanego 7 sierpnia 2013 o godz. 9:35 UTC wykazała, że temperatura dachu zielonego była niższa od temperatury dachów zabudowy staromiejskiej o ok 8 – 10 C i aż ok. 20C od dachu C.H. „Krokus”. Temperatura powierzchni dachu zielonego (fortu) była zbliżona temperatury zieleni miejskiej (Plant).

Literatura:

Bell R., Berghage R., Doshi H., Goo R., Hitchcock D., Lewis M., Liptan T., Liu K., McPherson G., Nowak D., Peck S., Scholz-Barth K., Sonne J., Taube B., Velazquez L., Wolf K., Yarbrough J., and Zalph B., 2008, Reducing Urban Heat Islands: compendium of strategies – Green Roofs, US EPA

http://www.epa.gov/heatislands/resources/pdf/GreenRoofsCompendium.pdf(Dostęp: 18-03-2015)

Błażejczyk K., Kuchcik M., Milewski P., Dudek W., Kręcisz B., Błażejczyk A., Szmyd J., Degórska B., Pałczyński C. M., 2014, Miejska wyspa ciepła w Warszawie – uwarunkowania klimatyczne i urbanistyczne, Wyd. Akadem. SEDNO oraz Wyd. IGiPZ PAN, Warszawa, ss. 176, ISBN: 978-83-7963-018-9

Geoportal, portal Głównego Urzędu Geodezji i Kartografii: www.geoportal.gov.pl (dostęp: 10-2012)

Peck S., Kuhn M., 2003. Design Guidelines for Green Roofs. Canada Mortgage and Housing Corporation, Ottawa, and the Ontario Association of Architects, Toronto.

Rosenzweig C., Gaffin S., Parshall L (Red.), 2006, Green Roofs in the New York Metropolitan Region: Research Report. Columbia University Center for Climate Systems Research and NASA Goddard Institute for Space Studies, NowyJork, 59: http://pubs.giss.nasa.gov/abs/ro05800e.html (dostęp: 18-03-2015)

van WoertN.D., Rowe D.B., Andresen J.A., Rugh C.L., Fernandez R.T., Xiao L., 2005,Green Roof Stormwater Retention: Effects of Roof Surface, Slope, and Media Depth. Journal of Environmental Quality 34:1036-1044.

Walawender J., Hajto M., Iwaniuk P.,2011, Zastosowanie algorytmu „pojedynczego okna” do opracowania map temperatury powierzchni ziemina podstawie danych satelitarnych LANDSAT, Roczniki Geomatyki 9, 4(48)

Walawender J. P., Hajto M. J., Iwaniuk P., 2012, A new ArcGIS toolset for automated mapping of land surface temperature with the use of LANDSAT satellite data. Proc. IEEE IGARSS, 22–27 July 2012, Munich, Germany, 4371–4374, doi: 10.1109/IGARSS.2012.6350405.

Walawender J. P., Szymanowski M., Hajto M. J., Bokwa A., 2014, Land Surface Temperature Patterns in the Urban Agglomeration of Krakow (Poland) Derived from Landsat-7/ETM+ Data. Pure and Applied Geophysics 171, 913–940, doi: 10.1007/s00024-013-0685-7.

 Artykuł powstał we współpracy z Piotrem Wolańskim APK Dachy Zielone, przy wsparciu środków UE, w ramach udziału w projekcie pt.: „Wiedza, praktyka, doświadczenie – klucz do sukcesu w biznesie” realizowanym przez Małopolską Agencję Rozwoju Regionalnego S.A. i współfinansowanym przez Europejski Fundusz Społeczny Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki Priorytet VIII Regionalne kadry gospodarki, Działanie 8.2. Transfer wiedzy, Poddziałanie 8.2.1 Wsparcie dla współpracy sfery nauki i przedsiębiorstw.