基于全生命周期成本-效益模型的屋頂綠化綜合效益評估
——以Joy Garden為例

董楠楠 吳 靜 石 鴻 羅琳琳 劉 頌

1 研究背景與研究目標

高密度城市背景下，城市環境面臨的建設壓力日益增加[1]。在中國，尤其是特大城市，人均建設用地十分有限，城市中心區域綠地建設很難在量上有所突破，而城市剩余空間往往具有很大發展潛力。屋頂綠化除在彌補城市綠地空間上具有很大潛力外，還可免去高額拆遷費用，經濟有效地增加城市綠化面積。

本文借助SCI檢索平臺和工程索引(EI)數據庫檢索國際上發表的屋頂綠化相關文獻，統計分析結果表明，屋頂綠化技術被視為應對氣候變化的技術之一，其關注度逐漸增加。屋頂綠化的前沿研究聚焦于建筑能耗與熱效益[2-3]、雨水滯蓄性能[4-5]和其對城市微氣候的改善作用[6]等方向。值得一提的是，屋頂綠化與環境科學的交叉研究顯著增加，屋頂綠化對空氣質量的改善作用[7]及其固碳性能[8-9]也逐漸成為當前的研究熱點。

屋頂綠化由于自身特征，其比地面綠化項目需要更多經濟和技術支持，因此屋頂綠化也需要有較高的效能以平衡成本。針對以上問題，本文從全生命周期內屋頂綠化的成本和效益著手，建立適用于上海的屋頂綠化綜合效益評估模型，以此為政府制定相關獎勵措施和補貼政策等提供引導，降低建筑業主建造屋頂綠化的成本，從而提高其積極性，進而推進城市的屋頂綠化建設。

2 評估方法

2.1 評估方法的確立

以上海市屋頂綠化為研究對象，本文從成本和效益著手，對既有評估模型進行篩選，在借鑒原評估模型的基礎上，將模型參數和經濟轉換參數按照上海的實際情況進行合理修正，建立適用于上海的地域性屋頂綠化成本與效益評估模型。本文研究框架如圖1所示。

2.2 成本評估及模型修正

2.2.1 全生命周期

全生命周期評估是確定屋頂綠化長期成本和效益的有效方法。《屋面工程技術規范》(GB 50345—2012)規定，種植屋面所采用的Ⅰ級防水層合理使用年限為20年。眾多研究提出屋頂綠化可以通過植物和種植基質來減少屋頂的溫度波動，減少高溫熱應力對防水層的影響，從而延長屋頂壽命[10-12]。一般認為，綠屋頂的平均壽命是傳統屋頂的2倍[12]。國外研究中一般將綠屋頂的全生命周期假定為30～50年，如Susana Saiz[11]、Sproul Julian[12]、Nyuk HienWong[13]等以40～50年為屋頂綠化的全生命周期，分析其經濟效益；Sanaz Chenani[14]假定綠屋頂的全生命周期為40年，研究結構層材料對環境的影響；Cristina Silva[15]在研究屋頂綠化的養護時，將綠屋頂的全生命周期定為40年。本文直接采用各案例的綜合水平來研究區域尺度，即假定綠化屋頂的全生命周期是40年。

2.2.2 建設成本

根據《建筑安裝工程費用項目組成》(按造價形成劃分)，屋頂綠化建設成本包括直接工程費(含材料費用和運輸費用)、施工措施費、管理費、利潤和稅金，一般材料費已包含利潤，因此，建設成本計算如下：

屋頂綠化依次鋪設防水層(二道設防，包含阻根耐穿刺防水層和普通防水層)、排水層、過濾層、基質層和植物層等結構層。綠化灌溉常用方式有人工澆灌、自動噴灌、滴灌和滲灌，采用自動灌溉系統可大大降低人工維護費用，減少維護成本。由于不同灌溉系統成本差距較大，本文暫未將灌溉系統的直接工程費用列入估算中。結合《上海市屋頂綠化技術規范》，以及上海市屋頂綠化建造材料費用，整理出上海市屋頂綠化直接工程費估算表(表1)。

2.2.3 維護成本

維護成本指在全生命周期內屋頂綠化結構層和灌溉系統維護與更新所需費用。草坪式屋頂綠化可通過控制灌溉量和施肥量來控制植物的生長，減少病蟲害和植物清除量，同時降低屋面荷載；花園式屋頂綠化需進行更多的修剪、施肥、除蟲等維護工作。參考《上海市綠地養護概算定額單位估價表(2014)》等，按二類地區維護標準，整理出上海市屋頂綠化維護成本(表2)。更新成本的估算采用Sproul等人的結論，即全生命周期內屋頂綠化更新成本大約是建設成本的1/3[12]。

圖1 研究框架

2.3 效益評估方法及模型修正

2.3.1 節能效益

采用一維傳熱模型分析建筑傳熱效率，可快速模擬和預測屋頂綠化的節能效率[18-19]，適用于大尺度范圍的模擬分析和效益評估。綠屋頂節省的能量按公式(4)計算[19-20]：

式中，Qh表示熱流，W；K表示屋頂的傳熱系數，W/(m2·K)；A表示綠化面積，m2；ΔT表示建筑物內外溫差，K。

表1 上海市屋頂綠化直接工程費估算表

表2 上海市屋頂綠化維護成本表[10，16-17]

表3 上海市植物單位土地面積二氧化碳吸收及固定量[23]

He Yang等研究表明，夏天室內空調溫度設置為26℃時，上海市綠屋頂和普通屋頂平均熱流差為1.75W/m2[21]；冬季室內空調溫度為24℃時，平均熱流差為22W/m2[22]。利用電力公司提供的能效比將空調熱能轉換成電能，結合上海市的用電收費標準計算出節省的經濟效益。制冷期設定為5月15日—9月15日，共124d；取暖期設為11月15日—次年3月15日，共122d。根據《上海市居住建筑節能設計標準》(DGJ 08—205—2015)，供冷額定能效比取3.1，供熱額定能效比取2.5。實際節約電能計算如下：

式中，Q'表示實際節約電能，W；EER表示能效比。

2.3.2 減碳效益

屋頂綠化的減碳效益來源于兩部分：一是節能所減少排放的CO2，二是植物呼吸作用固定的CO2。對于多項效益綜合評估時，一般遵循直接外部性原則。因此，本文只評估植物的固碳效益，計算如下：

式中，WC表示屋頂綠化植物年均固碳量，kg/年；Wi表示不同種類植物的單位面積固碳量(表3)；Ai表示該類植物的種植面積。

目前國內碳匯市場仍處于探索階段，為減少誤差，采用國際較為通用的瑞典碳稅率150美元/t(約為970元/t)，將減碳量轉換成經濟效益。

2.3.3 截水效益

綠屋頂可通過植物、土壤介質和蓄水層實現雨水截流和延長徑流時間。研究表明，在不同降雨強度、基質厚度和植被等條件下，綠屋頂對雨水的滯蓄率處于5%～100%之間[24-25]。鄭美芳等[26]研究了成都市連續16個月自然降雨條件下綠屋頂對雨水的截留率，結果表明小雨時綠屋頂的截留率近100%，暴雨期截留率約為65%。根據中央氣象臺上海市月平均降雨數據，5—9月為暴雨期，10月—次年1月降雨較少，與成都市降雨條件相似。減少雨水徑流量按照下式計算：

式中，QW表示截留雨水量，m3；P表示降雨量，m；ψ表示雨水截留率，10月至次年1月取值100%，5—9月取值65%；A表示屋頂種植面積，m2。

表4 上海市大氣污染物環保稅

表5 Joy Garden建設成本估算表

表6 Joy Garden維護與更新成本

根據雨水處理費將截水效益折算成經濟效益。上海尚未征收雨水排水費，本文按照上海市污水處理費標準進行估算，得到具有一定參考意義的滯蓄雨水的經濟效益。

2.3.4 凈化空氣效益

戴菲等[27]研究表明，綠化面積高于50hm2時降塵效果明顯，當環境處于輕度與中度污染時，綠化覆蓋率增加10%，PM10可消減19.56%。由于現有數據和研究現狀的限制，且國內相關研究缺少連續性，各污染物的健康經濟損失暫無較為明確的結論。因此，本文只估算屋頂綠化凈化大氣污染物所減少的環境保護稅。針對不同空氣污染物，吸收污染物總量計算如下[28]：

式中，Qi表示植物吸收污染物i的總量，g；Fi表示污染物通量，g/(m2·s)；LAI表示植物覆蓋面積，m2；T表示時段，s。本文借鑒張艷等[29]結論中的區域年平均值。草坪式屋頂綠化選取草地的區域平均值[30-31]；而組合式和花園式屋頂綠化綜合草地、農田和落葉林3種類型計算植物吸收污染物的總量。

根據污染物環保稅將屋頂綠化吸收的大氣污染物轉換成經濟效益，其中，上海市對NOx和SO2征收的環保稅標準見表4。

3 案例模擬

以同濟大學Joy Garden屋頂花園為例進行效益評估，其所在建筑總面積452m2，占地面積150m2，地上一層為商業用房，地上二、三層為商務辦公樓。屋頂綠化可使用面積150m2，種植面積70m2，基質厚180mm，其余鋪裝及設施面積80m2，圖2和圖3分別是該案例的輪廓平面圖和鳥瞰圖。

3.1 成本評估

根據上文成本估算表對Joy Garden屋頂花園部分費用進行估算(表5)。Joy Garden的種植結構部分估算建設成本為64 308.85元，實際成本為58 408.82元。估算成本與實際建設成本相差10%，在可接受范圍內。

案例初期維護還較少，無法根據實際維護情況進行估算。因此，本文采用評估模型，由實際成本估算得到其維護成本和更新成本(表6)。全生命周期內，Joy Garden維護與更新總成本約為6.89萬元，平均為24.62元/(m2·年)。

3.2 效益評估

3.2.1 節能效益評估

以夏季制冷期室內溫度設定為26℃，冬季采暖期室內溫度24℃進行估算，Joy Garden 的節能效益見表7。

3.2.2 減碳效益評估

本文對案例的植物進行歸類整理，計算出Joy Garden固碳量及其經濟效益(表8)。案例屋頂綠化每年可固定CO2327.79kg，約節省317.96元；在其全生命周期內，植物固碳量約為13.11t，經濟效益約為1.272萬元。

3.2.3 截水效益評估

Joy Garden安裝有雨水收集與循環利用系統，根據國家氣象科學數據共享服務平臺公開的數據，上海市標準年降水量為1 192.59mm，則Joy Garden每年可減少排放雨水約179m3，每年可節省污水處理費約418.86元，全生命周期內節約污水處理費共1.675萬元。

圖2 案例屋頂輪廓平面圖

圖3 Joy Garden屋頂花園鳥瞰圖

圖4 全生命周期內普通屋頂與屋頂花園的綜合投入對比分析

3.2.4 凈化空氣效益評估

案例草坪、草花植物面積為60.15m2，藤本植物面積(垂直面積)為3.86m2，景天科植物面積為0.46m2，灌木面積總共7.32m2，在凈化空氣污染效益上可按草坪式屋頂綠化來估算。本文以2016年各種污染物每月的平均濃度為標準，測算Joy garden全生命周期內減少空氣污染所帶來的效益(表9)。

3.3 案例分析

在全生命周期(40年)內，Joy Garden的總成本約為127 356元，其中維護與更新成本平均約為1 723.70元/年；總效益約為111 172.08元，平均2 779.30元/年。國內普通屋面防水膜壽命一般為20年，在第21年時需更換防水層。據魏道江等[32]對普通平屋面的防水造價估算值為118.80元/m2，150m2的普通平屋頂防水造價約為17 820元。Joy Garden與普通屋頂的綜合投入對比分析見表10和圖4。據圖4可看出，在Joy Garden建成的第21年，其綜合投入可與普通屋頂的綜合投入持平；隨后，Joy Garden的綜合投入低于普通屋頂。根據表10，在全生命周期結束后，屋頂花園的綜合投入比普通屋頂低19 455.26元，約比普通屋頂少投入54.58%。

4 結論

4.1 屋頂花園成本分析

在屋頂花園全生命周期(40年)的基礎上，本文建立了適用于上海的屋頂綠化成本評估模型，將該模型應用于已建成的同濟大學Joy Garden屋頂花園，該案例屋頂面積為150m2，綠化面積為70m2，以暖季型草坪為主。經計算，全生命周期內，Joy Garden總成本為127 356.82元。其中，建設成本評估值與實際成本分別為64 308.85和58 408.82元，誤差約為10%，在可接受范圍內；屋頂綠化的維護與更新成本為68 948元，占總成本的54.1%，平均約為1 723.70元/年。

4.2 屋頂花園效益分析

本文建立了適用于上海屋頂綠化的綜合效益評估模型，用來評估屋頂綠化的建筑節能、截留雨水、固碳和凈化空氣效益。將該模型應用于案例屋頂花園Joy Garden，其綜合效益模擬評估結果表明：對于上海這種冬冷夏熱的地區，屋頂綠化在降低建筑物能耗上起到很大作用。全生命周期內，Joy Garden的綜合效益約為11.12萬元，平均2 779.30元/年。其中，降低建筑物能耗占總效益的73.4%，凈化空氣效益占12.2%，截水效益和減碳效益各占9.5%和9.2%。

表7 Joy Garden節能效益

表8 Joy Garden植物固碳效益

表9 Joy Garden凈化空氣效益

表10 普通屋頂與Joy Garden屋頂花園綜合投入對比分析(單位：元)

4.3 屋頂花園與普通屋頂對比分析

Joy Garden屋頂花園和普通平屋面的綜合投入對比分析結果表明，在第21年普通屋面更換防水層時，Joy Garden的綜合投入與其持平。全生命周期結束后，Joy Garden的綜合投入比普通屋頂約低1.95萬元，大約比普通屋頂總投入少54.58%。除模擬評估的4種效益外，屋頂綠化還存在著許多其他效益，如減少噪聲和光污染、增加城市生物多樣性等生態效益；提升城市景觀和審美價值、增加城市游憩用地、有利于城市居民的身心健康等社會效益；如果建成屋頂農場，還可以增加城市農業用地，產出蔬菜、水果，減少物流消耗等經濟價值；此外，在一定條件下，利用屋頂空間增加城市綠化，部分屋頂綠化面積可折算為地面綠化面積①，在土地利用方面也具有明顯的經濟效益。

4.4 屋頂綠化成本-效益評估模型的意義

本文提出了一種系統評估屋頂綠化綜合效益的方法，可用于已建成或未建成屋頂綠化在全生命周期內的成本與效益評估，以分析其經濟價值，降低綜合投入，有助于屋頂綠化的推廣。與此同時，此評估模型可引導政府制定獎勵或補貼措施等相關政策，最終將屋頂綠化的社會和生態環境效益等轉化為業主的直接收益，進一步降低業主建造屋頂綠化的成本，從而提高業主建造屋頂綠化的積極性，進而推進城市屋頂綠化建設，達到改善城市生態環境的目的。

注：文中圖片均由吳靜繪制。

注釋：

①來源：上海市《屋頂綠化技術規范》(滬綠容〔2015〕330號文)明確規定，屋頂綠化可根據綠化面積、類型等因素折算成綠地面積，進一步降低建設項目配套綠化的用地成本。