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(biāo)

高密度城市背景下，城市環(huán)境面臨的建設(shè)壓力日益增加[1]。在中國，尤其是特大城市，人均建設(shè)用地十分有限，城市中心區(qū)域綠地建設(shè)很難在量上有所突破，而城市剩余空間往往具有很大發(fā)展?jié)摿?。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(jīng)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(shù)據(jù)庫檢索國際上發(fā)表的屋頂綠化相關(guān)文獻，統(tǒng)計分析結(jié)果表明，屋頂綠化技術(shù)被視為應(yīng)對氣候變化的技術(shù)之一，其關(guān)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(huán)境科學(xué)的交叉研究顯著增加，屋頂綠化對空氣質(zhì)量的改善作用[7]及其固碳性能[8-9]也逐漸成為當(dāng)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(jīng)濟和技術(shù)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(nèi)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(guān)獎勵措施和補貼政策等提供引導(dǎo)，降低建筑業(yè)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(shè)。

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(chǔ)上，將模型參數(shù)和經(jīng)濟轉(zhuǎn)換參數(shù)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?！段菝婀こ碳夹g(shù)規(guī)范》(GB 50345—2012)規(guī)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(zhì)來減少屋頂?shù)臏囟炔▌?，減少高溫?zé)釕?yīng)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?shù)钠骄鶋勖莻鹘y(tǒng)屋頂?shù)?倍[12]。國外研究中一般將綠屋頂?shù)娜芷诩俣?0～50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(jīng)濟效益；Sanaz Chenani[14]假定綠屋頂?shù)娜芷跒?0年，研究結(jié)構(gòu)層材料對環(huán)境的影響；Cristina Silva[15]在研究屋頂綠化的養(yǎng)護時，將綠屋頂?shù)娜芷诙?0年。本文直接采用各案例的綜合水平來研究區(qū)域尺度，即假定綠化屋頂?shù)娜芷谑?0年。

2.2.2 建設(shè)成本

根據(jù)《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(shè)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(shè)成本計算如下：

屋頂綠化依次鋪設(shè)防水層(二道設(shè)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(zhì)層和植物層等結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)成本差距較大，本文暫未將灌溉系統(tǒng)的直接工程費用列入估算中。結(jié)合《上海市屋頂綠化技術(shù)規(guī)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(nèi)屋頂綠化結(jié)構(gòu)層和灌溉系統(tǒng)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(yǎng)護概算定額單位估價表(2014)》等，按二類地區(qū)維護標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)論，即全生命周期內(nèi)屋頂綠化更新成本大約是建設(shè)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(jié)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(yù)測屋頂綠化的節(jié)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(jié)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?shù)膫鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；A表示綠化面積，m2；ΔT表示建筑物內(nèi)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(nèi)空調(diào)溫度設(shè)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(nèi)空調(diào)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(diào)熱能轉(zhuǎn)換成電能，結(jié)合上海市的用電收費標(biāo)準(zhǔn)計算出節(jié)省的經(jīng)濟效益。制冷期設(shè)定為5月15日—9月15日，共124d；取暖期設(shè)為11月15日—次年3月15日，共122d。根據(jù)《上海市居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(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(jié)約電能計算如下：

式中，Q'表示實際節(jié)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(jié)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(nèi)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(zhuǎn)換成經(jīng)濟效益。

2.3.3 截水效益

綠屋頂可通過植物、土壤介質(zhì)和蓄水層實現(xiàn)雨水截流和延長徑流時間。研究表明，在不同降雨強度、基質(zhì)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(xù)16個月自然降雨條件下綠屋頂對雨水的截留率，結(jié)果表明小雨時綠屋頂?shù)慕亓袈式?00%，暴雨期截留率約為65%。根據(jù)中央氣象臺上海市月平均降雨數(shù)據(jù)，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(huán)保稅

表5 Joy Garden建設(shè)成本估算表

表6 Joy Garden維護與更新成本

根據(jù)雨水處理費將截水效益折算成經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)進行估算，得到具有一定參考意義的滯蓄雨水的經(jīng)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(dāng)環(huán)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(xiàn)有數(shù)據(jù)和研究現(xiàn)狀的限制，且國內(nèi)相關(guān)研究缺少連續(xù)性，各污染物的健康經(jīng)濟損失暫無較為明確的結(jié)論。因此，本文只估算屋頂綠化凈化大氣污染物所減少的環(huán)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(jié)論中的區(qū)域年平均值。草坪式屋頂綠化選取草地的區(qū)域平均值[30-31]；而組合式和花園式屋頂綠化綜合草地、農(nóng)田和落葉林3種類型計算植物吸收污染物的總量。

根據(jù)污染物環(huán)保稅將屋頂綠化吸收的大氣污染物轉(zhuǎn)換成經(jīng)濟效益，其中，上海市對NOx和SO2征收的環(huán)保稅標(biāo)準(zhǔn)見表4。

3 案例模擬

以同濟大學(xué)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(yè)用房，地上二、三層為商務(wù)辦公樓。屋頂綠化可使用面積150m2，種植面積70m2，基質(zhì)厚180mm，其余鋪裝及設(shè)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(jù)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(jié)構(gòu)部分估算建設(shè)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(shè)成本相差10%，在可接受范圍內(nèi)。

案例初期維護還較少，無法根據(jù)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(nèi)，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(jié)能效益評估

以夏季制冷期室內(nèi)溫度設(shè)定為26℃，冬季采暖期室內(nèi)溫度24℃進行估算，Joy Garden 的節(jié)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(jīng)濟效益(表8)。案例屋頂綠化每年可固定CO2327.79kg，約節(jié)省317.96元；在其全生命周期內(nèi)，植物固碳量約為13.11t，經(jīng)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(huán)利用系統(tǒng)，根據(jù)國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺公開的數(shù)據(jù)，上海市標(biāo)準(zhǔn)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(jié)省污水處理費約418.86元，全生命周期內(nèi)節(jié)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，測算Joy garden全生命周期內(nèi)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(nèi)，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(nèi)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(jù)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?shù)木C合投入對比分析見表10和圖4。據(jù)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?shù)木C合投入持平；隨后，Joy Garden的綜合投入低于普通屋頂。根據(jù)表10，在全生命周期結(jié)束后，屋頂花園的綜合投入比普通屋頂?shù)?9 455.26元，約比普通屋頂少投入54.58%。

4 結(jié)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(chǔ)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(yīng)用于已建成的同濟大學(xué)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(jīng)計算，全生命周期內(nèi)，Joy Garden總成本為127 356.82元。其中，建設(shè)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(nèi)；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(jié)能、截留雨水、固碳和凈化空氣效益。將該模型應(yīng)用于案例屋頂花園Joy Garden，其綜合效益模擬評估結(jié)果表明：對于上海這種冬冷夏熱的地區(qū)，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(nèi)，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(jié)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(jié)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(jié)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(tài)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(nóng)場，還可以增加城市農(nóng)業(yè)用地，產(chǎn)出蔬菜、水果，減少物流消耗等經(jīng)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(jīng)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(tǒng)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(nèi)的成本與效益評估，以分析其經(jīng)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(dǎo)政府制定獎勵或補貼措施等相關(guān)政策，最終將屋頂綠化的社會和生態(tài)環(huán)境效益等轉(zhuǎn)化為業(yè)主的直接收益，進一步降低業(yè)主建造屋頂綠化的成本，從而提高業(yè)主建造屋頂綠化的積極性，進而推進城市屋頂綠化建設(shè)，達到改善城市生態(tài)環(huán)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(shù)規(guī)范》(滬綠容〔2015〕330號文)明確規(guī)定，屋頂綠化可根據(jù)綠化面積、類型等因素折算成綠地面積，進一步降低建設(shè)項目配套綠化的用地成本。