屋顶绿化的效益及成本分析

宫永伟 杨一帆，2 李俊奇 翟丹丹 张贤巍

(1.北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京 100044;2.荷兰瓦赫宁根大学 环境技术研究组，瓦赫宁根市，荷兰 6708PB)

在城市化快速推进的大背景下，城市中原有的自然地面逐渐被硬化面积所取代，绿化面积及透水下垫面的急剧减少给城市生态环境和区域健康水循环带来了巨大冲击。城市地区同其周边地区相比，局部气温明显升高，出现了诸如“温室效应”、“热岛效应”、“PM2.5空气污染”等一系列环境问题;同时，城市区域不透水下垫面迅速增加，导致雨水入渗量大幅度降低，增加了城市内涝发生的风险。为改善城市环境，很多城市管理理念应运而生，这些理念的核心思想就是通过生态措施，增加城市绿化面积和透水下垫面。城市区域地价昂贵，占地面积较大的技术往往由于紧张的土地资源得不到充分应用，因此，有学者提出了向“第五面”(即城市屋顶)开拓绿色的设想［1］。屋顶绿化技术因不需要占用专门的城市用地，利用大量闲置的城市不透水屋面(约占城市不透水下垫面总面积的40%～50%)成为城市生态环境保护的优势技术之一［2］。

国内的屋顶绿化起步较晚，目前屋顶绿化的比例不高，但其受重视程度正在提高。北京在2005年制订了《屋顶绿化规范》的地方标准，并且按照《北京城市环境建设规划》要求，高层建筑中有30%要进行屋顶绿化，多层建筑中60%要进行屋顶绿化。另外，上海、深圳等城市也都制订了相应的屋顶绿化规范。近年来国内也完成了很多屋顶绿化项目，旨在降低城市热岛效应、节约能源、减少环境污染、提高蓄排水能力、美化城市环境等［3～4］。

屋顶绿化可以实现节能减排、调节小气候、滞留雨水、去除污染物、延长屋顶寿命、降低噪声、丰富城市景观、提高住房的经济效益及社会效益等。本研究将分析屋顶绿化在这些方面的效果，结合现有文献资料及工程实例，量化其在实际运行中带来的各方面效益，并分析其成本及收益。

1 屋顶绿化效果分析

1.1 节能减排

节能减排是目前建筑行业所研究的重点领域之一，也逐渐成为绿色建筑的重要指标。屋顶绿化的节能效果主要体现在屋顶绿化可以调节室内温度从而减少空调暖气等控温设施的使用，在一定程度上节约了用电量，减少了天然气、煤炭等能源的使用;屋顶绿化的减排效果除了体现在节约能源所引起的污染物减排，还体现在屋顶的绿色植物进行光合作用吸收大气中“温室气体”二氧化碳并释放氧气。

1.1.1 节能效果

(1)夏季降温

研究证明，屋顶绿化通过植物和土壤层反射和吸收光照，可以大幅度降低屋顶温度，在夏季尤为明显。当室外气温达到30℃时，屋顶绿化基层以下10cm 处的温度仅为20℃，而此时没有绿化的地面由于强烈的吸热作用已达到40～50℃。屋顶绿化可以增强热传导的衰减性，其导热热阻约0.41～0.63(m2·K)/W，对室外热作用的衰减性提高了近一倍，从而可降低室内温度1～6℃，节约20%～70%的能量［5］。国内外许多学者的研究也验证了这一点。根据Jaffal 在法国的研究表明，面积为56m2的屋顶绿化，炎夏时土壤层平均比室外温度低12.8℃，传统屋面温度达到58℃时，屋顶绿化的温度仅有20℃［6］。根据Parizotto 在巴西弗洛里亚诺波利斯地区的研究，124m2的屋顶绿化相比于普通屋顶，在夏季减少吸热量达到92～97%、增加放热量达到20%～49%［7］。根据Jim 在香港的研究，484m2屋顶绿化可使屋面温度降低5.2℃，使屋顶上方10cm 处气温降低0.7℃［8］。

(2)冬季保温

关于屋顶绿化冬季保温作用的研究相对较少，其效果也不如夏季降温的效果明显。根据Jaffal 的研究，在冷冬时屋顶绿化的土壤层比室外温度高5.6℃，传统屋面温度达到－6℃时，屋顶绿化温度在－4℃以上［6］。根据Parizotto 的研究，屋顶绿化相比于普通屋顶，在冬季增强吸热量达到70%～84%、减少放热量达到44%～52%。相比于普通屋顶，屋顶绿化可以节约房屋供暖费用达50%之多［7］。

由此可见，屋顶绿化对房屋夏季降温和冬季保温具有重要意义。大量研究表明，屋顶绿化的降温保温性能取决于栽植基质的厚度和植物种类。

1.1.2 减排效果

屋顶绿化减排效果显著:一方面，屋顶绿化的夏季降温和冬季保温在很大程度上节约了用电量，减少了天然气、煤炭等能源的使用，从而间接减少了碳排放及其他大气污染物的排放，如:SO2、NO2和NO;另一方面，由于屋顶植物的光合作用，直接吸收了大气中的部分二氧化碳。根据Sailor 在芝加哥和休斯顿的研究，面积为400m2屋顶绿化，使房屋年均耗电量减少2%，年均耗天然气量减少9%～11%［9］。根据Spala 在雅典的研究，210m2屋顶绿化使夏季空调负荷降低60%［10］。根据Jim 的研究，484m2的屋顶绿化可使每个夏季节约空调耗电28000kWh，节约2 万元人民币，相当于减少二氧化碳排放27.02t［8］，约56kg/m2。在碳交易逐步发展的今天，屋顶绿化在减少碳排放方面的作用逐渐被人们重视。

1.2 滞留雨水

屋顶绿化可以大量滞留屋面雨水，从而使得整个城市的雨水径流总量得以削减。根据Mentens 在布鲁塞尔的研究，若全部屋顶面积的10%为粗放型屋顶绿化，可以使屋面雨水径流量削减54%，使整个城市的雨水径流量削减2.7%［11］。若屋顶绿化面积达到城市屋面总面积的50%，即可使整个城市的雨水径流量降低7.5%［5］。

一般来说，屋顶绿化工程对城市雨水的截留能力受多种因素的影响，比如:植被种类、种植基质层厚度、降雨量、降雨强度、绿化屋顶坡度、气温、前期干旱条件等。屋顶绿化暴雨径流的实测实验发现［12］，在种植基质相同的条件下(均为100mm 排水层+100mm 过滤层+100mm 土层)，种植接骨草的屋顶对暴雨径流的消减效果(62%～80%)好于种植麦冬的绿化屋顶(40%～49%)。Nagase 和Dunnett 研究也表明:当用非禾草本植物或禾草本植物取代景天属植物时，绿色屋顶削减的径流量减少了23%～38%［13］。一般来说，种植基质层越厚，径流截留量越大。德国巴伐利亚的园艺站所进行的实验显示，种植土层为10cm 的屋顶绿化，能够使屋面雨水径流量降低70%左右［14］。根据Fassman 在奥克兰的研究，基质厚度为50～150mm 的屋顶绿化可以使小于25 mm 的降雨不产生径流［15］。10cm 以上的覆土厚度以及适当绿化的屋顶花园被认为至少能储存年降雨量的50%［16］。Monterusso 等［17］研究表明:对于小强度降雨(2.1 mm)，绿化屋顶可消减85.7%的降雨量，对于高强度降雨(12.1 mm)，绿化屋顶对降雨消减量显著降低。同时，相对于前期干旱期而言，气温对暴雨径流消减效果的影响更为显著，气温越高，降雨间隔时间越长，种植基质含水率越低，径流消减效果越好。

屋顶绿化在削减雨水径流量方面的贡献不容小觑，通过对径流系数的削减，从而减少了雨水外排量。但是也有部分研究显示，在多暴雨地区，屋顶绿化对雨水径流量的削减作用并不明显，无论是峰值时间延长还是峰值流量削减，都不如小降雨事件的效果好，因此要结合当地情况选用屋顶绿化［18］。综上，屋顶绿化有利于城市的防洪排涝，同时，在少雨、干燥的季节或地区，屋顶绿化可减少雨水资源的流失，调节雨水的自然循环和平衡。

1.3 去除污染物

大量的雨水径流对城市水系带来了巨大冲击，以城市暴雨径流为载体的城市面源污染已成为城市水体污染的主要来源。以北京城为例，油毡屋面初期雨水径流的化学需氧量高达700mg/L，SS 高达800mg/L，均超出北京地下水人工回灌水质控制标准［19］，而屋顶绿化能够净化屋面径流，有助于城市水环境的健康循环。

屋顶绿化对于重金属有较好的去除效果。根据Steusloff 在德国柏林的研究，与普通屋顶的径流水质相比，精细型屋顶绿化在夏季可以去除99%的铅、锌、铜以及98%的镉，在冬季可以去除68%的铜、92%的锌、88%的镉和94%的铅;粗放型屋顶绿化在夏季可以去除97%的铜、96%的锌、92%的镉和99%的铅，在冬季可以去除44%的铜、72%的锌、62%的镉和91%的铅［20］。由此可见，绝大多数的重金属都可以通过屋顶绿化而去除。

屋顶绿化对无机盐类的去除率也相当可观。根据日本福冈的研究，精细型屋顶绿化对污染物有较好的去除效果，总氮去除率74%，氨氮去除率85%，硝酸盐去除率91%，总磷去除率75%。王书敏等在重庆的实验研究表明，屋顶绿化对氨氮去除转化效率达到了90%以上，尽管对总氮也有较好的控制效果，但其平均去除幅度小于氨氮。相对而言，总氮和氨氮的控制效果好于总磷和硝酸盐［21］。部分研究显示，屋顶绿化有可能使径流雨水的氮磷含量增多，这主要是由于植物的施肥以及雨水对土壤的冲刷造成，因此要因地适宜得选择屋顶绿化类型及植物种类，尽量减少或不使用肥料。

此外，经过屋顶绿化植物净化，雨水的pH 一般会由5 上升到7.8 左右，使得雨水酸度降低［22］。因此，屋顶绿化对于减轻自然水体酸化、减缓建筑物侵蚀以及钝化有毒物质有重要意义。

美国BMP(Best Management Practice)数据库也记录了一些屋顶绿化净化效果的数据，以波特兰市的BMP项目为例，屋顶绿化径流雨水出水生物需氧量浓度小于3mg/L，化学需氧量浓度为60～70mg/L，氨氮浓度小于0.1mg/L，总磷浓度小于0.5mg/L，固体悬浮物浓度1.75～4mg/L。

综上，屋顶绿化对雨水中生化需氧量、化学需氧量、氨氮、硝态氮、总磷、固体悬浮物、重金属等均有一定的去除效果。其出水水质受到各方面综合因素影响，如降雨强度、降水水质、气候特征、建筑材料性质、植物种类、屋顶结构等，在设计过程中要综合考虑各方面因素，选择最优方案。

1.4 延长屋顶寿命

没有进行屋顶绿化的传统屋顶，由于季节和昼夜之间较大的温度梯度使屋顶各类卷材和粘结材料经常处于热胀冷缩状态，加之紫外线长期照射加速了沥青材料及其他密封材料的老化，其机械寿命接近20年。而绿化屋顶的机械寿命一般可以维持45年甚至更长，这是因为生长基质和树冠保护沥青屋顶薄膜免受紫外线辐射和白天黑夜薄膜内温度急剧波动的影响。在伦敦，绿化屋顶和传统的屋顶相比，Bradley 研究表明，下午传统屋顶薄膜是70℃时，然而绿色屋顶薄膜的温度只达到25℃［23］。屋顶薄膜承受着其每天的扩张和收缩，使其损坏最终不能使用。除此之外，绿色屋顶还将为防水层形成保护，能够避免冰雹、大、风、人为破坏和烟花爆竹带来的物理损伤，进而延长屋顶寿命，减少屋顶材料垃圾进入土壤。

1.5 降低噪声

传统屋顶一般是硬化表面，而植被和生长基质比硬表面更能吸收声波，因此可以考虑用屋顶绿化来代替传统屋顶，以达到降低来自道路和其他地方声压的效果。Renterghem 和Botteldooren 研究表明:屋顶植被覆盖百分比和来自建筑物对面声源或者道路峡谷的声压降低量存在直线关系;屋顶绿化所用的生长基质倾向于粗糙，声波进入孔隙空间并且因基质颗粒之间复杂的相互作用而减少［24］。和非绿化屋顶相比，绿化屋顶降噪是明显的，对于500～1000Hz 的噪声最大可以降低10dB，研究也表明，降低噪声的基质深度总共是15～20cm，再增加基质深度是没有用的［25］。因此，屋顶绿化对机场、工厂及都市附近的建筑物有积极的影响。

1.6 景观价值

屋顶绿化的主要景观价值包含休闲娱乐价值和审美观赏价值。在土地资源紧张的高密度城市大环境下，闲置平坦的屋顶为城市居民提供了大量潜在休闲娱乐空间，这种可进入的公共空间属于精细型屋顶绿化范畴内。在发展商业和住宅的过程中，屋顶花园为邻里间的往来互通提供了条件。这种向公众开放的屋顶平台显然能够成为一个社区的资源优势，而私有的可通达屋顶空间也为房屋所有者提供了潜在的升值空间和无形的个人财富。与此同时它也缓解了公共休闲资源的压力并会帮助整个市区绿地景观形成连续性［26］。

2 成本及经济效益分析

和传统屋顶相比，屋顶绿化的成本稍高，因此对屋顶绿化进行成本效益分析是十分必要的。屋顶绿化的成本主要分为建造成本和维护成本，而建造成本主要由防水层、基质及种植成本组成;屋顶绿化的收益则以间接收益为主，如改善城市环境、提高住房舒适度等。而且根据地域差异，屋顶绿化的成本收益情况也有很大差别。Bianchini 针对屋顶绿化的投资与回报进行了详细的研究，主要从房屋使用者层面和社会层面两个角度分析，房屋使用者层面是指使用屋顶绿化的居民个体，社会层面是指整个地区的规划与管理。对于房屋使用者层面上的成本与收益分析，综合考虑了建造费用、维护费用所产生的成本，以及房屋增值、税收减少、暴雨集蓄、避免雨水进入排水系统、能源节约、寿命增加所带来的收益;对于社会层面上的成本与收益分析，综合考虑空气污染、垃圾填埋所产生的成本，以及减少CO2、改善空气质量、节约的改进基础设施费用、减少洪水危害、创造生物栖息地、提供休闲场所、减少城市热岛效应、美观价值所带来的收益。

对于屋顶绿化成本效益的分析，既要考虑建设时一次性的投资与回报，也要考虑使用过程中的投资与回报。Bianchini 在2012年的研究表明，对于房屋使用者，屋顶绿化的建造成本约800～3360 元/m2，维护成本约4～80 元/年·m2;一次性收益约820～4320 元/m2，周期性收益约240～2120 元/m2。以100m2屋顶绿化为例，假设其使用年限为30年，其总成本为4.34～36.81 万元，总收益为76～670 万元。对于社会，屋顶绿化的一次性成本约37～140 元/m2;一次性收益约为66～1890元/m2，周期性收益约为0.22～0.32 元/m2。以一个区域60 万m2屋顶绿化为例，假设其使用年限为30年，其总成本为820～3130 万元，总收益为1870～43010 万元。约5年可以把投资的成本收回［27］。由此可见，无论是对房屋使用者还是社会整体，屋顶绿化的效益都十分明显，在现代化城市建设中，要充分考虑到这些因素，不能仅仅以建造及维护成本相对较高而否定了屋顶绿化的价值。

根据Banting 等针对加拿大多伦多城市屋顶绿化整体情况的研究，综合考虑屋顶绿化在城市热岛效应、雨水管理、合流制管道溢流、建筑节能、净化空气等方面的效益。其一次性可降低成本19.5 亿，每年可降低成本2.3 亿［28］。根据英国自然协会的报道，伦敦拉邦舞蹈中心屋顶绿化的建造费用为220 元/m2，并指出，如果能够在早期开展屋顶绿化建设，从而避免大型起重设备的使用，这个费用可以降低到180 元/m2［29］。

国内也有一些学者对屋顶绿化的建造成本情况进行了研究。根据万静对上海市屋顶绿化的研究，屋顶绿化可以有效降低城市的绿化成本，上海市区因绿化而拆迁的成本超过12000 元/m2，而屋顶绿化的成本一般在300～1000 元/m2;其中种植成本方面，粗放型屋顶绿化为50～60 元/m2，精细型屋顶绿化为200～300 元/m2［30］。根据北京市园林绿化局2012年印发的《北京市屋顶绿化建设和养护质量要求及投资测算》(以下简称《投资测算》)，粗放型屋顶绿化的种植成本为280～350 元/m2，精细型屋顶绿化的种植成本为490～610 元/m2。另外，由于不同季节的建造方法不同，屋顶绿化的建造季节也对造价产生很大影响。建造中的一些细节也会产生很大影响，例如:防范植物根系侵蚀的防渗层对建筑的设计和施工都有影响。大体上防止漏洞需要一个没有缝隙的防渗层，因此要限制屋顶面层的开洞数量。覆盖整个屋顶的卷筒式面层有很大的重量，在建造中整个面层的重量将被屋顶的一部分承担，因此常常需要特别的起重设备和辅助设备［31］。合理处理这些细节，可以有效降低成本。在工程应用中要考虑地域气候、项目需要等特点设计屋顶绿化，选择经济效益较优的方案。

屋顶绿化的成本很大程度上取决于建造的后期工作—植物的种植和养护，其主要包括人工费、喷洒水、施肥、打药、修剪、清理等费用。《投资测算》中提到，粗放型屋顶绿化的维护成本约每年14.5～20.75 元/m2，精细型屋顶绿化的维护成本约每年21～27.25 元/m2。

可见，屋顶绿化的成本主要为建造过程及后期维护的费用，若能够在房屋设计过程中因地制宜、施工过程中合理规划，将会在一定程度上节约成本。屋顶绿化的收益多为间接经济效益，通过社会及生态环境的改善而体现;而直接经济效益并不十分明显，这就需要建设者有足够的洞察力，全面分析屋顶绿化的价值，选择经济合理的方案。

3 应用前景

随着人们生活质量及个人素质的提高，以及近几年重大环境事故的发生，人们的环保意识以及对绿色建筑的关注度也有所提高。屋顶绿化可以很好的提高城市绿化率，净化城市空气、节能减排、改善雨水径流水质水量，提升住房的社会经济价值。无论是2012年北京暴雨事件，还是近年来备受重视的城市热岛效应，都会因为屋顶绿化而得到一定程度的缓解。另外，我国许多城市并没有一次能源，建筑节能备受关注，若能够在这些城市进行大面积屋顶绿化，将会在很大程度上节约能耗。我国目前可绿化的房屋面积很大，政府对城市生态环境建设的投入也逐渐加大，2012年中共十八次代表大会将生态文明建设写入党章，2013年北京将正式启动碳排放交易。综上所述，在将城市回归大自然的趋势下，屋顶绿化在未来几十年有很大的发展空间。

［1］徐萍，车伍，李俊奇．屋顶绿化改善城市环境效果分析［J］．环境保护，2004，7:41－44．

［2］Palla A，Gnecco I，Lanza L G．Unsaturated 2 D modeling of subsurface water flow in the coarse－grained porous matrix of a green roof［J］．Journal of Hydrology，2009，379:193－204．

［3］喻圻亮．深圳地区既有建筑屋顶的绿色节能改造研究［J］．华中建筑，2008，26(5):96－105．

［4］贾宁，田明华，赵蔓卓，等．北京市屋顶绿化的发展与对策［J］．中国城市林业，2008，6(3):27－29．

［5］刘娜娜．国内屋顶绿化功能研究综述［J］．常州工学院学报，2009，22(3):17－20．

［6］Jaffal I，Ouldboukhitine S E，Belarbi R．A comprehensive study of the impact of green roofs on building［J］．Renewable Energy，2012，43:157－164．

［7］Parizotto S，Lamberts R．Investigation of green roof thermal performance in temperate climate:A case study of an experimental building in Florianópolis city，Southern Brazil［J］．Energy and Buildings，2011，43(7):1712－1722．

［8］Jim C Y，Peng Lilliana L H．Weather effect on thermal and energy performance of an extensive tropical green roof［J］．Urban Forestry＆Urban Greening，2012，11(1):73－85．

［9］Sailor D J．A green roof model for building energy simulation programs［J］．Energy and Buildings，2008，40(8):1466－1478．

［10］Spala A，Bagiorgas H S，Assimakopoulos M N，et al．On the green roof system．Selection，state of the art and energy potential investigation of a system installed in an office building in Athens，Greece［J］．Renewable Energy，2008，33(1):173－177．

［11］Mentens J，Raes D，Hermy M．Green roofs as a tool for solving the rainwater runoff problem in the urbanized 21st century［J］Landscape and Urban Planning，2006，77(3):217－226．

［12］王书敏，于慧，张彬，邵磊．绿色屋顶技术控制城市面源污染应用研究进展［J］．重庆文理学院学报(自然科学版)，2011，4(30):59－64．

［13］Nagase A，Dunnett N．Amount of water runoff from different vegetation types on extensive green roofs:effects of plant species，diversity and plant structure［J］．Landscape and Urban Plan，2012，104(3－4)，356－363．

［14］施韬，施惠生，Schumacher W．绿色种植屋面的研究［J］．浙江工业大学学报，2006，34(2):220－223．

［15］Fassman E，Simcock R．Moisture Measurements as Performance Criteria for Extensive Living Roof Substrates［J］．Journal of Environmental Engineering，2011，138(8)，841－851．

［16］Kuesters W P．德国屋顶花园绿化［J］．中国园林，2005，4:73－75．

［17］Monterusso M A，Rowe D B，Russell D K，et al．Runoff water quantity and quality from green roof systems［J］．Acta Horticulturae Home，2004，639:369－376．

［18］Chen C．Performance evaluation and development strategies for green roofs in Taiwan:A review［J］．Ecological Engineering，2013，52:51－58．

［19］车伍，李俊奇．城市雨水利用技术与管理［M］．北京:中国建筑出版社，2006:42．

［20］Berndtsson J C．Green roof performance towards management of runoff water quantity and quality:A review［J］．Ecological Engineering，2010，36(4):351－360．

［21］王书敏，于慧，张彬，等．屋顶绿化技术控制城市面源污染应用研究进展［J］．重庆文理学院学报，2011，30(4):59－64．

［22］Bliss D J，Neufeld R D，Ries R J．Storm water runoff mitigation using a green roof［J］．Environmental Engineering Science．2009，26(2)，407－417．

［23］Bradley R D．Green roofs as a means of pollution abatement［J］．Environmental Pollution，2010:1－11．

［24］Renterghem Van T，Botteldooren D．Numerical evaluation of sound propagating over green roofs［J］．Journal of Sound and Vibration，2008，317(3－5):781－799．

［25］Renterghem Van T，Botteldooren D．Reducing the acoustical faade from road traffic with green roofs［J］．Building and Environment，2009，44(5):1081－1087．

［26］鲍佳晟．浅析屋顶绿化的景观价值［J］．江苏建筑，2011，5:76－79．

［27］Bianchini F，Hewage K．Probabilistic Social Cost－Benefit Analysis for Green Roofs:A Lifecycle Approach［J］．Building and Environment，2012，58:152－162．

［28］Banting D，Doshi H Li J，et al．Report on the Environmental Benefits and Costs of Green Roof Technology for the City of Toronto［R］．Ryerson University，2005．

［29］Grant G，Engleback L，Nicholson B，et al．Green Roofs:their existing status and potential for conserving biodiversity in urban areas［R］．English Nature，2003．

［30］万静．上海市屋顶绿化发展现状、潜力与对策研究［J］．中国城市林业，2009，7(4):16－18．

［31］王磊．国外绿色屋顶情况简介［J］．安徽建筑，2001，8(6):5－6．