基于全生命周期成本-效益模型的屋顶绿化综合效益评估——以Joy Garden为例

董楠楠 吴 静 石 鸿 罗琳琳 刘 颂

1 研究背景与研究目标

高密度城市背景下，城市环境面临的建设压力日益增加[1]。在中国，尤其是特大城市，人均建设用地十分有限，城市中心区域绿地建设很难在量上有所突破，而城市剩余空间往往具有很大发展潜力。屋顶绿化除在弥补城市绿地空间上具有很大潜力外，还可免去高额拆迁费用，经济有效地增加城市绿化面积。

本文借助SCI检索平台和工程索引(EI)数据库检索国际上发表的屋顶绿化相关文献，统计分析结果表明，屋顶绿化技术被视为应对气候变化的技术之一，其关注度逐渐增加。屋顶绿化的前沿研究聚焦于建筑能耗与热效益[2-3]、雨水滞蓄性能[4-5]和其对城市微气候的改善作用[6]等方向。值得一提的是，屋顶绿化与环境科学的交叉研究显著增加，屋顶绿化对空气质量的改善作用[7]及其固碳性能[8-9]也逐渐成为当前的研究热点。

屋顶绿化由于自身特征，其比地面绿化项目需要更多经济和技术支持，因此屋顶绿化也需要有较高的效能以平衡成本。针对以上问题，本文从全生命周期内屋顶绿化的成本和效益着手，建立适用于上海的屋顶绿化综合效益评估模型，以此为政府制定相关奖励措施和补贴政策等提供引导，降低建筑业主建造屋顶绿化的成本，从而提高其积极性，进而推进城市的屋顶绿化建设。

2 评估方法

2.1 评估方法的确立

以上海市屋顶绿化为研究对象，本文从成本和效益着手，对既有评估模型进行筛选，在借鉴原评估模型的基础上，将模型参数和经济转换参数按照上海的实际情况进行合理修正，建立适用于上海的地域性屋顶绿化成本与效益评估模型。本文研究框架如图1所示。

2.2 成本评估及模型修正

2.2.1 全生命周期

全生命周期评估是确定屋顶绿化长期成本和效益的有效方法。《屋面工程技术规范》(GB 50345—2012)规定，种植屋面所采用的Ⅰ级防水层合理使用年限为20年。众多研究提出屋顶绿化可以通过植物和种植基质来减少屋顶的温度波动，减少高温热应力对防水层的影响，从而延长屋顶寿命[10-12]。一般认为，绿屋顶的平均寿命是传统屋顶的2倍[12]。国外研究中一般将绿屋顶的全生命周期假定为30～50年，如Susana Saiz[11]、Sproul Julian[12]、Nyuk HienWong[13]等以40～50年为屋顶绿化的全生命周期，分析其经济效益；Sanaz Chenani[14]假定绿屋顶的全生命周期为40年，研究结构层材料对环境的影响；Cristina Silva[15]在研究屋顶绿化的养护时，将绿屋顶的全生命周期定为40年。本文直接采用各案例的综合水平来研究区域尺度，即假定绿化屋顶的全生命周期是40年。

2.2.2 建设成本

根据《建筑安装工程费用项目组成》(按造价形成划分)，屋顶绿化建设成本包括直接工程费(含材料费用和运输费用)、施工措施费、管理费、利润和税金，一般材料费已包含利润，因此，建设成本计算如下：

屋顶绿化依次铺设防水层(二道设防，包含阻根耐穿刺防水层和普通防水层)、排水层、过滤层、基质层和植物层等结构层。绿化灌溉常用方式有人工浇灌、自动喷灌、滴灌和渗灌，采用自动灌溉系统可大大降低人工维护费用，减少维护成本。由于不同灌溉系统成本差距较大，本文暂未将灌溉系统的直接工程费用列入估算中。结合《上海市屋顶绿化技术规范》，以及上海市屋顶绿化建造材料费用，整理出上海市屋顶绿化直接工程费估算表(表1)。

2.2.3 维护成本

维护成本指在全生命周期内屋顶绿化结构层和灌溉系统维护与更新所需费用。草坪式屋顶绿化可通过控制灌溉量和施肥量来控制植物的生长，减少病虫害和植物清除量，同时降低屋面荷载；花园式屋顶绿化需进行更多的修剪、施肥、除虫等维护工作。参考《上海市绿地养护概算定额单位估价表(2014)》等，按二类地区维护标准，整理出上海市屋顶绿化维护成本(表2)。更新成本的估算采用Sproul等人的结论，即全生命周期内屋顶绿化更新成本大约是建设成本的1/3[12]。

图1 研究框架

2.3 效益评估方法及模型修正

2.3.1 节能效益

采用一维传热模型分析建筑传热效率，可快速模拟和预测屋顶绿化的节能效率[18-19]，适用于大尺度范围的模拟分析和效益评估。绿屋顶节省的能量按公式(4)计算[19-20]：

式中，Qh表示热流，W；K表示屋顶的传热系数，W/(m2·K)；A表示绿化面积，m2；ΔT表示建筑物内外温差，K。

表1 上海市屋顶绿化直接工程费估算表

表2 上海市屋顶绿化维护成本表[10，16-17]

表3 上海市植物单位土地面积二氧化碳吸收及固定量[23]

He Yang等研究表明，夏天室内空调温度设置为26℃时，上海市绿屋顶和普通屋顶平均热流差为1.75W/m2[21]；冬季室内空调温度为24℃时，平均热流差为22W/m2[22]。利用电力公司提供的能效比将空调热能转换成电能，结合上海市的用电收费标准计算出节省的经济效益。制冷期设定为5月15日—9月15日，共124d；取暖期设为11月15日—次年3月15日，共122d。根据《上海市居住建筑节能设计标准》(DGJ 08—205—2015)，供冷额定能效比取3.1，供热额定能效比取2.5。实际节约电能计算如下：

式中，Q'表示实际节约电能，W；EER表示能效比。

2.3.2 减碳效益

屋顶绿化的减碳效益来源于两部分：一是节能所减少排放的CO2，二是植物呼吸作用固定的CO2。对于多项效益综合评估时，一般遵循直接外部性原则。因此，本文只评估植物的固碳效益，计算如下：

式中，WC表示屋顶绿化植物年均固碳量，kg/年；Wi表示不同种类植物的单位面积固碳量(表3)；Ai表示该类植物的种植面积。

目前国内碳汇市场仍处于探索阶段，为减少误差，采用国际较为通用的瑞典碳税率150美元/t(约为970元/t)，将减碳量转换成经济效益。

2.3.3 截水效益

绿屋顶可通过植物、土壤介质和蓄水层实现雨水截流和延长径流时间。研究表明，在不同降雨强度、基质厚度和植被等条件下，绿屋顶对雨水的滞蓄率处于5%～100%之间[24-25]。郑美芳等[26]研究了成都市连续16个月自然降雨条件下绿屋顶对雨水的截留率，结果表明小雨时绿屋顶的截留率近100%，暴雨期截留率约为65%。根据中央气象台上海市月平均降雨数据，5—9月为暴雨期，10月—次年1月降雨较少，与成都市降雨条件相似。减少雨水径流量按照下式计算：

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表示屋顶种植面积，m2。

表4 上海市大气污染物环保税

表5 Joy Garden建设成本估算表

表6 Joy Garden维护与更新成本

根据雨水处理费将截水效益折算成经济效益。上海尚未征收雨水排水费，本文按照上海市污水处理费标准进行估算，得到具有一定参考意义的滞蓄雨水的经济效益。

2.3.4 净化空气效益

戴菲等[27]研究表明，绿化面积高于50hm2时降尘效果明显，当环境处于轻度与中度污染时，绿化覆盖率增加10%，PM10可消减19.56%。由于现有数据和研究现状的限制，且国内相关研究缺少连续性，各污染物的健康经济损失暂无较为明确的结论。因此，本文只估算屋顶绿化净化大气污染物所减少的环境保护税。针对不同空气污染物，吸收污染物总量计算如下[28]：

式中，Qi表示植物吸收污染物i的总量，g；Fi表示污染物通量，g/(m2·s)；LAI表示植物覆盖面积，m2；T表示时段，s。本文借鉴张艳等[29]结论中的区域年平均值。草坪式屋顶绿化选取草地的区域平均值[30-31]；而组合式和花园式屋顶绿化综合草地、农田和落叶林3种类型计算植物吸收污染物的总量。

根据污染物环保税将屋顶绿化吸收的大气污染物转换成经济效益，其中，上海市对NOx和SO2征收的环保税标准见表4。

3 案例模拟

以同济大学Joy Garden屋顶花园为例进行效益评估，其所在建筑总面积452m2，占地面积150m2，地上一层为商业用房，地上二、三层为商务办公楼。屋顶绿化可使用面积150m2，种植面积70m2，基质厚180mm，其余铺装及设施面积80m2，图2和图3分别是该案例的轮廓平面图和鸟瞰图。

3.1 成本评估

根据上文成本估算表对Joy Garden屋顶花园部分费用进行估算(表5)。Joy Garden的种植结构部分估算建设成本为64 308.85元，实际成本为58 408.82元。估算成本与实际建设成本相差10%，在可接受范围内。

案例初期维护还较少，无法根据实际维护情况进行估算。因此，本文采用评估模型，由实际成本估算得到其维护成本和更新成本(表6)。全生命周期内，Joy Garden维护与更新总成本约为6.89万元，平均为24.62元/(m2·年)。

3.2 效益评估

3.2.1 节能效益评估

以夏季制冷期室内温度设定为26℃，冬季采暖期室内温度24℃进行估算，Joy Garden 的节能效益见表7。

3.2.2 减碳效益评估

本文对案例的植物进行归类整理，计算出Joy Garden固碳量及其经济效益(表8)。案例屋顶绿化每年可固定CO2327.79kg，约节省317.96元；在其全生命周期内，植物固碳量约为13.11t，经济效益约为1.272万元。

3.2.3 截水效益评估

Joy Garden安装有雨水收集与循环利用系统，根据国家气象科学数据共享服务平台公开的数据，上海市标准年降水量为1 192.59mm，则Joy Garden每年可减少排放雨水约179m3，每年可节省污水处理费约418.86元，全生命周期内节约污水处理费共1.675万元。

图2 案例屋顶轮廓平面图

图3 Joy Garden屋顶花园鸟瞰图

图4 全生命周期内普通屋顶与屋顶花园的综合投入对比分析

3.2.4 净化空气效益评估

案例草坪、草花植物面积为60.15m2，藤本植物面积(垂直面积)为3.86m2，景天科植物面积为0.46m2，灌木面积总共7.32m2，在净化空气污染效益上可按草坪式屋顶绿化来估算。本文以2016年各种污染物每月的平均浓度为标准，测算Joy garden全生命周期内减少空气污染所带来的效益(表9)。

3.3 案例分析

在全生命周期(40年)内，Joy Garden的总成本约为127 356元，其中维护与更新成本平均约为1 723.70元/年；总效益约为111 172.08元，平均2 779.30元/年。国内普通屋面防水膜寿命一般为20年，在第21年时需更换防水层。据魏道江等[32]对普通平屋面的防水造价估算值为118.80元/m2，150m2的普通平屋顶防水造价约为17 820元。Joy Garden与普通屋顶的综合投入对比分析见表10和图4。据图4可看出，在Joy Garden建成的第21年，其综合投入可与普通屋顶的综合投入持平；随后，Joy Garden的综合投入低于普通屋顶。根据表10，在全生命周期结束后，屋顶花园的综合投入比普通屋顶低19 455.26元，约比普通屋顶少投入54.58%。

4 结论

4.1 屋顶花园成本分析

在屋顶花园全生命周期(40年)的基础上，本文建立了适用于上海的屋顶绿化成本评估模型，将该模型应用于已建成的同济大学Joy Garden屋顶花园，该案例屋顶面积为150m2，绿化面积为70m2，以暖季型草坪为主。经计算，全生命周期内，Joy Garden总成本为127 356.82元。其中，建设成本评估值与实际成本分别为64 308.85和58 408.82元，误差约为10%，在可接受范围内；屋顶绿化的维护与更新成本为68 948元，占总成本的54.1%，平均约为1 723.70元/年。

4.2 屋顶花园效益分析

本文建立了适用于上海屋顶绿化的综合效益评估模型，用来评估屋顶绿化的建筑节能、截留雨水、固碳和净化空气效益。将该模型应用于案例屋顶花园Joy Garden，其综合效益模拟评估结果表明：对于上海这种冬冷夏热的地区，屋顶绿化在降低建筑物能耗上起到很大作用。全生命周期内，Joy Garden的综合效益约为11.12万元，平均2 779.30元/年。其中，降低建筑物能耗占总效益的73.4%，净化空气效益占12.2%，截水效益和减碳效益各占9.5%和9.2%。

表7 Joy Garden节能效益

表8 Joy Garden植物固碳效益

表9 Joy Garden净化空气效益

表10 普通屋顶与Joy Garden屋顶花园综合投入对比分析(单位：元)

4.3 屋顶花园与普通屋顶对比分析

Joy Garden屋顶花园和普通平屋面的综合投入对比分析结果表明，在第21年普通屋面更换防水层时，Joy Garden的综合投入与其持平。全生命周期结束后，Joy Garden的综合投入比普通屋顶约低1.95万元，大约比普通屋顶总投入少54.58%。除模拟评估的4种效益外，屋顶绿化还存在着许多其他效益，如减少噪声和光污染、增加城市生物多样性等生态效益；提升城市景观和审美价值、增加城市游憩用地、有利于城市居民的身心健康等社会效益；如果建成屋顶农场，还可以增加城市农业用地，产出蔬菜、水果，减少物流消耗等经济价值；此外，在一定条件下，利用屋顶空间增加城市绿化，部分屋顶绿化面积可折算为地面绿化面积①，在土地利用方面也具有明显的经济效益。

4.4 屋顶绿化成本-效益评估模型的意义

本文提出了一种系统评估屋顶绿化综合效益的方法，可用于已建成或未建成屋顶绿化在全生命周期内的成本与效益评估，以分析其经济价值，降低综合投入，有助于屋顶绿化的推广。与此同时，此评估模型可引导政府制定奖励或补贴措施等相关政策，最终将屋顶绿化的社会和生态环境效益等转化为业主的直接收益，进一步降低业主建造屋顶绿化的成本，从而提高业主建造屋顶绿化的积极性，进而推进城市屋顶绿化建设，达到改善城市生态环境的目的。

注：文中图片均由吴静绘制。

注释：

①来源：上海市《屋顶绿化技术规范》(沪绿容〔2015〕330号文)明确规定，屋顶绿化可根据绿化面积、类型等因素折算成绿地面积，进一步降低建设项目配套绿化的用地成本。