宮永偉 楊一帆，2 李俊奇 翟丹丹 張賢巍

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044;2.荷蘭瓦赫寧根大學(xué) 環(huán)境技術(shù)研究組，瓦赫寧根市，荷蘭 6708PB)

在城市化快速推進(jìn)的大背景下，城市中原有的自然地面逐漸被硬化面積所取代，綠化面積及透水下墊面的急劇減少給城市生態(tài)環(huán)境和區(qū)域健康水循環(huán)帶來了巨大沖擊。城市地區(qū)同其周邊地區(qū)相比，局部氣溫明顯升高，出現(xiàn)了諸如“溫室效應(yīng)”、“熱島效應(yīng)”、“PM2.5空氣污染”等一系列環(huán)境問題;同時(shí)，城市區(qū)域不透水下墊面迅速增加，導(dǎo)致雨水入滲量大幅度降低，增加了城市內(nèi)澇發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。為改善城市環(huán)境，很多城市管理理念應(yīng)運(yùn)而生，這些理念的核心思想就是通過生態(tài)措施，增加城市綠化面積和透水下墊面。城市區(qū)域地價(jià)昂貴，占地面積較大的技術(shù)往往由于緊張的土地資源得不到充分應(yīng)用，因此，有學(xué)者提出了向“第五面”(即城市屋頂)開拓綠色的設(shè)想［1］。屋頂綠化技術(shù)因不需要占用專門的城市用地，利用大量閑置的城市不透水屋面(約占城市不透水下墊面總面積的40%～50%)成為城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)的優(yōu)勢技術(shù)之一［2］。

國內(nèi)的屋頂綠化起步較晚，目前屋頂綠化的比例不高，但其受重視程度正在提高。北京在2005年制訂了《屋頂綠化規(guī)范》的地方標(biāo)準(zhǔn)，并且按照《北京城市環(huán)境建設(shè)規(guī)劃》要求，高層建筑中有30%要進(jìn)行屋頂綠化，多層建筑中60%要進(jìn)行屋頂綠化。另外，上海、深圳等城市也都制訂了相應(yīng)的屋頂綠化規(guī)范。近年來國內(nèi)也完成了很多屋頂綠化項(xiàng)目，旨在降低城市熱島效應(yīng)、節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、提高蓄排水能力、美化城市環(huán)境等［3～4］。

屋頂綠化可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、調(diào)節(jié)小氣候、滯留雨水、去除污染物、延長屋頂壽命、降低噪聲、豐富城市景觀、提高住房的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益等。本研究將分析屋頂綠化在這些方面的效果，結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)資料及工程實(shí)例，量化其在實(shí)際運(yùn)行中帶來的各方面效益，并分析其成本及收益。

1 屋頂綠化效果分析

1.1 節(jié)能減排

節(jié)能減排是目前建筑行業(yè)所研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，也逐漸成為綠色建筑的重要指標(biāo)。屋頂綠化的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在屋頂綠化可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度從而減少空調(diào)暖氣等控溫設(shè)施的使用，在一定程度上節(jié)約了用電量，減少了天然氣、煤炭等能源的使用;屋頂綠化的減排效果除了體現(xiàn)在節(jié)約能源所引起的污染物減排，還體現(xiàn)在屋頂?shù)木G色植物進(jìn)行光合作用吸收大氣中“溫室氣體”二氧化碳并釋放氧氣。

1.1.1 節(jié)能效果

(1)夏季降溫

研究證明，屋頂綠化通過植物和土壤層反射和吸收光照，可以大幅度降低屋頂溫度，在夏季尤為明顯。當(dāng)室外氣溫達(dá)到30℃時(shí)，屋頂綠化基層以下10cm 處的溫度僅為20℃，而此時(shí)沒有綠化的地面由于強(qiáng)烈的吸熱作用已達(dá)到40～50℃。屋頂綠化可以增強(qiáng)熱傳導(dǎo)的衰減性，其導(dǎo)熱熱阻約0.41～0.63(m2·K)/W，對室外熱作用的衰減性提高了近一倍，從而可降低室內(nèi)溫度1～6℃，節(jié)約20%～70%的能量［5］。國內(nèi)外許多學(xué)者的研究也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。根據(jù)Jaffal 在法國的研究表明，面積為56m2的屋頂綠化，炎夏時(shí)土壤層平均比室外溫度低12.8℃，傳統(tǒng)屋面溫度達(dá)到58℃時(shí)，屋頂綠化的溫度僅有20℃［6］。根據(jù)Parizotto 在巴西弗洛里亞諾波利斯地區(qū)的研究，124m2的屋頂綠化相比于普通屋頂，在夏季減少吸熱量達(dá)到92～97%、增加放熱量達(dá)到20%～49%［7］。根據(jù)Jim 在香港的研究，484m2屋頂綠化可使屋面溫度降低5.2℃，使屋頂上方10cm 處氣溫降低0.7℃［8］。

(2)冬季保溫

關(guān)于屋頂綠化冬季保溫作用的研究相對較少，其效果也不如夏季降溫的效果明顯。根據(jù)Jaffal 的研究，在冷冬時(shí)屋頂綠化的土壤層比室外溫度高5.6℃，傳統(tǒng)屋面溫度達(dá)到－6℃時(shí)，屋頂綠化溫度在－4℃以上［6］。根據(jù)Parizotto 的研究，屋頂綠化相比于普通屋頂，在冬季增強(qiáng)吸熱量達(dá)到70%～84%、減少放熱量達(dá)到44%～52%。相比于普通屋頂，屋頂綠化可以節(jié)約房屋供暖費(fèi)用達(dá)50%之多［7］。

由此可見，屋頂綠化對房屋夏季降溫和冬季保溫具有重要意義。大量研究表明，屋頂綠化的降溫保溫性能取決于栽植基質(zhì)的厚度和植物種類。

1.1.2 減排效果

屋頂綠化減排效果顯著:一方面，屋頂綠化的夏季降溫和冬季保溫在很大程度上節(jié)約了用電量，減少了天然氣、煤炭等能源的使用，從而間接減少了碳排放及其他大氣污染物的排放，如:SO2、NO2和NO;另一方面，由于屋頂植物的光合作用，直接吸收了大氣中的部分二氧化碳。根據(jù)Sailor 在芝加哥和休斯頓的研究，面積為400m2屋頂綠化，使房屋年均耗電量減少2%，年均耗天然氣量減少9%～11%［9］。根據(jù)Spala 在雅典的研究，210m2屋頂綠化使夏季空調(diào)負(fù)荷降低60%［10］。根據(jù)Jim 的研究，484m2的屋頂綠化可使每個(gè)夏季節(jié)約空調(diào)耗電28000kWh，節(jié)約2 萬元人民幣，相當(dāng)于減少二氧化碳排放27.02t［8］，約56kg/m2。在碳交易逐步發(fā)展的今天，屋頂綠化在減少碳排放方面的作用逐漸被人們重視。

1.2 滯留雨水

屋頂綠化可以大量滯留屋面雨水，從而使得整個(gè)城市的雨水徑流總量得以削減。根據(jù)Mentens 在布魯塞爾的研究，若全部屋頂面積的10%為粗放型屋頂綠化，可以使屋面雨水徑流量削減54%，使整個(gè)城市的雨水徑流量削減2.7%［11］。若屋頂綠化面積達(dá)到城市屋面總面積的50%，即可使整個(gè)城市的雨水徑流量降低7.5%［5］。

一般來說，屋頂綠化工程對城市雨水的截留能力受多種因素的影響，比如:植被種類、種植基質(zhì)層厚度、降雨量、降雨強(qiáng)度、綠化屋頂坡度、氣溫、前期干旱條件等。屋頂綠化暴雨徑流的實(shí)測實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)［12］，在種植基質(zhì)相同的條件下(均為100mm 排水層+100mm 過濾層+100mm 土層)，種植接骨草的屋頂對暴雨徑流的消減效果(62%～80%)好于種植麥冬的綠化屋頂(40%～49%)。Nagase 和Dunnett 研究也表明:當(dāng)用非禾草本植物或禾草本植物取代景天屬植物時(shí)，綠色屋頂削減的徑流量減少了23%～38%［13］。一般來說，種植基質(zhì)層越厚，徑流截留量越大。德國巴伐利亞的園藝站所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)顯示，種植土層為10cm 的屋頂綠化，能夠使屋面雨水徑流量降低70%左右［14］。根據(jù)Fassman 在奧克蘭的研究，基質(zhì)厚度為50～150mm 的屋頂綠化可以使小于25 mm 的降雨不產(chǎn)生徑流［15］。10cm 以上的覆土厚度以及適當(dāng)綠化的屋頂花園被認(rèn)為至少能儲存年降雨量的50%［16］。Monterusso 等［17］研究表明:對于小強(qiáng)度降雨(2.1 mm)，綠化屋頂可消減85.7%的降雨量，對于高強(qiáng)度降雨(12.1 mm)，綠化屋頂對降雨消減量顯著降低。同時(shí)，相對于前期干旱期而言，氣溫對暴雨徑流消減效果的影響更為顯著，氣溫越高，降雨間隔時(shí)間越長，種植基質(zhì)含水率越低，徑流消減效果越好。

屋頂綠化在削減雨水徑流量方面的貢獻(xiàn)不容小覷，通過對徑流系數(shù)的削減，從而減少了雨水外排量。但是也有部分研究顯示，在多暴雨地區(qū)，屋頂綠化對雨水徑流量的削減作用并不明顯，無論是峰值時(shí)間延長還是峰值流量削減，都不如小降雨事件的效果好，因此要結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r選用屋頂綠化［18］。綜上，屋頂綠化有利于城市的防洪排澇，同時(shí)，在少雨、干燥的季節(jié)或地區(qū)，屋頂綠化可減少雨水資源的流失，調(diào)節(jié)雨水的自然循環(huán)和平衡。

1.3 去除污染物

大量的雨水徑流對城市水系帶來了巨大沖擊，以城市暴雨徑流為載體的城市面源污染已成為城市水體污染的主要來源。以北京城為例，油氈屋面初期雨水徑流的化學(xué)需氧量高達(dá)700mg/L，SS 高達(dá)800mg/L，均超出北京地下水人工回灌水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)［19］，而屋頂綠化能夠凈化屋面徑流，有助于城市水環(huán)境的健康循環(huán)。

屋頂綠化對于重金屬有較好的去除效果。根據(jù)Steusloff 在德國柏林的研究，與普通屋頂?shù)膹搅魉|(zhì)相比，精細(xì)型屋頂綠化在夏季可以去除99%的鉛、鋅、銅以及98%的鎘，在冬季可以去除68%的銅、92%的鋅、88%的鎘和94%的鉛;粗放型屋頂綠化在夏季可以去除97%的銅、96%的鋅、92%的鎘和99%的鉛，在冬季可以去除44%的銅、72%的鋅、62%的鎘和91%的鉛［20］。由此可見，絕大多數(shù)的重金屬都可以通過屋頂綠化而去除。

屋頂綠化對無機(jī)鹽類的去除率也相當(dāng)可觀。根據(jù)日本福岡的研究，精細(xì)型屋頂綠化對污染物有較好的去除效果，總氮去除率74%，氨氮去除率85%，硝酸鹽去除率91%，總磷去除率75%。王書敏等在重慶的實(shí)驗(yàn)研究表明，屋頂綠化對氨氮去除轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了90%以上，盡管對總氮也有較好的控制效果，但其平均去除幅度小于氨氮。相對而言，總氮和氨氮的控制效果好于總磷和硝酸鹽［21］。部分研究顯示，屋頂綠化有可能使徑流雨水的氮磷含量增多，這主要是由于植物的施肥以及雨水對土壤的沖刷造成，因此要因地適宜得選擇屋頂綠化類型及植物種類，盡量減少或不使用肥料。

此外，經(jīng)過屋頂綠化植物凈化，雨水的pH 一般會由5 上升到7.8 左右，使得雨水酸度降低［22］。因此，屋頂綠化對于減輕自然水體酸化、減緩建筑物侵蝕以及鈍化有毒物質(zhì)有重要意義。

美國BMP(Best Management Practice)數(shù)據(jù)庫也記錄了一些屋頂綠化凈化效果的數(shù)據(jù)，以波特蘭市的BMP項(xiàng)目為例，屋頂綠化徑流雨水出水生物需氧量濃度小于3mg/L，化學(xué)需氧量濃度為60～70mg/L，氨氮濃度小于0.1mg/L，總磷濃度小于0.5mg/L，固體懸浮物濃度1.75～4mg/L。

綜上，屋頂綠化對雨水中生化需氧量、化學(xué)需氧量、氨氮、硝態(tài)氮、總磷、固體懸浮物、重金屬等均有一定的去除效果。其出水水質(zhì)受到各方面綜合因素影響，如降雨強(qiáng)度、降水水質(zhì)、氣候特征、建筑材料性質(zhì)、植物種類、屋頂結(jié)構(gòu)等，在設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮各方面因素，選擇最優(yōu)方案。

1.4 延長屋頂壽命

沒有進(jìn)行屋頂綠化的傳統(tǒng)屋頂，由于季節(jié)和晝夜之間較大的溫度梯度使屋頂各類卷材和粘結(jié)材料經(jīng)常處于熱脹冷縮狀態(tài)，加之紫外線長期照射加速了瀝青材料及其他密封材料的老化，其機(jī)械壽命接近20年。而綠化屋頂?shù)臋C(jī)械壽命一般可以維持45年甚至更長，這是因?yàn)樯L基質(zhì)和樹冠保護(hù)瀝青屋頂薄膜免受紫外線輻射和白天黑夜薄膜內(nèi)溫度急劇波動的影響。在倫敦，綠化屋頂和傳統(tǒng)的屋頂相比，Bradley 研究表明，下午傳統(tǒng)屋頂薄膜是70℃時(shí)，然而綠色屋頂薄膜的溫度只達(dá)到25℃［23］。屋頂薄膜承受著其每天的擴(kuò)張和收縮，使其損壞最終不能使用。除此之外，綠色屋頂還將為防水層形成保護(hù)，能夠避免冰雹、大、風(fēng)、人為破壞和煙花爆竹帶來的物理損傷，進(jìn)而延長屋頂壽命，減少屋頂材料垃圾進(jìn)入土壤。

1.5 降低噪聲

傳統(tǒng)屋頂一般是硬化表面，而植被和生長基質(zhì)比硬表面更能吸收聲波，因此可以考慮用屋頂綠化來代替?zhèn)鹘y(tǒng)屋頂，以達(dá)到降低來自道路和其他地方聲壓的效果。Renterghem 和Botteldooren 研究表明:屋頂植被覆蓋百分比和來自建筑物對面聲源或者道路峽谷的聲壓降低量存在直線關(guān)系;屋頂綠化所用的生長基質(zhì)傾向于粗糙，聲波進(jìn)入孔隙空間并且因基質(zhì)顆粒之間復(fù)雜的相互作用而減少［24］。和非綠化屋頂相比，綠化屋頂降噪是明顯的，對于500～1000Hz 的噪聲最大可以降低10dB，研究也表明，降低噪聲的基質(zhì)深度總共是15～20cm，再增加基質(zhì)深度是沒有用的［25］。因此，屋頂綠化對機(jī)場、工廠及都市附近的建筑物有積極的影響。

1.6 景觀價(jià)值

屋頂綠化的主要景觀價(jià)值包含休閑娛樂價(jià)值和審美觀賞價(jià)值。在土地資源緊張的高密度城市大環(huán)境下，閑置平坦的屋頂為城市居民提供了大量潛在休閑娛樂空間，這種可進(jìn)入的公共空間屬于精細(xì)型屋頂綠化范疇內(nèi)。在發(fā)展商業(yè)和住宅的過程中，屋頂花園為鄰里間的往來互通提供了條件。這種向公眾開放的屋頂平臺顯然能夠成為一個(gè)社區(qū)的資源優(yōu)勢，而私有的可通達(dá)屋頂空間也為房屋所有者提供了潛在的升值空間和無形的個(gè)人財(cái)富。與此同時(shí)它也緩解了公共休閑資源的壓力并會幫助整個(gè)市區(qū)綠地景觀形成連續(xù)性［26］。

2 成本及經(jīng)濟(jì)效益分析

和傳統(tǒng)屋頂相比，屋頂綠化的成本稍高，因此對屋頂綠化進(jìn)行成本效益分析是十分必要的。屋頂綠化的成本主要分為建造成本和維護(hù)成本，而建造成本主要由防水層、基質(zhì)及種植成本組成;屋頂綠化的收益則以間接收益為主，如改善城市環(huán)境、提高住房舒適度等。而且根據(jù)地域差異，屋頂綠化的成本收益情況也有很大差別。Bianchini 針對屋頂綠化的投資與回報(bào)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，主要從房屋使用者層面和社會層面兩個(gè)角度分析，房屋使用者層面是指使用屋頂綠化的居民個(gè)體，社會層面是指整個(gè)地區(qū)的規(guī)劃與管理。對于房屋使用者層面上的成本與收益分析，綜合考慮了建造費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用所產(chǎn)生的成本，以及房屋增值、稅收減少、暴雨集蓄、避免雨水進(jìn)入排水系統(tǒng)、能源節(jié)約、壽命增加所帶來的收益;對于社會層面上的成本與收益分析，綜合考慮空氣污染、垃圾填埋所產(chǎn)生的成本，以及減少CO2、改善空氣質(zhì)量、節(jié)約的改進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用、減少洪水危害、創(chuàng)造生物棲息地、提供休閑場所、減少城市熱島效應(yīng)、美觀價(jià)值所帶來的收益。

對于屋頂綠化成本效益的分析，既要考慮建設(shè)時(shí)一次性的投資與回報(bào)，也要考慮使用過程中的投資與回報(bào)。Bianchini 在2012年的研究表明，對于房屋使用者，屋頂綠化的建造成本約800～3360 元/m2，維護(hù)成本約4～80 元/年·m2;一次性收益約820～4320 元/m2，周期性收益約240～2120 元/m2。以100m2屋頂綠化為例，假設(shè)其使用年限為30年，其總成本為4.34～36.81 萬元，總收益為76～670 萬元。對于社會，屋頂綠化的一次性成本約37～140 元/m2;一次性收益約為66～1890元/m2，周期性收益約為0.22～0.32 元/m2。以一個(gè)區(qū)域60 萬m2屋頂綠化為例，假設(shè)其使用年限為30年，其總成本為820～3130 萬元，總收益為1870～43010 萬元。約5年可以把投資的成本收回［27］。由此可見，無論是對房屋使用者還是社會整體，屋頂綠化的效益都十分明顯，在現(xiàn)代化城市建設(shè)中，要充分考慮到這些因素，不能僅僅以建造及維護(hù)成本相對較高而否定了屋頂綠化的價(jià)值。

根據(jù)Banting 等針對加拿大多倫多城市屋頂綠化整體情況的研究，綜合考慮屋頂綠化在城市熱島效應(yīng)、雨水管理、合流制管道溢流、建筑節(jié)能、凈化空氣等方面的效益。其一次性可降低成本19.5 億，每年可降低成本2.3 億［28］。根據(jù)英國自然協(xié)會的報(bào)道，倫敦拉邦舞蹈中心屋頂綠化的建造費(fèi)用為220 元/m2，并指出，如果能夠在早期開展屋頂綠化建設(shè)，從而避免大型起重設(shè)備的使用，這個(gè)費(fèi)用可以降低到180 元/m2［29］。

國內(nèi)也有一些學(xué)者對屋頂綠化的建造成本情況進(jìn)行了研究。根據(jù)萬靜對上海市屋頂綠化的研究，屋頂綠化可以有效降低城市的綠化成本，上海市區(qū)因綠化而拆遷的成本超過12000 元/m2，而屋頂綠化的成本一般在300～1000 元/m2;其中種植成本方面，粗放型屋頂綠化為50～60 元/m2，精細(xì)型屋頂綠化為200～300 元/m2［30］。根據(jù)北京市園林綠化局2012年印發(fā)的《北京市屋頂綠化建設(shè)和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量要求及投資測算》(以下簡稱《投資測算》)，粗放型屋頂綠化的種植成本為280～350 元/m2，精細(xì)型屋頂綠化的種植成本為490～610 元/m2。另外，由于不同季節(jié)的建造方法不同，屋頂綠化的建造季節(jié)也對造價(jià)產(chǎn)生很大影響。建造中的一些細(xì)節(jié)也會產(chǎn)生很大影響，例如:防范植物根系侵蝕的防滲層對建筑的設(shè)計(jì)和施工都有影響。大體上防止漏洞需要一個(gè)沒有縫隙的防滲層，因此要限制屋頂面層的開洞數(shù)量。覆蓋整個(gè)屋頂?shù)木硗彩矫鎸佑泻艽蟮闹亓?，在建造中整個(gè)面層的重量將被屋頂?shù)囊徊糠殖袚?dān)，因此常常需要特別的起重設(shè)備和輔助設(shè)備［31］。合理處理這些細(xì)節(jié)，可以有效降低成本。在工程應(yīng)用中要考慮地域氣候、項(xiàng)目需要等特點(diǎn)設(shè)計(jì)屋頂綠化，選擇經(jīng)濟(jì)效益較優(yōu)的方案。

屋頂綠化的成本很大程度上取決于建造的后期工作—植物的種植和養(yǎng)護(hù)，其主要包括人工費(fèi)、噴灑水、施肥、打藥、修剪、清理等費(fèi)用?！锻顿Y測算》中提到，粗放型屋頂綠化的維護(hù)成本約每年14.5～20.75 元/m2，精細(xì)型屋頂綠化的維護(hù)成本約每年21～27.25 元/m2。

可見，屋頂綠化的成本主要為建造過程及后期維護(hù)的費(fèi)用，若能夠在房屋設(shè)計(jì)過程中因地制宜、施工過程中合理規(guī)劃，將會在一定程度上節(jié)約成本。屋頂綠化的收益多為間接經(jīng)濟(jì)效益，通過社會及生態(tài)環(huán)境的改善而體現(xiàn);而直接經(jīng)濟(jì)效益并不十分明顯，這就需要建設(shè)者有足夠的洞察力，全面分析屋頂綠化的價(jià)值，選擇經(jīng)濟(jì)合理的方案。

3 應(yīng)用前景

隨著人們生活質(zhì)量及個(gè)人素質(zhì)的提高，以及近幾年重大環(huán)境事故的發(fā)生，人們的環(huán)保意識以及對綠色建筑的關(guān)注度也有所提高。屋頂綠化可以很好的提高城市綠化率，凈化城市空氣、節(jié)能減排、改善雨水徑流水質(zhì)水量，提升住房的社會經(jīng)濟(jì)價(jià)值。無論是2012年北京暴雨事件，還是近年來備受重視的城市熱島效應(yīng)，都會因?yàn)槲蓓斁G化而得到一定程度的緩解。另外，我國許多城市并沒有一次能源，建筑節(jié)能備受關(guān)注，若能夠在這些城市進(jìn)行大面積屋頂綠化，將會在很大程度上節(jié)約能耗。我國目前可綠化的房屋面積很大，政府對城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的投入也逐漸加大，2012年中共十八次代表大會將生態(tài)文明建設(shè)寫入黨章，2013年北京將正式啟動碳排放交易。綜上所述，在將城市回歸大自然的趨勢下，屋頂綠化在未來幾十年有很大的發(fā)展空間。

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