國 立 交 通 大 學
環境工程研究所
碩士論文
城市綠屋頂成本效益分析
Cost-Benefit Analysis of Green Roofs in a City
研 究 生：葉彥宏
指導教授：高正忠
城市綠屋頂成本效益分析
Cost-Benefit Analysis of Green Roofs in a City
研 究 生：葉彥宏 Student：Yen-Hung Yeh 指導教授：高正忠 Advisor：Jehng-Jung Kao
國立交通大學
環境工程研究所
碩士論文
A ThesisSubmitted to Institute of Environmental Engineering College of Engineering
National Chiao Tung University In Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master of Science
in
Environmental Engineering January, 2012
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
i
摘要
綠屋頂由於具有降溫節能、減碳、空污減量、截水等效益，已在不少 國家推廣中，國內亦正起步中，唯相關研究甚少，且設置綠屋頂對於整個 城巿的成本效益目前亦缺乏有系統的方法可估算之，本研究因而發展一套 方法分析及估算國內城巿推廣綠屋頂的成本效益。 所發展的城巿綠屋頂成本效益評估方法，首先依屋頂可設置綠屋頂的 最大面積及合理綠屋頂比率估算城巿可設置綠屋頂面積。效益部分主要評 估降溫節能、減碳 、空污減量及截水等四項；降溫節能部分採用 1D-HF 法及 eQUEST 模式模擬分析增設綠屋頂所減少的建築耗能；減碳部分除了 節能所造成的減碳效益以外，亦依植物減碳能力估算城市綠屋頂之減碳效 益；空污減量部分則採用乾沈降模式推估綠屋頂空氣污染減量效益；截水 部分採用綠屋頂截水效益經驗公式推估總截水量及依據綠屋的飽和截水 深度推估尖峰逕流減少量。各效益的經濟效益則分別依據電價、碳稅、空 污防治與損害成本及可能節省的雨水系統擴充成本估算之，且分別推估一 般及綠屋頂成本，最後綜合評估城市綠屋頂之成本效益。 本研究以新竹巿進行案例研討，並依據 10、15 及 20 年三種不同的一 般屋頂更新年限分析，結果顯示除了在一般屋頂年限為 20 年時綠屋頂的 成本效益較差以外，其他均較佳，約在 5 百萬至 6 億 6 千 5 百萬元間，經 濟效益主要以節能為最大宗約 3 億 750 萬元；而額外考量碳稅與雨水下水 道使用費時可再增加約 1 億元的效益，碳稅約 8 千 4 百萬元，雖在一般屋 頂更新年為 20 年時，綠屋頂成本效益仍較差，但主要是因本研究尚未把 減緩熱島等其他效益納入，且國內屋頂的更新年限預期小於 20 年，每年 節能量約 1 億 4 千 9 百萬度，減碳約 11.1 萬噸 eCO2，加上可降低 O3及其 前驅物的形成等，故綠屋頂對新竹市而言有推廣之潛力，且未來碳稅之推ii
行，預期有助於其推廣，本研究成果亦可供其他城市進行相關決策分析時 之參考依據。
關鍵字：綠屋頂、降溫、節能、減碳、空污減量、截水、成本效益分析、 建築耗能模式、乾沈降模式、永續環境系統分析
iii
Abstract
Green roof (GR) technology can reduce internal room temperature, save energy, decrease carbon emissions, remove air pollutants, and reduce runoff, and thus it is widely promoted in many countries. However, the method for evaluating the cost-benefit of GRs in a city is so far not available. This study was thus initiated to develop a benefit-cost analysis (BCA) method to evaluate major benefits of GRs for a domestic city.
To implement the BCA method at the city scale, the rooftop area available for installing GRs is first estimated based on the maximal rooftop area and a reasonable GR ratio. Four major GR benefits are considered: energy saving, carbon emission reduction, air pollutant removal, and runoff detention. The one-dimensional heat flux (1D-HF) method and the eQUEST model are applied to compute the energy saving. The carbon emission reduction is determined based on the avoided emissions from energy saving and the amount of carbon sequestrated by GRs. The quantity of air pollutants removed by GRs is approximated by a dry deposition model. The overall rainfall detention capability of GRs is calculated by an experimental equation, and the peak runoff reduction is estimated by the potential saturated detention depth of GRs. And the cost information of GRs is obtained from a local survey. The economic values of all GR benefits are estimated and compared with the GR life cycle cost.
A case study was implemented for Hsinchu City. The proposed BCA method was applied to estimate the potential benefits and cost for executing a city-wide GR program. The conventional roof is assumed to be replaced by three possible periods: 10, 15, and 20 years. The results show that the GR program worse than the conventional roof only with a replacement period of 20 years, for other two replacement periods the GR program can have economic benefit of about NT$5-666 million, of which the energy saving is about NT$300 million and is the largest portion among all benefits. If a carbon tax
iv
and a stormwater fee were applied, it would increase the GR economic benefit of about NT$100 million, of which the carbon tax is about NT$84 million. Although the GR program is worse than the conventional roof with the replacement period of 20 years, additional GR benefits such as mitigating head island are not considered and the domestic roof replacement frequency is usually shorter than 20 years. The energy saving is about 149 million KWH, and the carbon emission reduction is about 111 thousand ton eCO2. The GR
program can also slightly reduce O3 and it precursors. Therefore, promoting a
city-wide GR program in Hsinchu City is desirable. The incentive for implementing the program can be further increased if a carbon tax is applied. The proposed BCA method and the results are expected to facilitate related decision analyses for other cities.
Keywords: green roof; thermal reduction; energy saving; carbon emission
reduction; air pollutant removal; runoff detention; cost-benefit analysis; building energy consumption simulation model; dry deposition model; sustainable environmental systems analysis.
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致謝
首先感謝指導教授高正忠老師在學一年半以來對學生的啟發，讓學生 了解抓重點與研究上應學習與改進的地方。也非常感謝口試期間陳鶴文教 授及陳維燁教授的細心指導與建議，讓論文內容更趨嚴謹，學生受益良 多，特此表達由衷感謝。 感謝實驗室的學長姐子欽、宥禔、冠華、岳奇、科智等幫助我解決研 究及生活上的瓶頸，使學生的碩士過程更加順利；感謝同屆好友維祐及嘉 仁在這段時間的陪伴及打氣；感謝學妹莛涵及佩樺平時的貼心問候，以及 平時實驗室事務的幫忙與協助；感謝所辦小姐在行政上的幫忙，使我的研 究生活得以更加順利。 另外在研究期間的資料索取上亦得到許多人的幫忙，新竹市政府單位 的職員們及協助提供成本資料的廠商，感謝以上諸位的幫忙與指導，使本 論文的完成能更加順利。最後，要感謝我的家人爸媽、堂哥葉董、在德國 的弟弟及還只是小學四年級的妹妹，因為你們無悔的支持與鼓勵，讓我在 面對各種困難能得以堅持下去，僅將此論文獻給我身邊所有人。 葉彥宏 謹誌於交大 民國一百零一年一月vi
目錄
中文摘要 ... i 英文摘要 ... iii 致謝 ... v 目錄 ... vi 圖目錄 ... ix 表目錄 ... x 符號說明 ... xiii 第一章 前言 ... 1 1.1 研究緣起 ... 1 1.2 研究目的 ... 5 1.3 論文內容 ... 5 第二章 文獻回顧 ... 6 2.1 國內外綠屋頂發展 ... 6 2.2 綠屋頂降溫節能 ... 7 2.2.1. 建築耗能模式 ... 7 2.2.2. 熱通量計算 ... 8 2.3 綠屋頂減碳 ... 9 2.4 綠屋頂空污減量 ... 10 2.5 綠屋頂截水能力 ... 11 2.6 綠屋頂成本效益分析 ... 12 第三章 研究流程與方法 ... 15 3.1 研究流程 ... 15 3.2 可供建置綠屋頂面積估算 ... 17 3.3 城巿綠屋頂效益評估 ... 17vii 3.3.1 降溫節能 ... 17 3.3.1.1 1D-HF 法 ... 17 3.3.1.2 eQUEST 法 ... 18 3.3.2 減碳 ... 20 3.3.3 空污減量 ... 21 3.3.4 截水 ... 27 3.4 一般屋頂及綠屋頂成本概估 ... 29 3.5 城巿綠屋頂成本效益分析 ... 31 第四章 案例研討 ... 35 4.1 案例區及案例建築簡介 ... 35 4.2 綠屋頂面積估算 ... 41 4.3 城市綠屋頂降溫節能效益評估 ... 42 4.3.1 1D-HF 法 ... 42 4.3.2 eQUEST 法 ... 46 4.4 減碳效益評估 ... 54 4.5 空污減量效益評估 ... 56 4.6 截水效益評估 ... 64 4.6.1 降低雨水地面逕流 ... 64 4.6.2 降低尖峰流量 ... 65 4.7 一般屋頂及綠屋頂成本概估... 67 4.8 城市綠屋頂成本效益分析 ... 70 第五章 結論與建議 ... 78 5.1 結論 ... 78 5.2 建議 ... 81 參考文獻 ... 83 附錄 A ... 95
viii A.1 eQUEST 簡介 ... 95 A.2 本研究建築耗能模擬參數 ... 96 附錄 B ... 99 B 空氣污染健康損害成本估算 ... 99 附錄 C ... 102 C 空污減量參數表 ... 102 附錄 D ... 105 D 空污減量參數結果 ... 105
ix
圖目錄
圖 3.1 研究流程圖 ... 16 圖 4.1 新竹市都市計畫區雨水下水道系統排水分區示意圖 ... 38 圖 4.2 新竹市水患治理計畫工程點 ... 38 圖 4.3 新竹市 GIS 建築物圖資 ... 41 圖 4.4 新竹測站各月平均氣溫及及 26℃之溫差 ... 44 圖 4.5 新竹市各月的總ΔT 數量 ... 44 圖 4.6 新竹市 2010 年各月節能所占比例... 45 圖 4.7 一層樓住宅建築各月節能量 ... 47 圖 4.8 二層樓住宅建築各月節能量 ... 48 圖 4.9 三層樓住宅建築各月節能量 ... 49 圖 4.10 一層樓辦公建築各月節能量 ... 50 圖 4.11 二層樓辦公建築各月節能量 ... 51 圖 4.12 三層樓辦公建築各月節能量 ... 52 圖 4.13 新竹市 2010 年 NO2模擬結果對數座標圖 ... 58 圖 4.14 新竹市 2010 年 SO2模擬結果對數座標圖 ... 59 圖 4.15 新竹市 2010 年 O3模擬結果對數座標圖 ... 61 圖 4.16 新竹市 2010 年 PM10模擬結果對數座標圖 ... 63x
表目錄
表 2.1 一般屋頂成本估算 ... 13 表 3.1 綠屋頂和一般屋頂模擬參數表 ... 18 表 3.2 電力排放係數... 20 表 3.3 不同植物之 z0及 d ... 22 表 3.4 乾沉降下不同污染物 x 之計算參數 ... 25 表 3.5 綠屋頂與一般屋頂每平方公尺初設成本比較 ... 30 表 3.6 各國綠稅價格... 32 表 3.7 固定污染源空污費費率 ... 32 表 3.8 單位污染減量成本 ... 33 表 3.9 不同建築用途之 Stormwater credit ... 33 表 4.1 新竹市近年氣溫大於 26 及 28℃天數統計資料 ... 36 表 4.2 新竹市近年總用電量 ... 36 表 4.3 新竹市易淹水地區水患治理計畫工程 ... 37 表 4.4 新竹測站主要污染物年平均濃度統計表 ... 39 表 4.5 薄層綠屋頂與一般屋頂 U 值 ... 43 表 4.6 新竹市綠屋頂和一般屋頂模擬參數表 ... 43 表 4.7 新竹市各類建築利用 1D-HF 分析之節能效益 ... 45 表 4.8 新竹市辦公及住宅建築之比例及總樓地板面積 ... 46 表 4.9 各類建築屋頂面積 ... 46 表 4.10 節能效益比較表... 53 表 4.11 新竹市減碳效益... 55 表 4.12 新竹市 2010 年 NO2模擬結果 ... 57 表 4.13 新竹市 2010 年 SO2模擬結果 ... 59 表 4.14 新竹市 2010 年 O3模擬結果 ... 61xi 表 4.15 新竹市 2010 年 PM10模擬結果 ... 63 表 4.16 新竹市綠屋頂不同設置比例的空污效益 ... 64 表 4.17 新竹市截水效益... 65 表 4.18 新竹市降低尖峰逕流量效益 ... 67 表 4.19 一般屋頂平均成本估算表 ... 68 表 4.20 綠屋頂單位建置成本範圍資料 ... 69 表 4.21 各污染物單位損害成本參數表 ... 72 表 4.22 住宅及辦公單位面積 Stormwater credit ... 73 表 4.23 新竹市排水系統擴充成本估算 ... 74 表 4.24 不同一般屋頂更新年限與綠屋頂年均成本差異估算 ... 75 表 4.25 新竹市綠屋頂總效益 ... 75 表 4.26 新竹市綠屋頂與一般屋頂的成本效益差異分析 ... 75 表 4.27 額外考量碳稅與雨水下水道使用費狀況下的綠屋頂總效益 76 表 4.28 額外考量碳稅與雨水下水道使用費狀況下的成本效益差異分析 ... 77 表 A.1 住宅區室內發散熱假定參數 ... 96 表 A.2 住宅空調系統相關參數 ... 97 表 A.3 辦公區室內發散熱假定參數 ... 98 表 A.4 辦公空調系統相關參數 ... 98 表 B.1 劑量反應函數之斜率 (fCR) ... 100 表 B.2 健康衝擊的貨幣值表 ... 101 表 C.1 (a)Pasquill 穩定度分類表及(b)日間日照強度判別表 ... 102 表 C.2 不同穩定度下估算 L 值函數之係數 a 和 b ... 102 表 C.3 計算 Rc所需之參數 ... 103 表 C.4 不同土地使用種類及季節之參數 ... 104 表 D.1 2010 年 NO2, SO2及 O3的 Ra, Rb 及 Rc 各月模擬結果表 .... 105
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xiii
參數符號說明表
符號 說明 單位 ΔQ 通過一般及綠屋頂熱通量的差值 W A 屋頂面積 m2 ΔT 建築物內部和周邊之溫度差值 ℃ Uconcrete 一般屋頂熱傳係數 W/ m2 °K Utotal 綠屋頂熱傳係數 W/ m2 °K Ugr 綠屋頂基質部份的熱傳導係數 W/ m2 °K Qx 在一定時間內，不同污染物 x 能夠被植物所移 除的數量多寡 g F 污染物的質通量 g/ m2 s L 植物面積 m2 T 時段 s VDx 污染物 x 的乾沉降速率 cm/ s Cx 污染物 x 的濃度 μg/m3 Ra Aerodynamic resistance s/ m Rb Quasi-laminar boundary layer resistance s/ m Rc Canopy resistance s/ mu(z) 高度 z 的風速 m
u* 摩擦風速 m
d Displacement length m zo Roughness length m
L Monin-Obukhov stability length m rsm,x Minimum leaf stomata and Mesophyll resistance s/ m
xiv
rlu,x Leaf cuticles resistance s/ m rdc Resistance for gas-phase transfer by buoyant
convection in canopies
s/ m
rcl,x Resistance by leaves, twigs, bark or other exposed surfaces in the lower canopy
s/ m
rsc Transfer resistance s/ m rgs,x Ground surface resistance s/ m
ri Minimum bulk canopy stomatal resistances for
water vapor s/ m G 太陽輻射 W/m2 Ts 空氣表面溫度 ℃ Vg 重力沉降速度 m/ s Rs Surface resistance s/ m dp 粒子顆粒之直徑大小 m θf 最終含水率 % θS 飽和含水率 % θi 初始含水率 % Δt 降雨延時 time ΔSWS 基質截水深度 m ΔSWd 排水板截水深度 m P 降雨量 mm SD 綠屋頂土壤基質之厚度 mm DSRGR 綠屋頂的飽和截水深度 m θave 基質的初始平均含水率 % BD 排水板單位面積之蓄水深度 cm
xv CNR 一般屋頂的年均成本 NTD/m2/yr CNRI 一般屋頂的初設成本 NTD/m2 i 折現率(discount rate) % CGR 綠屋頂的年均成本 NTD/m2/yr CGRI 綠屋頂的初設成本 NTD/m2 CRP 每 15 年更新部分植栽的費用 NTD/m2
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第一章 前言
1.1 研究緣起
城巿由於人口集中建地增加，唯水泥建築不旦耗能，增加地表逕流， 且導致綠地減少，造成熱鳥效應，由於綠屋頂具有降温、減少溫室氣體、 空污減量、減少水資源流失、延長屋頂壽命、減少都市熱島效應、提供生 物棲息空間等效益 (Castleton et al., 2010;Getter et al., 2009; Wong et al., 2003)，因而已有不少國家推廣中，例如德國已有 145 百萬平方英呎面積的 綠屋頂 (Herman et al., 2003)；美國芝加哥亦約有 3 百萬平方英呎的綠屋頂 (Taylor et al., 2007)。台灣由於地狹人稠，綠地所佔比例更是明顯偏低，因 而綠屋頂也逐漸受到國內各界所重視，唯國內城巿推廣綠屋頂的預期效益 會有多大，目前並沒有方法可評估之，故本研究發展一套方法用以評估台 灣城巿建置綠屋頂之效益，雖然綠屋頂有不少效益，唯限於人力時間，本 研究主要分析降溫節能、減碳、空污減量及截水等四個較重要的效益，並 估算可能的成本及進行成本效益分析，以供國內規劃城市綠屋頂與相關決 策分析時之重要參考依據。 在探討城巿推廣綠屋頂的效益與成本之前，首先需要了解所分析城巿 可用以設置綠屋頂的面積，本研究採以城巿的建築區圖層來估算，唯建築 區圖層並不是真正的屋頂面積，需要分析屋頂面積佔建築區的比例，目前 打算依航照圖估算之由於並非整個屋頂都能設置綠屋頂，一般綠屋頂佔屋 頂 面 積 的 比 例 參 考 (Casey Trees Endowment Fund and Limno-Tech Incorporation, 2005)等實例來決定。綠屋頂的降溫節能效益，主要由於綠屋頂可減少太陽輻射藉由屋頂進 入建築物之熱通量(Barrio, 1998)，及增加屋頂對太陽輻射之反射量，使夏 季室內溫度可因綠屋頂之建置而有效降低（Clark et al., 2008; Castleston et
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al., 2010），進而減少空調耗能，在國外冬季亦可因保暖減少暖氣之能耗
(Clark et al., 2008)，這些效能主要受土壤基質之厚度、含水量及植物葉片 密度等因子影響(Barrio, 1998)。綠屋頂降溫節能效益評估方法可分為兩 種 ： 以 熱 通 量 及 建 築 耗 能 模 式 模 擬 ， 熱 通 量 法 較 模 式 模 擬 簡 易 ， 有 One-dimensional heat flux equation (1D-HF)(Clark et al., 2008)、 Bowen ratio energy balance model (He and Jim, 2010; Jim and He, 2010) 、 Shield effectiveness model (He and Jim, 2010)及 Simple energy balance model (Feng
et al., 2010)等數種分析方法，本研究選擇上列方法中的 1D-HF 法；建築耗
能模式如 eQUEST(Hilten, 2005; Kosareo and Ries, 2007)、 Environmental Systems Performance-research (ESP-r) (Saiz et al., 2006)及 EnergyPlus(Clark
et al., 2008; Castleston et al., 2010)等，本研究採用美國 LEED(Hilten, 2005;
Kosareo and Ries, 2007) 認可的 eQUEST 評估綠屋頂的降温節能效益，此 外，由於估算綠屋頂的節能效益時，不同類型建築的效益並不相同，故亦 把城巿建築作分類，並估算每種類型建築的比例及總面積，且主要類型建 築選一代表性建築作為估算效益之依據並與 1D-HF 法結果比較，因台灣冬 季使用暖氣機會並不多，所以本研究主要針對代表性建築估算夏季空調用 電之節能效益，再據以推估城市推廣綠屋頂之降溫節能效益。 綠屋頂減碳效主要分二部分，第一部分是因綠屋頂可減少空調使用率 及耗能，進而減少電廠排放溫室氣體(Niu et al., 2010)，此部分效益可依前 述的節能量乘以電廠的排放係數推估之;第二部分則是綠屋頂所種植的植 物及使用的土壤基質所吸收的 CO2；植物有吸收 CO2 的功能 (Li et al., 2010)，且碳亦存於植物的 Biomass 中，此外空氣中的碳亦會隨著植物的枯 枝及滲漏水存於土壤基質當中 (Getter et al., 2009)，此部分的減碳效益，本 研究採用 Getter et al. (2009)的實驗結果，計算不同種類植物吸收碳的能 力，並綜合節能所得減碳結果，推估城市綠屋頂減碳效益。
3
綠屋頂的空污減量效益，主要由於綠屋頂可藉乾沉降、改變微氣候 (Yang et al., 2008)及過濾 (Carter et al., 2008)等機制降低都市空氣污染物的 濃度，植物的枝幹、葉子等構造提供較大的表面積及粗糙度，使植物成為 污染物吸收源之一 (Beckett et al., 1998; Hill, 1971)。此外，綠屋頂可因減 少空調使用率及耗能，進而減少電廠排放之污染氣體 (Yang et al., 2008)， 另可降低屋頂周圍溫度，減緩而降低因光化學作用所生成的二次空氣污染 物 (e.g., Ozone), (Akbari, 2002; Rosenfeld et al., 1998)；目前評估綠屋頂空 污減量方法可分為兩種：現地量測及利用乾沉降模式模擬不同空氣污染物 之減量，此方法雖可量測實際值，但不適用於大範圍評估 (Morikawa et al., 1998; Corrie et al., 2005; Tan and Sia, 2005)；第二種是採用乾沉降模式推 估，如 Big-leaf resistance (BLR) model (Yang et al., 2008)及 UFORE (City of Toronto and OCE-ETech, 2005; Corrie and Bass, 2005; Casey Trees Endowment Fund and Limno-Tech Incorporation, 2005)等方法，由於 BLR 模 式較適合用於綠屋頂所使用之植物種類 (e.g. herbaceous)，本研究因而採用 它推估綠屋頂減少各空氣污染物(包括 NO2, SO2, O3, PM10)的量，並據以評
估城市綠屋頂之空污減量效益。
綠屋頂的截水效益主要是由於綠屋頂可藉基質含水、植物吸收水及植 物蒸發蒸散 (李, 2009; Mitchell et al., 2008; Hilten et al., 2008; Berndtsson, 2010; Stovin, 2010) 等 機 制 截 流 雨 水 及 延 長 雨 水 在 屋 頂 的 逕 流 時 間 (Berndtsson, 2010; Stovin, 2010)。評估綠屋頂截水效益有 Rational method (Montalto et al., 2007; Uhl and Schiedt, 2008)、經驗公式、Curve method、 Physical model、Analytical model、 Water-balance model 及 Computational method(She et al., 2010)等數種分析方法，由於本研究主要是評估城巿大區 域多個綠屋頂的總體效益，故針對單一場址的模式並不太適用於本研究， 本研究因而採用廖(101 年)所歸納出的國內綠屋頂截水效益經驗公式估算
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截水量，並採用飽和截水深度估算綠屋頂可能降低的尖峰逕流減量百分 比，推估城市綠屋頂之截水效益。
探討城巿推廣綠屋頂的效益有必要分析其成本，綠屋頂的成本主要包 含建置、額外屋頂防水、培養基質、植物、運輸、維護、更換等經費 (Kneifel, 2010; Wong et al., 2003; Carter and Keeler, 2008 )，並依其設計及功能的不同 而改變 (Clark et al., 2008; Niu et al., 2010)，含不同型式綠屋頂以及依照不 同氣候條件下，植物種類之選取等 (Wong et al., 2003)；目前估算綠屋頂成 本方法可分兩類：利用市場價格 (Porsche and Kohler, 2003; Wong et al., 2003)或利用實際案例之價格 (Carter and Keeler, 2008; Niu et al., 2010)，唯 台灣綠屋頂仍屬推廣階段，尚未建立本土綠屋頂建置成本資料，故本研究 採用台灣現有薄層式綠屋頂建置案例實際資料估算綠屋頂所需成本，作為 城市綠屋頂成本效益分析之依據。
推廣城市綠屋頂之前，宜先分析綠屋頂的成本效益，過去 Kosareo and Ries(2007), Wong et al. (2003), Porsche and Kohler(2003)及 Kneifel(2010)等 曾依據生命週期分析綠屋頂的成本效益，唯這些方法主要針對單一綠屋頂 進行分析，不太適用於用於推估城巿規模的效益。本研究估算出四種主要 效益所具有之經濟效益，降溫節能部份依綠屋頂所節省之電能損耗，轉換 為節省的電費;減碳部分參考綠稅(Carbon Tax Center)或國際碳價格成本推 估減碳之效益;空污減量部分則估算空污設備因空污減量所降低之環境成 本(行政院環保署環境資料庫)以及排放處理成本(倪等, 96 年)，並利用台灣 現有空氣污染防制費用、倪等(96 年)所建立空污防治技術成本函數等估算 空污減量之經濟效益;截水部分 Clark et al., (2008); Niu et al., (2010)等曾基 於雨水下水道使用費(Stormwater fee)評價綠屋頂的截水效益，雖然台灣並 未收此費用，但本研究據以估算截水之經濟效益，並利用排水系統工程單 價曲線圖(內政部營建署)，分析因綠屋頂截留所可能減少的費用，最後綜
5 合所有效益並與綠屋頂設置成本比較，以期作為綠屋頂規劃與決策分析方 法之重要參考依據。
1.2 研究目的
本研究之目的主要在於發展適當模式方法，評估城市綠屋頂成本效益 之分析，以作為台灣城市綠屋頂規劃與決策分析之用。主要研究目的為下 列二項： 1. 城市綠屋頂效益評估方法之建立：綠屋頂在國內仍屬初期發展與示範階 段，故有必要了解其預期效益，以作為國內各縣巿研擬推廣綠屋頂相關 政策之依據，唯國內相關研究甚少，本研究因而針對綠屋頂降溫節能、 減碳、空污減量、及截水等四項重要效益建立適當的方法估算之。 2. 城市綠屋頂成本效益分析：本研究以新竹巿為案例區，依所建立的方法 估算在該巿推動綠屋頂的四項效益，且收集典型綠屋頂相關成本資料， 分析綠屋頂的成本，然後結合四項綠屋頂效益進行成本效益分析，以期 作為研擬規劃相關政策與決策之參考依據。1.3 論文內容
本論文之後續章節中，第二章回顧國內外綠屋頂發展之現況、綠屋頂 節能、綠屋頂減碳、綠屋頂空污減量、綠屋頂截水能力、綠屋頂成本及綠 屋頂效益分析等相關文獻；第三章首先簡介本研究流程，並說明本研究所 採用之方法與參數，然後針對研究流程的每一個步驟詳細說明之；第四章 則介紹以案例研討的過程與結果，包括相關資訊的統整及分析，並應用前 述第三章所建立之系統化方法及參數評估新竹巿綠屋頂之成本效益；最後 第五章說明本研究重要成果與結論及提供未來研究建議。6
第二章 文獻回顧
本章中主要回顧及討論與本研究相關之文獻，探討過去綠屋頂之相關 研究成果。文獻回顧主要分為國內外綠屋頂發展、綠屋頂降溫節能、減碳、 空污減量、截水能力及成本效益分析等主題。以下一一說明之。2.1 國內外綠屋頂發展
早在 1970 年晚期，德國就已將綠屋頂視為都市綠化的推廣政策之一， 且開始針對其建置方式及效益研究分析 (Kohler, 2003)，德國已至少有 145 百萬平方英呎面積的綠屋頂 (Herman et al., 2003)，並持續以每年 13.5 百萬 平方公尺的速度增加，Haemmerle (2002)曾估算德國每年新建的屋頂中， 有 14%為綠屋頂。 美國方面，目前華盛頓州有 20-20-20 的計畫，預計在 2020 年綠屋頂 面積達到兩千萬平方呎 (Niu et al., 2010)，美國芝加哥目前約有 3 百萬平方 英呎的綠屋頂 (Taylor et al., 2007)，且各州亦開始針對城市綠屋頂推廣政 策，加以研究分析，如華盛頓州的非官方組織 (Casey Trees Endowment Fund)就曾對該城市進行城市綠屋頂成本效益分析，以作為未來都市更新的 推廣用途；目前美國各州多以政策補助來鼓勵民眾建置綠屋頂，如將綠屋 頂作為 Stormwater Best Management Practices (BMPs)的推廣選項之一，並 且因建置綠屋頂，可使原來需付的下水道使用費(Stormwater fee)降低 (Carter and Keeler, 2008; Clark et al., 2008)。亞洲方面，以日本及新加坡為綠屋頂推廣先驅，雖然在德國已有許多 綠屋頂植物適應性等相關研究，但 Yeo (2003)曾說明，相較於德國，新加 坡位處亞熱帶，更適合綠屋頂植物之種植，Wong et al. (2003)曾針對新加 坡綠屋頂推廣做過 Life Cycle Cost (LCC)的評估分析，發現雖然薄層式綠屋
7 頂初始成本較一般屋頂來的高，但其 LCC 是比一般屋頂來的低許多，唯此 研究未無考慮綠屋頂降溫節能效益。 國內方面，由於地狹人稠，綠地所佔比例更是明顯偏低，因而綠屋頂 也逐漸受到國內各界所重視，唯綠屋頂仍屬推廣階段，雖有吳興國小、松 山工農及信義行政大樓 (錫瑠基金會, 98 年)等實際案例，但國內城巿推廣 綠屋頂的預期效益會有多大，目前並沒有方法可評估之。
2.2 綠屋頂降溫節能
綠屋頂可降低由屋頂內外之熱通量(Barrio, 1998)，使其可作為夏季降 溫、冬季保暖的節能方案。目前綠屋頂降溫節能效益評估方法可分為兩 種，以建築耗能模式模擬及熱通量計算，以下分別說明。 2.2.1 建築耗能模式EnegyPlus(Clark et al., 2008; Castleston et al., 2010)及 Environmental Systems Performance-research (ESP-r)(Saiz et al., 2006)為目前常用於綠屋頂 節能效益的軟體，EnegyPlus 部份，Clark et al. (2008)及 Castleston et al. (2010) 等人曾針對綠屋頂建築物耗能模擬模式作過分析，發現大多建築物耗能模 擬軟體，較難分析綠屋頂節能效益，進而選用 EnergyPlus 作為評估工具， 此軟體是由 US Department of Energy 所研發，並可模擬在建築物上直接建 置綠屋頂的情況，此軟體主要依據設計者所輸入之氣候條件、原物料、建 築物用途及基本參數，模擬出建築物的 cooling、heating、lighting、ventilating 及 energy flows；ESP-r 則是依樓層級距，將建築物分為 16 個 Zone，針對 不同的 Zone 有不同的降溫程度，Saiz et al. (2006)曾利用此套軟體評估綠屋 頂節能效益，結果顯示雖然整年的節能僅有 1%，但在夏季時期可減少 6% 的降溫負荷，且在最靠近屋頂的樓層中，可減少 25%的尖峰降溫負荷。
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eQUEST(Hirsch, 2003)亦是目前常用於模擬建築物耗能的軟體之一， Hilten (2005)曾利用 HTDRUS-1D 及 eQUEST 分析屋頂面積為 929m2的案 例建築，且樓層高分別為 1、3 及 8 層樓，結果顯示隨著樓層數的增加， 各層樓的節能效益百分比亦隨之降低，唯由於主要的降溫節能在頂部樓 層，故 8 層樓與 3 層樓的節能結果差距不大；Carter and Keeler (2008)曾引 用 Hilten (2005)的結果，針對綠屋頂生命周期進行成本效益分析; Kosareo and Ries (2007) 也曾使用此耗能模擬軟體，針對屋頂面積為 1115m2的案例 進行分析，一般屋頂每年的耗能為薄層式屋頂的兩倍左右，並進行一般屋 頂及薄層式屋頂的生命周期評估。
2.2.2 熱通量計算
熱通量計算方法較上述模式簡易，有 Bowen ratio energy balance model (BREBM) (He and Jim, 2010; Jim and He, 2010)、Shield effectiveness model (SEM) (He and Jim, 2010)及 Simple energy balance model (Feng et al., 2010) 等數種分析方法。BREBM 可估算通過綠屋頂的熱通量，唯此模式需輸入 較多參數，如地區微氣候、淨輻射、氣溫梯度、蒸氣壓梯度及土壤熱輻射 等資料，Jim and He (2010)曾以此模式估算綠屋頂之節能效益，此模式亦 可和 SEM 結合估算其效益，He and Jim (2010)利用 BREBM 針對各種不同 熱輻射吸收進行分析，結合 SEM 評估 radiation shield effects，結果顯示夏 季綠屋頂的植物層可將大量的熱吸收和儲存，並將其轉換為有效的緩衝 層，足以和日間溫度波動抗衡，使室內溫度降低；熱平衡模式部份，雖然 此模式為簡單且實用的評估方法，但是需要的資料太過龐大，且不易量 測，如熱輻射、周邊溫度、空氣露點溫度、在植物上的風速、土壤水含量、 葉子和土壤的溫度等資料，故未採用。Feng et al. (2010)以此模式評估薄層 式綠屋頂降溫效益，並用現地實測值驗證，該研究結果顯示，綠屋頂建置 後，太陽輻射大約只有 1.2%會進入室內。
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1D-HF(one-dimensional heat flux)法為一維的熱通量公式，主要考量綠 屋 頂 建 置 前 後 熱 通 量 之 變 化 ， Clark et al. (2008) 曾 使 用 此 法 並 結 合 EnergyPlus 及 ESP-r 分析比較一般屋頂與綠屋頂的節能效益差異，其中 EnergyPlus 及 ESP-r 使用的 U 值比 1D-HF 來的低，唯該研究並未實測案例 屋頂的 U 值。
本研究採用 Hilten (2005)及 Kosareo and Ries (2007)所使用的 eQUEST 建築耗能軟體，以及 Clark et al. (2008) 的 1D-HF 法，最後綜合上述兩種 方法加以比較分析。
2.3 綠屋頂減碳
綠屋頂減碳效主要分二部分，第一部分是因綠屋頂可減少空調使用率 及耗能，進而減少電廠排放溫室氣體(Niu et al., 2010)，第二部分則是綠屋 頂所種植的植物及使用的土壤基質所吸收的 CO2，Niu et al. (2010)曾將節 能轉換為減碳之效益，本研究亦將採用同樣方法依據電廠排放係數估算減 碳效益。 植物及土壤吸收碳部份如 Getter et al. (2009)所述，是因碳會存於植物 的 Biomass 中，且空氣中的碳亦會隨著植物的枯枝及滲漏水存於土壤基質 當中。Li et al. (2010)曾評估周界 CO2之濃度對綠屋頂之影響，該研究分為 兩部分：實際量測植物對 CO2的吸收及排放速率，接著用其結果評估周界 CO2濃度對綠屋頂減碳效益影響，該研究發現在夏季時期，植物白天的 CO2 吸收速率遠大於夜間 CO2排放速率，且綠屋頂減碳能力和綠屋頂植物的設 置位置及周邊空氣流動等相關，唯此研究並未估算植物吸收碳的能力，故 不適用於本研究；另 Getter et al. (2009)曾分析過綠屋頂常用景天科植物 (Sedum)的儲碳能力，該研究分為兩部份探討，第一部分評估在地面上 Biomass 吸收碳的能力，最後綜合考量地面上、下 Biomass 及基質吸收碳10 的能力，結果顯示對於使用 Sedum 植物的綠屋頂，其吸收能力為 375g- C/m2，本研究採用此數據估算綠屋頂植物吸收碳的量
2.4 綠屋頂空污減量
傳統空污減量較著重於管控固定污染源，但卻無法有效減少空氣中已 存在之空氣污染物 (Yang et al., 2008)，綠屋頂卻可針對目前空氣中存在之 污染物進行減量，目前綠屋頂的空污減量評估方法可分為兩種：現地量測 及利用乾沉降模式模擬不同空氣污染物之減量。 現地量測部份，常對不同植物吸碳能力加以定量，Morikawa et al. (1998) 曾針對 217 種不同植物對 NOx的吸收能力加以定量，Clark et al. (2008)即 利用該研究結果估算綠屋頂之空污減量效益，唯並未考慮其他常見污染 物。乾沉降模式部份，目前美國常用之方法為 Urban Forest Effects(UFORE) (City of Toronto and OCE-ETech, 2005; Corrie and Bass, 2005; Casey Trees Endowment Fund and Limno-Tech Incorporation, 2005)模式，該模式是由 USDA Forest Service Northeastern Regional Station 發展而來，且具有許多 不同的模組，其中，Module D 是用來估算空氣污染物每小時去除率及移除 之經濟效益。Currie and Bass (2005)曾利用其估算綠屋頂及綠牆對於多倫多 地區的空污減量效益，在 Casey Trees Endowment Fund and Limno-Tech Incorporation. (2005)的報告中也曾利用此模組，評估在華盛頓地區不同植 物種植情境的減量效果，發現如全市皆為綠屋頂時，每年可達 58 metric tons 的空污減量，唯此模式主要適合美洲地區的評估，並不太適用於其他地區。
Big-leaf resistance (BLR) (Yang et al., 2008)模式是屬於乾沉降模組，利 用氣象資料，估算不同空氣污染物在環境中的乾沉降速度，此法可針對不 同植物種類的沉降速度進行評估。Yang et al. (2008)曾利用此模式，估算美
11 國芝加哥綠屋頂空氣污染物的減量效益，相較於前述方法，此法較適用於 大範圍評估，故本研究採用 BLR 模式推估綠屋頂減少各空氣污染物(包括 NO2, SO2, O3, PM10)的量。
2.5 綠屋頂截水能力
由 於 綠 屋 頂 可 有 效 截 流 雨 水 及 延 長 雨 水 在 屋 頂 的 逕 流 時 間 (Berndtsson, 2010; Stovin, 2010)，故可作為 Stormwater Best Management Pratices (BMPs)的推廣選項之一(Villarreal et al., 2004)。Stovin (2010)提到因 綠屋頂不需額外的土地，所以在人口密集且不透水層居多的城市中，是值 得推廣的方案。在美國，常以 Curve Number (CN)評估非點污染源，而一般不透水層 屋頂的 CN 為 98，Carter and Rasmussen (2006)曾量測綠屋頂的 CN 為 86， 進而求得綠屋頂基質的保水率。Carter and Jackson (2007)亦曾利用 CN 法評 估在不同的空間條件下，綠屋頂如何設置對城市的截水效益最佳。唯國內 並未使用 CN 法作為非點污染源估算指標，故不太適合國內使用。 Voyde et al. (2010)曾以水平衡估算綠屋頂的雨水逕流體積及尖峰逕 流，亦考量紐西蘭綠屋頂植物的蒸散速率，公式如下所列： ET R P t S = − − ∆ ∆ (2.1) 其中 P 為降雨，R 為屋頂上之逕流，ET 為蒸散速率，S 為基質保水度，結 果顯示綠屋頂植物可藉由蒸散作用及保水能力降低雨水之地表逕流。此 外，Mitchell et al. (2008)亦曾利用 Aquacycle and Single-source urban evapotranspiration interception scheme 等兩套模式進行分析並比較，發現綠 屋頂可藉由植物的蒸散能力有效降低地表逕流及尖峰流量，唯本研究難以 針對各植物之蒸散速率(ET)一一監測，故未採用。
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電 腦 模 擬 程 式 模 擬 部 份 ， 如 Hilten et al. (2008) 曾 採 用 Hydrus-1D(Simunek et al., 2008)分析 Sedum 種類植物的截水程度，結果顯 示降雨的強度對於截水影響頗大，唯此程式需要監測土壤表面水通量及水 力特性等，並不適用於大範圍城市截水效益之估算。 She et al. (2010)則利用物理模式分析截水效益，發現如果屋頂基質裡 的水量超過其可容許的水量，且土壤基質未完全飽和，部份的雨水會存留 在基質表層。由於本研究主要是評估城巿大區域多個綠屋頂的總體效益， 而上述截水估算方法，主要是針對單一場址，故並不太適用於此研究，故 本研究採用廖(101 年)所歸納出的國內綠屋頂截水效益經驗公式估算城市 綠屋頂之截水效益。
2.6 綠屋頂成本效益分析
推廣綠屋頂之前，宜分析成本效益，在新加坡，為了推廣綠屋頂之建 置，Wang et al. (2010)曾分析綠屋頂的 Life Cycle Cost(LCC)，雖然綠屋頂 初設成本較一般屋頂來的高，但整個生命周期的花費卻較低，唯該研究綠 屋頂只考量節能部份，並未納入其他綠屋頂效益，故有低估之可能；另外 Porsche and Kohler (2003)曾分析比較德國、美國及巴西綠屋頂的 LCC，並 比較這三個國家的綠屋頂效益，美國雖然沒有像德國政府的政策補助，但 在成本的控制上來的好，至於巴西，因為民眾對於綠屋頂景觀之愛好，也 成為該地區綠屋頂接受度頗高的原因。 要進行成本效益分析之前，有必要針對一般與綠屋頂的成本進行估 算，表 2.1 為本研究所蒐集文獻中一般屋頂成本的估算方法，目前大多以 屋頂防水層的成本作為一般屋頂之成本，從表上亦可看出，一般屋頂的種 類不盡相同，故有些數據不能直接比較。13
表 2.1 一般屋頂成本估算
文獻 價格 資料來源或取得方法 考量 Carter and Keeler.
(2008) $83.78/m2 Means Construction Coast Data (2005) 考量混凝土上方(防 水層)的成本 Niu et al. (2010) $242/m2 依一棟屋頂面積為 1795m2的辦公大樓 作案例 Thermoplastic elastomerolefin and single-ply system 兩種 屋頂為代表
Clark et al. (2008) $167/m2 選 Ann Arbor 校園內 75 個屋頂做為案例， 並請廠商估價重新施 作屋頂的價格 平均屋頂面積為 1870m2 Wong et al. (2003) $64/m2 Roof deck 的成本詢 問兩家建築公司 Roof deck 成本分為兩 部分：precast prestressed concrete planks and structure concrete 來估算，但不 考量梁柱的成本 Elsa. (2008) 將一般屋頂 設為基準， 並無實際值 成本資料由香港科技 報告取得 (ASD, 2007) 只考量綠屋頂建置需 要的額外成本，將一 般屋頂的建置成本設 為基準 成本效益分析是一個常用於決策推廣的工具，此法亦是一種有系統收 集與評估公共政策之利弊得失的政策分析工具，故推廣城市綠屋頂之前， 宜先分析綠屋頂的成本效益，隨著綠屋頂逐漸受到都市的重視，有必要將 其效益轉換為經濟效益，在美國 Athens, GA，Carter and Keeler (2008)考量 薄層式綠屋頂的建築維護成本、截水、降溫節能及空污減量，分析大眾及 個人的各別效益；此外，Clark et al. (2008)亦曾採用相同方法，比較一般屋 頂與綠屋頂的成本效益，唯該研究是針對單一建築物作分析，並不適用於 城市範疇的分析；在華盛頓地區，Niu et al. (2010)評估該城市綠屋頂成本 效益分析，唯其只考量降溫及截水為綠屋頂主要之效益，且空污減量部份
14 只利用電廠的空污排放係數評估 NO2及 SO2的減量效益，且因所轉換之經 濟係數並無一確定值，使其評估結果不確定性頗高。 本研究參考上述文獻針對綠屋頂降溫節能、減碳、空污減量、及截水 等四項重要效益建立適當的方法估算之，並依照台灣本土特徵發展適當模 式方法，評估城市綠屋頂成本效益，以作為台灣城市綠屋頂規劃與決策分 析之用。
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第三章 研究方法
本研究重點主要期望建立適當方法推估城市推廣綠屋頂之成本效 益，以作為國內各城市綠屋頂推廣決策分析之用，本章首先針對本研究流 程作概要介紹，接著針對綠屋頂面積估算、效益評估、成本概估等方法作 詳細說明，之後說明城市綠屋頂成本效益分析方法，以下各節一一說明之。3.1 研究流程
本研究之流程如圖 3.1 所示，主要分為資料收集及整理、綠屋頂面積 估算、綠屋頂效益評估、綠屋頂成本概估、城市綠屋頂成本效益分析及案 例研討等工作項目，以下概要說明之： 1. 資料收集及整理：主要收集國內外綠屋頂發展及綠屋頂效益估算方法， 包括綠屋頂降溫節能、減碳、空污減量、及截水等效益之相關文獻，並 收集案例研討所需資料，包含案例區所在地面及探空氣象資料、案例區 建築物圖層及分類資料等。 2. 綠屋頂面積估算：主要是估算可能設置綠屋頂的面積大小，並以城巿的 建築區圖層來估算綠屋頂可設置面積。 3. 綠屋頂效益評估：主要可分為降溫節能、減碳、空污減量、及截水等四 項效益，目前國外文獻雖已有一些估算方法，唯國內相關研究甚少，本 研究參考相關文獻及國內的特性建立推估此四效益方法。 4. 綠屋頂成本概估：雖然國外已有許多綠屋頂成本資料，唯地點及型式不 同，成本價格亦有所不同，故本研究收集台灣現有薄層式綠屋頂建置案 例實際資料估算綠屋頂所需成本。16 5. 城市綠屋頂成本效益分析：本研究首先比較成本及所估算之四項效益， 成本與各效益間的關係。然後依照台灣本土特徵，分別將四項效益轉換 成經濟效益及外部效益，經濟效益以節能及節能與減碳為主，主要評估 綠屋頂對設置者可產生的經濟效益;外部效益則主要以減碳、空污減量 與截水為主，主要評估城巿綠屋頂推廣政策可衍生的外部效益。 6. 案例研討：本研究以新竹市為案例區，依前述流程進行研究，推估該巿 若推廣綠屋頂之成本效益，以供該巿及其他城巿推廣綠屋頂決策分析之 參考依據。 圖 3.1 研究流程
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3.2 可供建置綠屋頂面積估算
在探討城巿推廣綠屋頂的效益與成本之前，首先需要了解所分析城巿 可用以設置綠屋頂的面積，本研究採建築物圖層估算城市建築物屋頂面 積，唯此類圖層是建築物屋頂之基地面積，並不是建築物實際屋頂面積， 故參考城市之航照圖進行取樣比對，推估屋頂面積佔基地面積的比例；此 外，一棟建築物一般無法將屋頂的全部面積用於設置綠屋頂，故本研究依 據 Casey Trees Endowment Fund and Limno-Tech Incorporation (2005)的報 告中，採用 80%的屋頂面積作為綠屋頂可設置之最大面積，最後利用推估 的屋頂面積與最大面積相乘，估算城市綠屋頂的總面積。3.3 城市綠屋頂效益評估
以下針對綠屋頂降溫節能、減碳、空污減量、及截水等四項重要效益 分別說明本研究估算各效益的的方法。3.3.1 降溫節能
本研究參考 Clark et al.( 2008)建立之 1D-HF 法，並以 eQUEST 建築物 耗能模擬系統 (Hirsch, 2003; Carter and Keeler, 2008; Hilten et al., 2005; Kosareo and Ries, 2007) 分析綠屋頂的節能效益，此兩種方法皆依據屋頂之 熱通量來估算綠屋頂之降溫節能效益，以下分別說明二方法。
3.3.1.1 1D-HF 法
此方法之計算方式如下式所示：(
U U)
A T Q= concrete − total × ×∆ ∆ (3.1) ) 26 ( ) (U U A T C Q= concrete − total × × − ° ∆ (3.2)18
其中ΔQ 為通過一般及綠屋頂熱通量的差值(W)，A 為屋頂面積(m2)，ΔT 為建築物內部和周邊之溫度差值(℃)，(Uconcrete-Utotal)為一般和綠屋頂熱傳
係數的差值(W/ m2 °K)，(T-26℃)部份，因本研究假設全年冷氣啟動的溫度 為 26℃，T 則為全年周邊逐時周邊溫度(℃)，故式 3.2 估算的為全年冷氣 之節能量。本研究以表 3.1 所列為一般屋頂(Uconcrete)、綠屋頂基質(Ugr)及綠
屋頂的 Utotal值，其中綠屋頂基質部份的熱傳導係數(Ugr)依本研究群實測國 內案例為 0.410，綠屋頂 Utotal值的計算方式如下式所列： gr concrete total U U U 1 1 1 = + (3.3) 利用 3.2 式來估算綠屋頂降溫節能效益。所得結果將與 eQUEST 模擬所得 結果比較，因台灣冬季使用暖氣機會並不多，所以本研究主要針對代表性 建築估算溫度較高時空調用電之節能效益，再據以推估城市推廣綠屋頂之 降溫節能效益。 表 3.1 綠屋頂和一般屋頂模擬參數表 屋頂分類 綠屋頂 一般屋頂 吸收度 0.310 0.900 U 值 [W/ m2 °K] Ugr=0.410 Utotal=0.322 Uconcrete=1.490
3.3.1.2 eQuest 法
eQUEST(Hirsch, 2003)是目前常用於模擬建築物耗能的軟體之一，主 要核心為 DOE-2 模式(Hirsch, 2003)，並加上較友善的使用與圖形介面，依 據氣象資料(TMY2)估算建築物全年逐時能耗資料。較詳細介紹介請參見附 錄 A.1。19
由於後續估算綠屋頂的效益時，不同類型建築的效益並不相同，目前 國內外用於建築物耗能模擬中有三種建築分類方法：依建築物用途別 (Kneifel, 2010; 黃，91 年)、屋頂面積 (Niu et al., 2010)及樓層(內政部營建 署)三種。唯建築物用途資料不易取得，建築物基地圖層亦不易用以判識建 築物類型，故本研究分為兩個步驟進行分類，首先依內政部營建署核發建 物使用執照按用途別分類之資料將建物分為兩類：辦公類及住宅建築，並 估算新竹市的住辦比例，再依核發建物使用執照按樓層別資料將建物分成 三類樓層：1 樓、2 樓及 3 樓以上，3 樓以上建物部分則因綠屋頂節能效益 大多集中在靠近屋頂的三層樓之內，依 Saiz et al.(2006)的研究結果，最上 方樓層的節能效益約占總節能的 97%，可知綠屋頂節能效益幾乎集中在最 上方三層樓，且 eQUEST 在模擬 3 層樓以上的建築物時，會利用 Floor Multiplies 簡化中間樓層的模擬過程，故本研究主要考量最上方 3 層樓的節 能效益為代表，並估算各類建築的屋頂面積，作為效益估算依據。 本研究依照上述所說明的建築分類模擬辦公類及住宅在不同樓層代 表性建築的節能效益，最後換算為單位屋頂面積以便與 1D-HF 所得結果比 較；在進行 eQUEST 建築物耗能模擬系統分析之前，需先進行標準建築物 樣本之基本假設與模擬因子之選定，本研究將其分為四項：建築物樣本基 本假設、屋頂構造、室內發散熱及空調系統，以下擇要說明之，較詳細模 擬因子介紹及室內發散熱與空調系統請參見附錄 A.2。 1. 建築物樣本之基本假設：本研究參考換氣與空氣調節設備技術規範(75 年)，選用國內市面上最常見 U 值為 3.500[W/ m2 °K]的 20cm 鋼筋混凝 土外牆(編號 W002)。
20 2. 屋頂構造：建築物一般屋頂部分主要參考換氣與空氣調節設備技術規範 (75 年)，U 值同前一方法，亦採用表 3.1 所列的值，而綠屋頂和一般屋 頂除了 U 值不同，吸收度亦不同，如表 3.1 所列。
3.3.2 減碳
綠屋頂減碳效益主要分二部分：降溫節能及綠屋頂植物和基質吸收兩 種(本研究暫不考量植物的固碳作用)，第一部分可依前述的節能量乘以電 力的排放係數推估之，各年電力排放係數如表 3.2 所列，本研究採用 99 年 度電力轉換係數推估之；第二部份，本研究採用 Getter et al. (2009)的實驗 結果，以 10cm 土壤基質種植景天科植物，其吸附碳的能力為 375 g-C m-2， 並與城市綠屋頂之總面積相乘，推估此部份之效益，最後將兩部分之減碳 效益加總，推估城市綠屋頂減碳效益。 表 3.2 電力排放係數 年度 轉換係數 (kg eCO2/度) 94 0.626 95 0.637 96 0.632 97 0.631 98 0.616 99 0.612 資料來源: 台灣電力公司(99 年)21
3.3.3 空污減量
本研究採用 Big-leaf resistance (BLR) model (Yang et al., 2008)推估綠屋 頂減少各空氣污染物(包括 NO2, SO2, O3, PM10)的量，根據 Nowak (1994a)， 在一段時間及一定綠屋頂面積，針對不同空氣污染物之減量，可以下列公 式估算: T L F Qx = x× × (3.4) 其中 Qx 是代表在一定時間內，不同污染物 x (e.g., NO2, SO2, O3, PM10)，能 夠被植物所移除的數量多寡(g)，F 代表污染物的質通量(g m-2 s-1)，L 為植 物面積 (m2)，T 則代表時段 (s) 1. 污染物之質通量, (Nowak, 1994a): x x x VD C F = × (3.5) 其中 VDx為污染物 x 的乾沉降速率 (dry deposition velocity) (cm/ s); Cx
為空氣中污染物 x 的濃度(µg/ m3).
2. O3, SO2, 及 NO2的乾沉降速率 (VDx) (Nowak, 1994a):
VDx =
(
Ra +Rb +Rc)
−1 (3.6) 其中 Ra為 Aerodynamic resistance; Rb為 Quasi-laminar boundary layerresistance;而 Rc為 Canopy resistance。 (a) Ra (Nowak, 1994a)
22 其中 u(z)為高度 z 的風速，u*為摩擦風速，且依Ψm動量穩定方程 式估算，如下列:
(
z d)
{
[
(
z d)
z]
[
(
z d)
L]
[
z L]
}
ku u* = − ln − 0 −Ψm − +Ψm 0 (3.6b) 其 中 k 為 Von Karman Constant (0.4); z 為 高 度 (m); d 為 Displacement length (m); zo 為 Roughness length(m); 而 L 為 Monin-Obukhov stability length (m)，表 3.3 所列為不同植物種類的 z0及 d；本研究同 Yang et al. (2008)亦採用 Short grass 來代表薄層 式率屋頂; L 是依大氣資料庫地方測站資料，並使用 Turner classes 分類方法判斷每小時之大氣穩定度，附錄 C.1(a)及(b)詳列此分類 方法(Panofsky and Dutton, 1984)，然後再依下式(Zannetti, 1990)估 算 L 值: b z a L 0 1 × = (3.6c) 其中不同大氣穩定下之係數 a,b 值請參見附錄 C.2 所列。 表 3.3 不同植物之 z0及 d 植物種類 Average height h0 (m) z0 = 0.1h0 (m) d = 0.7h0 (m) Short grass 0.150 0.015 0.105 Tall herbaceous plants 1.000 0.100 0.700 Deciduous trees 5.000 0.500 3.500 資料來源：Yang et al. (2008)23
當 L<0，在不穩定狀態下 (van Ulden and Holtslag, 1985)：
(
)
(
)
( )
5 . 0 tan 2 2 1 ln 2 1 ln 2 1 2 + − + + + = Ψ − X X X m (3.6d)其中 X 為一無單位之因子，依 Dyer and Bradley(1982)所建議下列 式子計算: 25 . 0 28 1 − = L z X (3.6e) 當 L>0，在穩定狀態下：
(
)
− − − − = Ψ L d z m 17 1 exp 0.29 (3.6f) (b) Rb (Pederson et al., 1995) * 3 2 3 2 2 ku P S R c r b − × = (3.6g)其中 k 是 Von Karman Constant (0.4); Sc是 Schmidt number，且 Sc =
ν/ D，ν 是 Kinematic viscosity of air，D 是氣體的分子擴散係數， O3的 Sc = 1.000，NO2的 Sc = 0.980，SO2的 Sc = 1.150;Pr為 Prandtl
number，空氣的 Pr常數為 0.720。
(c) Rc (Wesely et al., 1989)
Rc =
[
1rsm,x +1rlu,x +1(
rdc +rcl,x)
+1(
rsc +rgs,x)
]
−1 (3.6h) 其中 rsm,x是由 Minimum leaf stomata and Mesophyll resistance 所組合而成; rlu,x是 Leaf cuticles resistance; rdc是 Resistance for gas-phase
transfer by buoyant convection in canopies; rcl,x 是 Resistance by leaves, twigs,bark or other exposed surfaces in the lower canopy; rsc
24
是 Transfer resistance，且和植物頂篷之高度和密度有關; rgs,x 是
Ground surface resistance，下標 x 則代表不同污染物 x，S 和 O 分 別為 SO2和 O3，也利用此兩物種代表其路徑。
(1) rsm,x (Mesophyll resistance) rsm,x rsDHO Dx rm,x
2 +
= (3.6i)
其中 rs是 Leaf stomata resistance; Dx是不同污染物 x 在空氣中
的分子擴散係數; DH20是水蒸氣的分子擴散係數，而在方程式 3.6i 中之 rm,x可藉由不同污染物 x 的 H*及 f0，分別計算之。
(
)
1 0 * , 3000 100 − + = H f rmx (3.6j) 其中不同污染物 x 之 H*及 f0請參見表 3.4。(
)
[
]
{
1 2}
{
[
(
)
]
1}
40 400 1 . 0 200 1+ + − − − = i s s s r G T T r (3.6k)其中 ri是 Minimum bulk canopy stomatal resistances for water
vapor; G 是太陽輻射 (W/m2); Ts是空氣表面溫度且介於 0 到 40 ℃之間。
(2) rdc (Resistance for gas-phase transfer by buoyant convection in canopies)
rdc =100
[
1+1000(
G+10)
−1]
(
1+1000θ)
−1 (3.6l) 其中 G 是太陽輻射 (W/m2); θ 為與地面的角度; rdc之單位為 s
25 (3) rlu,x 附錄 C.3 所列為 rlu在不同氣候下的基準值，而針對不同污染 物物種 x，須依下式作修正：
(
0)
1 * 5 , 10 − − + =r H f rlux lu (3.6m) 其中 rlu,x 為污染物物種 x 的 rlu 值; H 是亨利常數; f0 為Reactivity factor for oxidation of biological substances。
(4) rcl,x (Resistance by leaves, twigs, bark or other exposed surfaces in the lower canopy)
[
(
,)
0 ,]
1 5 * , 10 − + = clS clO x cl H r f r r (3.6n) 其中 rcl,S及 rcl,O請參見附錄 C.3。(5) rgs,x (Ground surface resistance)
[
(
,)
0 ,]
1 5 * , 10 − + = gsS gsO x gs H r f r r (3.6o) 其中 rgs,S及 rgs,O請參見附錄 C.3。 表 3.4 乾沉降下不同污染物 x 之計算參數 污染物物種 化學式 DH2O/Dx H* f0 二氧化硫 SO2 1.900 1.000 x 105 0.000 臭氧 O3 1.600 0.010 1.000 二氧化氮 NO2 1.600 0.010 0.100 資料來源：Wesely et al. (1989)26
3. PM10之乾沉降速率計算(Yang et al., 2008): Vd =Vg +
(
Ra +Rs)
−1
(3.7) 其中 Vg是重力沉降速度; Ra是 Aerodynamic resistance; Rs是 Surface
resistance。 (a) Vg
Vg =ρd2pgC 18η (3.7a) 其中ρ 是粒子顆粒之密度，此處採用 1800 kg/ m3(Lim et al., 2006);
dp是粒子顆粒之直徑大小; g 是重力加速度; η 是空氣的黏滯係數;
C 是 Correction factor for small particles 且計算方法為(Zhang et al., 2001)： C λ
(
e 0.55dp λ)
dp 4 . 0 257 . 1 2 1+ + − = (3.7b) 其中λ 是 Mean free path，為緯度的函數，計算式如下： = M RT π ρ µ λ 0.499 8 (3,7c) (b) Rs (Surface resistance) *
(
)
1 0 1 u E E E R Rs = ε B + IM + IN (3.7d) 其中 ε0 是一經驗常數 3; u*是摩擦風速; EB、EIM、和 EIN 則是Brownian diffusion, impaction 和 interception 的收集效率; R1是一修
27
(1) EB
EB =Sc−γ (3.7e) 其中γ 會隨著土地使用種類之不同而改變，請參見附錄 C.4。 (2) EIM (Peter and Eiden, 1992)
EIM =
[
St(
α +St)
]
β (3.7f) 其中 α 請參見表 3.8; β 則採用 2;Impaction process 主要受由 Stoke number (St) 所影響，植物表面上之計算方式為 St = Vgu*/gA (Slinn, 1982) ， 在 平 滑 表 面 之 計 算 方 式 則 為 St = Vgu*/υ(Giorgi, 1988); A 為收集器之特徵半徑，請參見附錄 C.4。 (3) EIN : EIN =0.5(
dp A)
2 (3.7g) 其中 A 是收集器之特徵半徑，請參見附錄 C.4。 (4) R1(Slinn et al., 1982):(
12)
1 exp St R = − (3.7h)3.3.4 截水
綠屋頂的截水效益可分為兩部份：降低雨水地面逕流及降低降雨尖峰 流量，降低雨水地面逕流部份，本研究採用廖(101 年)所歸納出的綠屋頂基 值截水及排水板截水經驗公式估算截水量，如下式所列：(
)
t i S S f e ∆ − − − =θ θ θ β θ (3.8)(
f i)
D S S SW = θ −θ ∆ (3.9a)28
(
−∆) (
× 0.0117 −0.2289)
= ∆SWd P SWS P (3.9b) 其中 θf為最終含水率，θS為飽和含水率，θi為初始含水率，Δt 為降雨 延時，β依廖(101 年)降雨時為 0.01969，無降雨則為-0.00905，ΔSWS為 基質截水深度，ΔSWd為排水板截水深度，P 為降雨量，SD為綠屋頂土壤 基質之厚度(mm)；利用式 3.8 估算降雨後的最終含水率，並用式 3.9a 估算 降雨後的基值截水深度，並配合式 3.9b 估算排水板可截之深度，最後將 3.9a 與 b 加總並與綠屋頂面積相乘，即為總截水量。 降低尖峰逕流量效益部份，雖然合理化公式(Ramser, 1927)常用以小集 水區的尖峰逕流量，唯由於薄層綠屋頂基質厚度有限，故此法並不適用綠 屋頂，故本研究採用飽和截水深度來推估，本研究依據基質厚度、飽和含 水率、平均含水率及排水板的蓄水量估算飽和截水深度，由於雨水系統在 設計時通常採用較大的設計雨量估算，而薄屋綠屋頂由於厚度有限，故一 般在大雨時其截水量應接近於飽和截水深度，本研究以下式估算綠屋頂的 飽和截水深度:(
)
− × + = 2 10 D D ave S GR B S DSR θ θ (3.10) 其中 DSRGR為綠屋頂的飽和截水深度(m)，θS與θave分別為基質的飽和含 水率及初始平均含水率，SD為基質厚度(cm)，BD為排水板單位面積之蓄水 深度(cm)。 唯飽和截水深度代表綠屋頂可減少的最大逕流深度，實際尖峰逕流減 少深度應會小於此值，故有必要乘以一個百分比，唯此百分比會隨著雨型 不同而不同，本研究將飽和截水深度乘以 100%及 50%估算尖峰截水深度 (m)，並與集水分區中綠屋頂面積比例相乘，估算單位時間內可能降低的尖 峰截水深度，最後除以新竹市五年再現期的設計時雨量，作為該區尖峰逕 流減量百分比，唯此值是一個概估值，詳細推估需要建 SWMM 模式，至29 於是否高估及低估，並不易判斷，也可能高估，因空間分佈若在上游為主 或是未達飽和、初始含水率較高等，也可能低估，可能會減少更多的尖峰 逕流量，可延遲尖峰時間。
3.4 一般屋頂及綠屋頂成本概估
綠屋頂成本會受到一些因子影響，包括初設成本(包括植物、基質、 形式、排水與蓄水層、防水層及材料運輸與工資等)、氣候、維護與更新、 使用期間、折現率、屋頂可及性、設計、功能、巿場規模（Chang et al., 2011； Niu et al., 2010; Carter and Keeler, 2008；Clark et al., 2008; Wong et al., 2003; Porsche and Kohler, 2003）。因子不同成本亦會隨之變動，如表 3.5 所列， 該表列出文獻中可找到的各國綠屋頂及一般屋頂的初設成本，與一般屋頂 差異在約 40%至三倍之間，變動範圍並不小。本研究針對一般薄層綠屋頂 及一般屋頂，依以下數個因子分析綠屋頂成本： 1. 初設成本: 一般屋頂主要包含保力龍、混凝土、油毛氈、水泥砂漿及 材料運輸與工資等。綠屋頂則主要包括植物、基質與厚度、排水與蓄 水層、防水層及材料運輸與工資等，本研究向已建置的國內案例及相 關廠商訪查這些成本資料。 2. 維護: 一般屋頂的維護檢視需求假設二種屋頂都相同，故未納入計 算。綠屋頂部分雖然國外文獻有維護成本資訊，但預期不適合於國 內，故未採用，依 Wong et al. (2003)，約半年或一年須維護一次。此 外，每個月亦須要巡視約二次(Wong et al., 2003)，加水或除草等，唯 本研究假設巡視由建築所有人負責，故未納入計算。3. 更新: (1) 一般屋頂約 10 至 20 年需要更新（Clark et al., 2008; Porsche and Kohler, 2003; Kodstro and Ries, 2007），故本研究分為 10、15 及 20 年需更新一次。而綠屋頂則由於阻隔陽光紫外線及形成保護層降溫等
30 作用(Wong et al., 2003)預期可延長屋頂的壽命 2 至 3 倍，本研究採用 較保守的估計，假設可延長屋頂壽命一倍; (2) 植物則依 Wong et al. (2003)之假設每 15 年需要更新。一般屋頂的防水層可能不到 20 年即 需要更新，唯更換期間不易推估且變動頗大，故本研究以其初設成本 為估算依據，分析 10、15 及 20 三種不同年限。 4. 使用期間: 由於一般屋頂假設 20 年更新一次，而綠屋頂假設可延長其 一倍的壽命，故本研究依據 40 年使用期間估計二者的年均成本。 5. 折現率:依中央銀行全球資訊網公告的五大銀行平均存款一年期利 率，2006 到 2011 年利率約在 0.770-2.635%之間，平均 1 年利率為 1.534%，而依主計處消費者物價指數(CPI)平均漲跌率而言，2006 到 2011 年的範圍在-0.870-3.530%之間平均漲跌率為 1.350%，若依此二數 據計算，折現率範圍約在-0.110-6.250%之間，平均為 2.910%，而經濟 部再生能源電能躉購費率中，折現率訂為 4.250%(經濟部能源局，99 年)，本研究依此作為估算依據。 表 3.5 綠屋頂與一般屋頂每平方公尺初設成本比較 國別 綠屋頂 一般屋頂 文獻 美國 $161-269 - Chang et al. (2011) $306 $242 Niu et al. (2010) $100-300 ($158.82)
$83.78 Carter and Keeler (2008) +39% $167 Clark et al. (2008) 新加坡 $89.86 $49.25 Wong et al. (2003)
德國 $85-90 $40-50 Porsche and Kohler (2003) 台灣 NTD2680-3000 NTD1500 信義區公所(100 年)、黃 (98 年)
收集了上述資料後並依下列公式估算一般屋頂與綠屋頂的年均成 本，並計算其間的差異，以作為後續分析之依據。
31
( )
( )
( )
( )
( )
− + + + + + + + + = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 40 40 30 20 10 i i i i i i C CNR NRI (3.11a)( )
( )
( )
( )
− + + + + + + = 1 1 1 1 1 1 1 1 40 40 30 15 i i i i i C CNR NRI (3.11b)( )
( )
( )
− + + + + = 1 1 1 1 1 1 40 40 20 i i i i C CNR NRI (3.11c)( ) ( )
( )
( )
( )
( )
( )
− + + + + + + − + + = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 40 40 30 15 40 40 i i i i i C i i i C CGR RI RP (3.12) 其中 CNR為一般屋頂的年均成本; CNRI為一般屋頂的初設成本；i 為折現率(discount rate); CGR為綠屋頂的年均成本; CGRI為綠屋頂的初設成本; CRP
為每 15 年更新部分植栽的費用。 計算出二種屋頂單位面積成本後，再計算其間的差異，然後再依所推 估的城巿綠屋頂面積計算總差異，以作為後續分析之依據。
3.5 城市綠屋頂成本效益分析
本研究估算出四種主要效益所具有之經濟效益，降溫節能部份依綠屋 頂所節省之電能損耗，利用台電電價(目前每度電約台幣 2.1 元)，轉換為綠 屋頂降溫節能所節省的電費。減碳部分參考綠稅(Carbon Tax Center)或國際碳價格或成本推估減碳 之效益，目前各國綠稅價格如表 3.6 所列，唯台灣未實施綠稅制度，本研 究採蕭 (98 年)的建議值為 750NTD/ton eCO2為碳稅價格。
32
表 3.6 各國綠稅價格
國家 平均碳稅 (USD/ ton eCO2)
法國 2001 年稅率 45.700 加拿大 2011 年稅率 25.000 芬蘭 1998 年稅率 61.800 挪威 1997 年稅率 34.400 瑞士 2000 年稅率 150.000 瑞典 1997 年稅率 39.220 德國 2000 年稅率 30.200 英國 2001 年稅率 19.200 丹麥 1999 年稅率 79.000 資料來源：黃 (96 年) 空污減量部分則利用台灣現有空氣污染防制費用、倪等(2007)所建立 單位污染減量成本(維護成本法)及單位損害成本估算空污之經濟效益，空 污費率及單位污染減量成本則如表 3.7 及表 3.8 所列，單位損害成本採用 林(96 年)之估算方法，計算所需之空污單位損害成本，較詳細計算方式介 紹介請參見附錄 B，作為空污減量之經濟效益。 表 3.7 固定污染源空污費費率 污染物種類 費率 (千元/公噸) 一、三級防制區 二級防制區 NO2 12 15 SO2 10 12 資料來源：行政院環保署環境資料庫(100 年)
33 表 3.8 單位污染減量成本 污染物種類 PM10 SOx NOx 處理成本 (元/公噸) 37708 25013 25525 資料來源：倪等 (96 年) 截水部份，本研究以國外現行雨水下水道使用費 (Stormwater fee)及 國內雨水下水道單位建造成本估算截水之經濟效益，國外因設置綠屋頂的 雨水下水道使用費減收可分為兩種：原有的雨水逕流費可獲得 55%之優惠 及獲得額外之 Stormwater credit，第一部分採用美國華盛頓州目前現有之雨 水下水道使用費費率(0.0033 USD/m2 year)(DDOE, 2011)，第二部份則依不 同建築用途，採用不同的 Stormwater credit (Carter and Keeler, 2008)，詳細 費率如表 3.9 所列。
表 3.9 不同建築用途之 Stormwater credit
建築用途 Stormwater credit (USD/m2.year)
辦公大樓 0.04
住家 0.08
資料來源：Carter and Keeler (2008)
國內雨水下水道單位建造成本部分，依內政部營建署雨水下水道建設 資料，新竹市雨水下水道規劃總長度為 72.070km，目前已建設的長度為 40.940km，建設率為 58.4%(內政部營建署，100 年)，並規劃每年以 1km 的建設速度逐年完成，本研究利用新竹市現有雨水下水道圖資，將新竹市 雨水排水系統依渠道流域流向分區，最後以內政部營建署提供之國內雨水 下水道單位建造成本資料(內政部營建署，92 年)估算各區管線依各區尖峰 逕流減量百分比擴充所需增加的成本，亦即以因綠屋頂截水減少未來擴充 雨水下水道系統的成本作為評估其經濟效益之依據。
34
唯國內有些稅率還在研擬階段或尚未開徵，如雨水逕流費、綠稅等， 本研究雖仍會估算這些效益，但由於尚未開徵，此部分的效益值將另外統 計，並分別與綠屋頂及一般屋頂設置成本比較，作為國內城市綠屋頂規劃 與決策分析方法之重要參考依據。
