國立交通大學
環境工程研究所
碩士論文
綠屋頂生命週期與節能效益評估
Life Cycle and Energy Saving Assessment for
Green Roof
研究生：鄭維祐
指導教授：高正忠
綠屋頂生命週期與節能效益評估
Life Cycle and Energy Saving Assessment for Green
Roof
研 究 生：鄭維祐 Student：Wei-Yu Cheng 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 June, 2012
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
I
摘要
全球暖化日益嚴重，建築物之節能減碳已成為都市重要議題。由於綠 屋頂可降低屋頂熱量傳輸及具有碳吸附功能，為有效之建築物節能減碳措 施，除此之外，綠屋頂亦具有其他環境效益。本研究因而以建築耗能模式 及生命週期分析工具評估綠屋頂於台灣地區施行之效益。本研究針對國內 數棟案例建築物之綠屋頂就其節能減碳、生命週期及成本效益進行評估。 建築物節能部份，本研究先量測綠屋頂之 U-value 與並使用標準氣象 年氣象資料，以 1D-HD 法及 Energy Plus 建築耗能軟體模擬綠屋頂下的能 耗差異，以評估其節能效益，節能結果亦與綠屋頂植物之二氧化碳吸收效 果合併評估其減碳效益。在生命週期評估部份，依案例建築物綠屋頂與一 般屋頂材料組成採用 Simapro 軟體分析綠屋頂在生命週期期間對環境之影 響，並依與一般屋頂環境衝擊差異分析綠屋頂的環境效益。且依市場價格 推估一般屋頂及綠屋頂建構、維護更換成本，最後進行成本效益評估，以 探討都市建築物建置綠屋頂之適宜性。 本研究實測 10 公分薄層綠屋頂 U-value 約在 0.42 左右。節能效益依 二方法的模擬結果，三案例約有 12 至 15kWh/m2/yr 間效益；減碳效益則約 有 5,964 至 7,293 kg CO2e/yr 間的減碳效益；環境效益部份在一般屋頂壽命 20 年至 10 年，綠屋頂在人類、水體與陸域生物毒性等面向所減少環境衝 擊量在1 × 106至 1.8 × 106kg 1,4-DB eq，約減少 51%至 75%；成本效益評 估結果綠屋頂在一般屋頂壽命在 15 年以下有 5-50 元/m2/yr 左右的經濟效 益，若電價上漲，綠屋頂的經濟效益將更為明顯。 關鍵字：綠屋頂、U-value、建築耗能模式、生命週期評估、節能減碳、成 本效益評估、永續環境系統分析。II
Abstract
To prevent the increasingly serious threat of global warming to life on earth, building energy saving and greenhouse gas (GHG) emission reduction has become a major issue for most cities. Green roofs can effectively reduce heat flux and sequestrate carbon by vegetative cover, thereby decreasing building energy consumption and GHG emissions. This study thus applied a building energy simulation model and a life cycle assessment (LCA) software to assess the environmental benefits of local green roofs based on their energy savings, GHG emission reductions, and life cycle and cost-benefit assessments.
For evaluating the energy saving, the U-value of a green roof was measured first. With the measured U-value and the typical meteorological year of the study area, the one-dimensional heat flux (1D-HF) method and the EnergyPlus model were used to estimate the energy saving. The GHG emission reduction was computed based on the emission factor of local electricity and the carbon sequestration capability of a green roof. The difference between a conventional roof and a green roof for various life cycle environmental impacts was evaluated by Simapro. Finally, a life cycle cost-benefit analysis was implemented based on the market prices of roof materials, replacement costs, life spans, and economic values of energy savings and GHG emission reductions. The results obtained in this study are intended to evaluate the applicability of green roofs for buildings in local cities.
The U-value of a local extensive green roof with 10cm substrate depth was measured and estimated to be 0.42. The energy savings of three studied cases are approximately 12-15kWh/m2/yr. The GHG emission reductions range between 5,964 and 7,293 kg CO2e/yr. While compared to the conventional roof
with a life span of 10-20 years, the green roof LCA result shows about 1x106-1.8x106 kg 1,4-DB eq impact reductions for human ecotoxicity, aquatic
ecotoxicity, and terrestrial ecotoxicity. The life cycle cost benefit analytical results show $5-50/m2/yr economic benefit over the conventional roof with a life span of 10-15 years. The economic benefit is expected to significantly increase after the government raises electricity tariffs in near future.
Key words: Green roof; U-value; building energy simulation model; life cycle
assessment; energy saving; GHG emission reduction; cost-benefit analysis; and sustainable environmental systems analysis.
III
致謝
經過兩年的時光，終於完成了這本論文，研究期間感謝教授的指導與 諄諄教誨；宥禔學姐處處幫忙，協助我解決許多研究上的問題；岳奇與科 智學長與彥宏的陪伴，讓我碩一充滿回憶；研究室同學的砥礪與共，讓我 有充實的碩二時光，還有學妹們，莛涵與佩樺，感謝兩人精神上的支持， 讓我能更專注於論文，還有許許多多的，感謝。 研究室外，感謝爸媽的鼓勵與扶持，女朋友的陪伴，讓我壓力大能有 所依靠，讓我失落時能有所支撐，沒有你們，就沒有今天的我，感謝；除 此之外，特別感謝大溪高中的廷熙學長，給我許多研究上的協助與實驗過 程中的幫忙，讓我能順利完成，還有信義區公所、建成國中的所方校方的 幫忙，提供資料、廠商的支援，器材使用說明等，感謝。 鄭維祐 謹誌於交大 民國一百零一年六月IV
目錄
中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 致謝 ... III 目錄 ... IV 圖目錄 ... VII 表目錄 ... IX 符號說明 ... XI 第一章 前言 ... 1 1.1 研究緣起 ... 1 1.2 研究目的 ... 3 1.3 論文內容 ... 4 第二章 文獻回顧 ... 5 2.1 綠屋頂種類與效益及國內外綠屋頂之發展 ... 5 2.2 綠屋頂節能效益評估 ... 7 2.2.1 U-value ... 7 2.2.2 以建築能耗模式評估綠屋頂節能效益 ... 8 2.3 綠屋頂生命週期評估 ... 10 2.3.1 綠屋頂生命週期評估 ... 10 2.3.2 生命週期評估方法與工具 ... 11 2.4 綠屋頂成本效益分析 ... 13 第三章 研究流程與方法 ... 15 3.1 研究流程 ... 15 3.2 案例資料收集與整理 ... 18 3.3 綠屋頂節能效益評估 ... 21V
3.3.1 .. U-value ... 21
3.3.2 .. 以 U-value 推估屋頂隔熱節能效益 ... 23
3.3.3 Energy Plus (E+) 簡介 ... 24
3.3.4 氣象資料 ... 25 3.3.5 E+模型建立 ... 25 3.3.6 綠屋頂節能效益評估 ... 27 3.4 綠屋頂生命週期評估 ... 27 3.4.1 Sima Pro 生命週期評估軟體介紹 ... 27 3.4.2 LCA 進行程序 ... 28 3.4.3 資料庫參數輸入 ... 31 3.4.4 綠屋頂建築減碳效益評估 ... 32 3.4.5 綠屋頂建築環境效益評估 ... 32 3.5 綠屋頂成本推估 ... 33 3.6 綠屋頂成本效益評估 ... 34 第四章 結果與討論 ... 37 4.1 案例建築 ... 37 4.2 綠屋頂節能效益評估 ... 39 4.2.1. 綠屋頂 U-value... 39 4.2.2. 綠屋頂節能效益評估 ... 44 4.3 綠屋頂生命週期評估 ... 59 4.3.1 綠屋頂減碳效益評估 ... 59 4.3.2 綠屋頂建築環境效益評估 ... 61 4.4 綠屋頂成本效益評估 ... 75 第五章 結論與建議 ... 91 5.1 結論 ... 91 5.2 建議 ... 93
VI
參考文獻 ... 93
附錄 A ... 98
A.1 以熱通量計測量 U-value ... 98
VII
圖目錄
圖 3.1 研究流程圖 ... 17 圖 4.1 案例 A 環工館配置圖 ... 37 圖 4.2 案例 B 建成國中教室配置圖 ... 38 圖 4.3 大溪高中綠屋頂(GR)及一般屋頂(CR)監測點示意圖 .... 40 圖 4.4 案例 C 綠屋頂各點依量測值所估算之 U-value (a)GR-1；(b)GR-2； (c)GR-3 ... 41 圖 4.5 案例 C 一般屋頂 U-value 測量結果(a)點 CR-1 測量結果；(b)點 CR-2 測量結果 ... 43 圖 4.6 新竹各月超過攝氐 26 度的總溫度差 x 小時數 ... 45 圖 4.7 案例 A 1D-HF 法所估算之各月節能量 ... 45 圖 4.8 案例 A EnergyPlus 模式所模擬的各層節能量 ... 46 圖 4.9 案例 A Energy Plus 模式所模擬各月節能量 ... 47 圖 4.10 臺北各月超過攝氐 26 度的溫度差 x 小時數 ... 49 圖 4.11 臺北新竹氣溫比較 ... 50 圖 4.12 案例 B 1D-HF 法所估算之各月節能量 ... 51 圖 4.13 案例 B Energy Plus 模式所模擬的各層節能量 ... 52 圖 4.14 案例 B Energy Plus 模式所模擬各月節能量 ... 53 圖 4.15 案例 C 1D-HF 法所估算之各月節能量 ... 55 圖 4.16 案例 C Energy Plus 模式所模擬的各層節能量 ... 56 圖 4.17 案例 C Energy Plus 模式所模擬各月節能量 ... 56 圖 4.18 案例 C Impact 2002+綜合級分結果 ... 69 圖 4.19 案例案例 D 以 Impact 2002+單一模式評估結果 ... 75 圖 4.20 案例 A 1D-HF 法各月份所省電費 ... 79 圖 4.21 案例案例 A Energy Plus 模式模擬各月所省電費 ... 80VIII 圖 4.22 案例 B 1D-HF 法各月份所省電費 ... 83 圖 4.23 案例 B Energy Plus 模式模擬各月所省電費 ... 84 圖 4.24 案例 C 1D-HF 法各月份所省電費 ... 87 圖 4.25 案例 C Energy Plus 模式模擬各月所省電費 ... 88 圖 4.26 各國電價趨勢 ... 90
IX
表目錄
表 2.1 綠屋頂效益 ... 6 表 3.1 案件建築物綠屋頂資料 ... 20 表 3.2 臺灣電力公司各級電價 ... 36 表 4.1 案例 C 綠屋頂基本資料 ... 38 表 4.2 案例 D 綠屋頂基本資料 ... 39 表 4.3 各案例節能效益結果 ... 58 表 4.4 案例 A、B 與 C 減碳效益 ... 61 表 4.5 案例 C 綠屋頂層組成 ... 62 表 4.6 案例 C 原一般屋頂組成 ... 63 表 4.7 案例 C 一般屋頂以 CML 2 法所估算之環境衝擊... 65 表 4.8 案例 C 綠屋頂環境衝擊差異 ... 66 表 4.9 案例 C 綠屋頂節能環境衝擊差異 ... 67 表 4.10 案例 C 一般屋頂以 Impact2002+法所估算之環境衝擊 68 表 4.11 案例 C 綠屋頂環境衝擊差異 ... 68 表 4.12 案例 D 綠屋頂層組成 ... 70 表 4.13 案例 D 原一般屋頂組成 ... 71 表 4.14 案例 D 一般屋頂環境衝擊 ... 72 表 4.15 案例 D 綠屋頂環境衝擊差異 ... 73 表 4.16 案例 D 一般屋頂以 Impact2002+法所估算之環境衝擊 74 表 4.17 案例 D 綠屋頂環境衝擊差異 ... 74 表 4.18 一般屋頂推估單位成本 ... 76 表 4.19 綠屋頂推估單位成本 ... 78 表 4.20 案例 A 綠屋頂成本效益(a)成本效益；(b)綠屋頂成本 . 82 表 4.21 案例 B 綠屋頂成本效益 ... 86X
XI
符號說明
符號 說明 單位 Ut 綠屋頂熱傳係數 W/ m2 °K ΔQ 通過一般及綠屋頂熱通量的差值 W rint 內氣膜常數 m2 °K/W rext 外氣膜常數 m2 °K/W UCR 一般屋頂熱傳係數 W/ m2 °K UGR 綠屋頂基質部份的熱傳導係數 W/ m2 °K A 屋頂面積 m2 T 室外溫度 ℃ 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 CGRP 每 15 年更新部分植栽的費用 NTD/m2 a 綠屋頂壽命常數 year b 綠屋頂植被更換常數 year c 綠屋頂植被更換常數 yaer1
第一章 前言
1.1 研究緣起
隨著全球暖化日趨嚴重，都市室內空調的使用量隨著上升，亦伴隨其 它都市環境問題，如何降低室內溫度以降低空調使用量及趨緩都市環境問 題為現今都市發展之重要課題之一。綠屋頂為一包含土壤基質及植物之綠 覆面，覆蓋於建築頂層(Sailor et al., 2008)，具備阻隔太陽輻射、降低室內 溫度、減少酸沉降、吸附二氧化碳、淨化空氣、截水、形成生物跳島…等 效益(Blackhurst et al., 2010)，是一個有效減緩都市氣溫上升與都市建築物 對環境衝擊的措施。唯在臺灣地區綠屋頂推廣尚在起步階段，因而有必要 研究綠屋頂之適用性，在評估綠屋頂時除了分析其降溫節能效益，亦有必 要考量其生命週期，推估成本，進行綠屋頂成本效益評估，方能完整的評 估其適用性，有效評估其環境效益(Kosareo and Ries, 2007)。本研究因而採 用建築物耗能模式及生命週期評估軟體，配合臺灣地區天候狀況與建築資 料評估綠屋頂的降溫節能與環境效益，並推估綠屋頂建構成本，分析其成 本效益，並據以評估其在國內推廣的適用性。國內只有極少數的研究曾分析綠屋頂的降溫效益，謝(94 年)曾以模擬 小屋監測綠屋頂及綠牆的降溫效果。國外則已有綠屋頂節能效益研究 (Sailor, 2008; Trcka et al., 2007; Peuportier et al., 2001)，採用建築物能耗模 式評估綠屋頂降溫節能效率。由於不易針對每個綠屋頂進行監測，故本研 究亦將以國內外常用 1-dimensional heat flux equation (1D-HF) (Clark et al., 2008)與 Energy Plus (USDOE, 2012)模擬分析綠屋頂的降溫節能效益。
在執行模式模擬前必須收集建築物之 U-value (Heat transfer coefficient, U-value)，一般建築物牆面、屋頂與玻璃的 U-value 可由建築規範取得(建 築師公會，99 年)，但綠屋頂的 U-value 目前國內尚無數值可供使用，考慮
2 臺灣環境與他國之差異，直接引用國外參數可能與實際情況差異太大，本 研究因而以熱通量計、感溫線、熱像儀等儀器於大溪高中綠屋頂利用熱通 量計收集室內熱傳遞量變化，配合感溫線收記錄室內外溫度變化，使用熱 通量公式(Baker, 2011)，估算綠屋頂之 U-value，據以估算一適合臺灣地區 綠屋頂 U-value 值。 除綠屋頂 U-value 值外，仍需氣象資料，考慮臺灣地區近年來氣候變 化趨劇，短期的氣象資料可能無法代表長時間之氣象情形(林，2005)，本 研究因而採用標準氣象年氣象資料，供後續節能模式模擬之用。 綠屋頂節能效益部份，主要利用 1D-HF 法與 Energy Plus 兩方法，配 合估算綠屋頂 U-value 值，配合前述所取得之案例建築資料，估算綠屋頂 建置前後用電量變化，估算節能量，並比較兩方法結果，評估綠屋頂節能 效益。 評估綠屋頂的適用性，除了評估其節能效益，亦應依整個生命週期評 估其對環境所帶來的效益與影響，所以在評估時，非僅計算綠屋頂的局部 效益與影響，亦應考量其在整個生命週期的環境效益與影響，故本研究運 用國際上常用的 Simapro (Goedkoop, 2008)軟體進行綠屋頂生命週期評 估。主要評估分析信義區公所與大溪高中兩個建築物建置綠屋頂在其生命 週期內之環境效益與影響。生命週期評估前，必須決定欲分析之周界範 圍，不同的範圍界定，會影響到分析結果，國外曾有研究(Wong et al., 2003; Chen et al., 2001; Lui, 2008)將綠屋頂生命週期分為原料、材料運輸、建置、 使用維護等部份比較其效益，本研究生命週期評估始於綠屋頂原料部份， 包括運輸、使用維護階段，並假設綠屋頂生命週期為 40 年，作為評估範 圍，採用常用的 CML 2 與 impact2002+ (Humbert et al., 2005 )兩方法評估綠 屋頂環境效益，評估重點亦包含屋頂壽命延長(Saiz et al.,2006)，且將依據
3
國內電廠之排放係數計算出之溫室效應氣體當量，估算綠屋頂之減碳效 益。
除了估算節能減碳效益及環境效益與影響，亦有必要分析成本，國外 ( Carter et al., 2008; Kosareo et al.,2007; Wong et al., 2003)曾將綠屋頂成本 分為原料、運送、建置、維護與更換等項目分析，其中原料包括綠屋頂植 物、基質、保水層、隔水層等成本；運送部份則是考慮原料在運送所耗費 油料並估算建製花費與每年維護綠屋頂所需成本，主要採用市場價格估 計。本研究亦採用類似方式進行，收集國內綠屋頂實際建置的成本資料， 再依所收集資料估算綠屋頂及其他相關項目的成本，與一般屋頂上方防水 隔熱層成本，以作為成本效益評估之依據。 本研究因而針對國內數個薄層式綠屋頂案例進行建築物耗能模式模 擬及生命週期評估，且將實測綠屋頂的 U-values，亦將收集估算綠屋頂成 本，配合以上模式模擬之結果進行案例建築物之成本效益綜合評估。
1.2 研究目的
本研究主要分析綠屋頂在國內推廣的適用性，將分析其節能效益與生 命週期中的環境效益與影響，且將進行成本效益綜合評估以作為評估其適 用性的依據，以供國內推行綠屋頂及相關決策之參考。主要研究目為以下 四項: 1. 臺灣地區綠屋頂 U-value 估算：本研究將於桃園縣大溪高中，利用熱 通量計、感溫線、熱像儀等儀器，以 Baker (2011)所提出之 U-value 公 式，估算薄層式綠屋頂 U-value 值。 2. 綠屋頂節能效益推估：將以 Energy Plus 模擬估算數個不同類型建築物 建置綠屋頂的降溫節能效益。且由於國內尚無綠屋頂的 U-value 可供 使用，故本研究亦將實測及採用不同方法估算 U-value。4 3. 綠屋頂生命週期環境效益與影響評估：將評估綠屋頂整個生命週期中 的環境效益與影響，以 Simapro 軟體進行分析。 4. 綠屋頂成本效益評估：依據所收集各綠屋頂建置成本與相關資料估算 成本，且綜合節能效益與生命週期評估的結果分析其成本效益，以供 推廣綠屋頂及相關規劃決策之參考。
1.3 論文內容
後續章節中，第二章回顧綠屋頂種類與國內外綠屋頂發展情況、綠屋 頂節能效益評估方與工具、綠屋頂生命週期評估、綠屋頂成本效益綜合評 估等相關文獻；第三章將介紹本研究流程與所採用評估模式，並就研究流 程步驟一一詳細說明；第四章則說明本研究案例建築物資料收集、建築物 節能效益評估、生命週期評估及成本效益綜合評估結果，並與一般屋頂比 較綠屋頂減碳、環境效益與成本；最後第五章總結。5
第二章 文獻回顧
綠屋頂於國外已研究發展多年，本章節主要探討綠屋頂國內外綠屋頂 之相關發展成果，回顧綠屋頂種類與效益及國內外綠屋頂之發展、綠屋頂 節能效益評估相關研究、綠屋頂生命週期評估相關研究及成本效益綜合評 估等主題，以下各節逐一說明之。2.1 綠屋頂種類與效益及國內外綠屋頂之發展
綠屋頂為於屋頂覆蓋土壤植被的屋頂型式，其基本分層為植被層、基 質層、過濾層、排水層、阻根層與阻水層(Lui, 2008; Kosareo and Ries, 2007)， 在分類上，可依介質層之厚度區分為薄層型(extensive)與密集型(intensive) 兩種，薄層型綠屋頂介質厚度在 5cm 到 15cm 之間，而密集型則是介於 15cm 至 120cm 之間，薄層型綠屋頂因受限於介質厚度，可種植之植物高度也因 此受到限制(Kosareo and Ries, 2007)；綠屋頂亦可由設計內容與施工方式分 為庭園式、盆栽式與薄層式綠屋頂(錫瑠基金會，96 年)，本研究研究薄層 式與庭園式綠屋頂的效益，案例之一信義區公所即為薄層式綠屋頂，而另 一案例台北市立建成國中則為庭園式綠屋頂。在綠屋頂環境效益部份，過往文獻曾將其分類為可否估計或轉化為當 量之別，表 2.1 為整理相關文獻(e.g., Carter and Keeler, 2008; Peuportier, 2001; 李，99 年)所列之環境效益與其計算單位或當量，包括節能減熱、減 少地表逕流、屋頂延壽、降低噪音、提升空氣品質、減緩溫室效應、減低 臭氧層破壞、減少酸沉降、減緩優養化、減少生物毒性、增加動植物悽地 /生物多樣性、熱島效應、增加建築美觀等效益，本研究利用建築耗能評估 軟體與生命週期評估軟體進行分析，評估面相為建築物節能、環境效益與 成本效益分析，唯部份環境效益，如減少地表逕流、提升空氣品質、降低
6 噪音及難以評估的熱島效應等對於單一建築物而言不易評估其效益，且考 慮人力有限，故本研究未納入考量。 表 2.1 綠屋頂效益 效益 估算方式 單位 估計 建築物節能 真值 MJ 可 減少地表逕流 真值 M3 可 屋頂延壽 真值 年 可 降低噪音 真值 分貝 可 提升空氣品質 當量 Kg CO 可 減緩溫室效應 當量 Kg CO2 可 減低臭氧層破壞 當量 Kg CFC-11 可 減少酸沉降 當量 Kg SO2 可 減緩優養化 當量 Kg PO43- 可 減少生物毒性 當量 風險 可 動植物悽地/生物多樣性 / / 難 熱島效應 / / 難 增加建築美觀 難
整理自 Carter and Keeler (2008); Peuportier (2001);李(99 年)。
綠屋頂的發展在歐美國家已相當普遍常見，例如 Casey Trees 基金會 (2005)曾計劃於美國華盛頓哥倫比亞特區進行再綠化(Re-Greening)擬在 2020 年時，將綠屋頂覆蓋面積提升至 20 萬平方英呎(20-20-20)；歐洲德國 亦積極推廣綠屋頂，該國所提出的 FLL 規範手冊(Landscape Research Development &Construction Society, 1975)亦經常為各國建置綠屋頂的重要 參 考 規 範 ； 瑞 典 亦 於 馬 爾 摩 (Malmo) 在 民 房 上 方 建 置 薄 層 式 綠 屋 頂 (Berndtsson et al., 2008)。亞洲部份，日本亦積極推動綠屋頂，如 2005 年完 成的昭合紀念公園、鐵父市歷史文化傳承館等(日經 BP 社，2006)，且已建 立手冊，亦有不少專業廠商提供綠屋頂的產品，已漸漸形成一個當地產 業。 國內綠屋頂目前則尚處於初期推廣階段，錫瑠基金會曾於吳興國小、 松山工農、信義區公所進行綠屋頂試作(錫瑠基金會, 98 年)；台北市產發局
7 亦在部份台北市區公所，如松山區公所、內湖區公所建置綠屋頂，雖然逐 漸增加，但建置數量仍不多，尚屬起步階段。 綠屋頂在推廣之初，有必要先評估其效益，以作為擬定相關政策之依 據，而唯效益評估應提供較全面性的評估數據，瞭解總體環境與經濟效益， 故本研究針對台北市與桃園縣內數個綠屋頂建築進行生命週期與成本效 益評估。
2.2 綠屋頂節能效益評估
綠屋頂主要節能效益源於頂層植物與介質隔絕與儲存太陽所傳遞之 熱通量(Barrio, 1998)，過去已有一些研究探討綠屋頂設置前後耗能變化進 行模式模擬；建築物進行耗能評估時，綠屋頂 U-value 為主要參數之一， 本節將對綠屋頂 U-value 計算與有關於建築物節能效益相關文獻進行回 顧。2.2.1
U-value
U-value 為計算建築材料熱通量值之主要參數，可用以估算建材的隔 熱能力，亦為建築物耗能模式模擬之重要參數之一，是推估綠屋頂節能效 益不可缺少的參數。Alcazar and Bass (2005)則曾進行綠屋頂 U-value 之實 驗，分析綠屋頂在不同含水率下之 U-value 估計值，在 0%至 80%含水率之 間之綠屋頂 U-value 值在 0.42 至 0.53 之間。U-value 亦 可 以 利 用 相 關 參 數 估 計 之 ， 例 如 USDOE (2010) 與 Barrio(1998)即曾提出一些熱通量估算公式，所使用之參數為葉面積指數 (Leaf area index, LAI) 、 葉 面 反 射 率 (Leaf reflectivity) 、 土 壤 熱 吸 收 率 (Conductivity of soil)、土壤密度與比熱等參數，估算綠屋頂之 U-value，唯 要取得這些參數須要進行更多實驗，故本研究並未採用。除上述公式外，
8 Baker (2011)亦提出一個估算 U-value 公式，該公式所需參數為室內外溫度、 材質熱通量等參數，這些參數較容易量測，故本研究主要採用此公式估算。 由於直接使用國外綠屋頂 U-value 可能造成評估上的誤差，故本研究以熱 通量計等儀器進行實驗實場及模場監測，並採用此公式估算臺灣地區綠屋 頂之 U-value。
2.2.2
以建築能耗模式評估綠屋頂節能效
綠屋頂節能效益主要分析綠屋頂建置後，因綠屋頂減少熱通量而使空 調或暖氣使用下降量作評估其節能效率，在建築物耗能模式部份，文獻中 使用過 Environmental Systems Performance-research (ESP-r)(Saiz et al., 2006; Clark et al., 2008)、eQuest (Kosareo and Ries, 2006)、與 Comfire (Peuportier, 2001)、One-dimensional heat flux equation(Clark et al., 2008)與 Energy Plus (Sailor, 2008; Clark et al., 2008)等模式進行分析，其中以 Energy Plus 與 ESP-r 較常用於綠屋頂節能效益評估，一般可利用建築物耗能模式模擬一 般屋頂年用電量或空調用量，再依據屋頂 U-value 以綠屋頂模式進行模擬， 並比較用電量變化及評估節能效益，以下介紹其發展與研究。ESP-r (Hand, 2010)為英國 Strathclyde 大學所發展之建築物耗能軟體， 現今支援多種系統，並開放程式碼供發展者開發使用；ESP-r 在操作部份， 與其他耗能模擬軟體相同，配合氣象資料、建材資料與配置資料，模擬實 際環境，並可將建築物分區比較不同區域內部耗能情況，現今程式已內建 建築物立體圖層繪製功能，方便模式建立，可供分析綠屋頂節能效益，綠 屋頂應用部份，過去 Saiz et al.(2006)利用 ESP-r 分析綠屋頂建築各樓層之 節能效果，其結果顯示建築物 16 個分層中，位於頂層兩個分層節能效果 較顯著，且最上層有 20%以上之節能效益，遠離綠屋頂的樓層則節能效益 會降低，節能效益主要集中於前三層。
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eQuest (LBNL, 2010)則為美國 Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)所開發一個便捷建築物耗能模擬軟體，目前已有 20 年開發歷史， 其所使用核心為 DOE-2，可設定三種不同日工作型式，如平日、假日或節 日；在使用上可以利用 Wizards 模式方便內部參數輸入，並可以利用直接 輸入建築物圖層檔，快速建立建築物耗能模式；使用資料部份亦與其他耗 能模式相似，需輸入空調資料、氣象檔、建築資料等，在氣象檔部份，可 以支援不同氣象資料，如 TMY、TMY2 等，在綠屋頂節能效益評估上，過去
Kosareo and Ries(2006)在進行綠屋頂生命週期評估研究時即曾使用 eQuest 模式模擬薄層式與密集型綠屋頂進行節能分析，一年每單位綠屋頂約可以
減少 8.70 至 17.39kWh/m2/年左右之能源消耗。
一維熱傳公式(One-dimensional heat flux equation, 1D-HF)主要依據 U-value、室內外溫度差、表面積等參數估算熱通量，過去 Clark et al.(2008) 分析綠屋頂環境效益曾利用 1D-HF 法依據綠屋頂與一般屋頂之 U-values、 逐時氣象檔估算各小時兩種屋頂熱通量差異，並利用空調系統每千瓦小時 耗能$0.8/KWh 與天然氣暖氣機耗能$0.2/KWh 比較兩種屋頂年電費花費差 異，本研究採用此方法估算並與 Energy Plus 模擬結果進行比較。
Energy Plus 為美國能源局(USDOE, 2012)所開發，主為核心為 building loads Analysis and System Themodynamics(BLAST)和 DOE-2，主要供模擬建 築物內部份熱流情況並據以推估空調使用情形，近年亦新增 Life Cycle Cost (LCC)分析功能，Sailor (2008)曾以該模式模擬休士頓與芝加哥建置綠 屋頂情況下，各月份空調與暖氣設備使用下降量，結果發現兩案例在空調 系統節能量單年約有 1360GJ 至 1535GJ，節約量約 2%。Clark et al.(2008) 亦曾用 Energy Plus 評估綠屋頂節能效益，並與其他模式，如 ESP-r 與 1D-HF 法結果進行比較，本研究亦採用 Energy Plus 評估綠屋頂節能效益，並與依 據 1D-HF 公式估算結果比較。
10
上述各建築物耗能模式階能用於評估綠屋頂節能效益，其中 Energy Plus 除與其他建築物耗能模式如 ESP-r、eQuest 相同，係利用空調資料、 建築藍圖與建材資料、所在地氣候資料、內部人員、照明與電器用量、開 窗率、天花板面績單位人口熱發散率(heat load of per person)等資料，分析 建築物耗能、空調用量、暖氣、室內通風…等建築資訊外，Energy Plus 可 配合葉面積指數(Leaf area index, LAI)、葉面反射率(Leaf reflectivity)、土壤 熱吸收率(Conductivity of soil)、土壤密度與比熱等參數模擬綠屋頂材質 U-value，建立綠屋頂環境，評估綠屋頂節能效益，在模式建立部份，Energy Plus 雖無如 ESP-r 內建建築物圖層程式，但可以使用 Google SketchUp 外 掛程式 Oper Studio (USDOE,2012)，以構圖方式輸入建築物空間配置，且 考慮 Energy Plus 較能有效模擬綠屋頂環境，本研究使用 1D-HF 法與 Energy Plus 兩方法評估綠屋頂節能效益。
2.3 綠屋頂生命週期評估
生命週期評估是指對一產品各階段，從原料、生產、使用至回收或廢 棄評估其對環境之衝擊影響，評估面向一般包括溫室效應、臭氧層破壞、 氣候變遷、健康風險…等，本研究採用此方法評估綠屋頂的環境效益，以 下主要回顧綠屋頂之生命週期評估研究及常用評估模式等相關文獻。2.3.1
綠屋頂生命週期評估
生命週期評估是評估綠屋頂環境效益時常用的方法之一，Kosareo and Ries (2007)曾針對薄層型及密集型兩種型式之綠屋頂，與一般屋頂利用 Impact 2002+方法(Humbert et al.,2005
)進行 LCA，其主要評估截水與水質 (Storm water quantity and quality parameters)、臭氧層破壞(ozone layer depletion)、酸沉降(Acid deposition)、非生物資源之消耗(abiotic depletion) 與全球暖化(global warming)等環境衝擊，兩類型綠屋頂對環境衝擊皆較一11 般屋頂少，且密集型綠屋頂環境衝擊減量較薄層型綠屋頂多，各面向減少 量皆在 50%以上，並以單一級分進行評估，薄層式綠屋頂約較一般屋頂衝 擊量少 50%，本研究雖有密集型綠屋頂進行節能效益評估，唯因其建置年 代久遠，不易進行 LCA，故本研究主要針對薄層型綠屋頂進行 LCA，唯 由於水質淨化部份分析上較為困難，故本研究未納入分析。
Saiz et al.(2006)則針對馬德里一棟大樓使用 Simapro 5.0 進行綠屋頂生 命週期分析，將綠屋頂分為原料(materials)、使用(Use)、維護(Maintenance) 三階段，先對一般屋頂(White roof)就非生物資源消耗、全球暖化、臭氧層 破 壞 、 對 人 之 毒 性 (human toxicity) 、 酸 化 (acidification) 、 優 養 化 (eutrophication)等項目進行評估，並就建置綠屋頂後各項環境衝擊進行比較 以分析其環境效益，其結果顯示在綠屋頂生命週期 50 年中，上述各項環 境效益皆有 1%~5.3%，其中以非生物資源之消耗與優養化兩項較為明顯， 皆在 5%以上，此外從結果亦可以發現，綠屋頂在使用階段，相較原料與 維護階段暫有過半以上的比例，可以瞭解綠屋頂環境效益主要是在使用階 段，本研究利用生命週期評估分析綠屋頂環境效益，以利於後續成本效益 評估之依據。
2.3.2
生命週期評估工具
LCA 主要評估流程為決定邊界與目的、列表、進行環境衝擊分析及統 計比較，衝擊評估方法則包括 Eco-indicator 95、impact2002+ (Humbert et al., 2005)、CML2 等。LCA 工具則包括 Boustead Model (BCL, 2011)、Gabi (PE company, 2011)、Simapro (Humbert et al., 2005)、JEMAI LCA (JEMAI, 2007)、 Eco-report (VHK,2011)、及國內工研院發展的 DoITPro 等，本節主要介紹 本研究群已有建置的工具 Simapro。12
Boustead Model (BCL, 2011)為歐洲 BCL 所開發之環境衝擊評估軟體， 可以衝擊評估方法 impact 2002+進行評估，應用於工業製程，評估污染排 放所造成之影響，使用者可以自行增加污染排放資料，如廢水、空污等。 Gabi (PE Company, 2011)則是由德國 Stuttgart 大學與 PE Company 所共同開 發之生命週期評估軟體，可針對工業製程、建材評估、農畜牧業環境影響 等方面進行生命週期評估。Eco-report (VHK, 2011)則為荷蘭 Van Holsteijn en Kemna 所發展，可計算產品 LCC 亦可分析產品各階段之環境衝擊，亦 內建衝擊指標供估計環境衝擊使用。JEMAI LCA (JEMAI, 2007)為日本社 團法人產業環境管理協會所建立之生命週期軟體，所使用資料庫為日本的 資料，加權處理後輸出結果。因本研究群目前已建置 Simapro，且在園藝 材料部份資料庫較為完整，本研究採用此軟體進行綠屋頂環境效益評估。
Simapro (Goedkoop, 2008)為荷蘭發展之 LCA 工具，是國際上經常使 用的 LCA 軟體之一，依據原料開始至成品過程中所使用各種物品進行 LCA， 以下為 Simapro 模式之功能特色： 1. 可以將產品分為原料、使用與廢棄三部份進行評估，以瞭解各部 份對環境之影響。 2. 可以比較產品依不同製程製造之差異。 3. 可將數據進行整理，標準化、特徵化。 4. 內建歐盟地區、美國與 ISO 之環境法規規範。 5. 提供輔助介面便於使用者建立產品生命週期。
6. 提供 Eco-indicator 95、impact2002+、CML 2 等 LCA 衝擊評估方 法。
Simapro 模式對於工業製程、建材評估、農畜牧業等方面生命週期，皆有 資料庫，亦可以配合不同環境衝擊係數估算環境衝擊，本研究利用 Simapro 模式，輸入兩案例建築綠屋頂使用材料，比較與一般屋頂環境衝擊差異，
13 以分析綠屋頂環境效益，因為 Simapro 資料庫在綠屋頂材料部份較為完整， 故本研究採用 Simapro 進行綠屋頂效益評估。
2.4 綠屋頂成本效益分析
綠屋頂因初設成本較一般屋頂高，但長期而言其效益預期較好，故有 必要進行生命週期成本效益分析，且與一般屋頂的成本比較，Clark et al., (2008)以 40 年為基準評估比較綠屋頂與一般屋頂的環境效益及成本，考量 延長屋頂壽命、截留雨水及節能等效益，其結果發現綠屋頂約比一般屋頂 少 20.3-25.2%的成本，若再考量空污減量效益，則可進一步下降為少 24.5-40.2%; Niu et al.(2010)延續前一研究且針對華盛頓哥倫比亞特區中綠 屋頂進行成本效益分析，其指出成本會隨著設計與功能不同而不同，依其 調查，薄層型綠屋頂成本平均為 US$306/m2，標準差為 US$44.56/m2，維 護費為美金 13 至 21 元/m2，唯其假設二年後植物長成後才需要故未納入考 量，其評估截水與降溫節能效益，及配合電廠空污排放係數估算空污減量 效益，綜合比較結果發現綠屋頂約比一般屋頂少 30-40%；Carter and Keeler. (2008)則曾針對不同類型建築物推估一般屋頂與綠屋頂初設與維護成本總 合分別為 US$83 與$155 元/M2，但假設綠屋頂可延長一般屋頂至少一倍的 壽命，並將截水、節能、淨化空氣等效益利用雨水設施費、電費與 NOX 處理費用轉換經濟效益，並據以進行成本效益分析，且就社會與個人效益 部份分別比較，結果顯示綠屋頂可減少污水處理單元 US$9.06/m2，節能與 淨化空氣則減少 US$0.37 與 0.11/m2，個人部份可少交雨水措施費 US$0.04 元/m2，顯示綠屋頂成本效益優於一般屋頂可看出綠屋頂可減輕環境衝擊及 節能;Wang, et al. (2010)則針對新加坡綠屋頂進行生命週期成本分析，在初 設與維護成本部份，綠屋頂成本較一般屋頂高，但考慮綠屋頂節能效益與 成本比較結果顯示，在其生命週期中，綠屋頂總成本是低於一般屋頂。由14 上述研究中，可看出綠屋頂雖然初設成本較高，但所有研究都顯示在其生 命週期下，比一般屋頂更具成本效益，唯這些國外的數據不見得適用於國 內，故本研究依據國內的情形評估綠屋頂的成本效益，並與一般屋頂作比 較，本研究除了設置維護成本以外，亦考量降溫節能的效益，雖然本研究 亦會進行生命週期評估，分析綠屋頂與一般屋頂對各面向環境衝擊的差異， 但不會納入成本效益計算中，由於本研究群另有研究評估截水及空污減量 的效益，故本研究亦未將這二項效益納入考量。
15
第三章 研究方法
本研究主要目的為評估綠屋頂對建築物之降溫節能效益與進行生命 週期評估，分析綠屋頂各階段環境效益，且推估其成本，以及綜合分析綠 屋頂成本效益，以供綠屋頂推廣相關規劃與決策參考。本章首先概要說明 研究流程，之後針對主要研究內容，包括案例資料收集與整理、綠屋頂生 命週期評估模式與綠屋頂耗能模式建立、綠屋頂成本推估、綠屋頂成本效 益綜合評估等一一詳細說明之。3.1 研究流程
本研究流程如圖 3.1 所示，主要分為資料收集與整理、綠屋頂耗能效 益評估模式建立、綠屋頂生命週期評估模式建立、綠屋頂成本推估、綠屋 頂成本效益綜合評估等五大部份，以下 概要介紹各部分： 1. 資料收集與整理：資料收集部份包括綠屋頂節能與生命週期評估 相關模式方法、國內外屋頂 U-value 計算方法與內部熱源估算規 範、氣象資料庫等相關文獻，並收集整理數棟建築模式建立所需 之相關資料，包括建築平面圖、內部熱源資料或估算方法、空調 設置資料、標準氣象年資料、綠屋頂建材與成本資料等整理。 2. 綠屋頂節能效益模式建立：本研究使用紅外線熱像儀、熱通量計、 感溫線…等儀器實地測量綠屋頂植被之 U-value，以供模式模擬綠 屋頂節能效益，輸入建築物平面圖、空調配置與內部配置與林(建 築物能源管理網站，民國 97 年)所提出台灣氣象標準年台北標準 氣象資料…等資料，並以 Energy Plus (USDOE, 2012)建立建築物 耗能模式，評估綠屋頂節能效益。16 3. 綠屋頂生命週期評估模式建立：生命週期評估主要考慮綠屋頂與 一般屋頂在生命週期期間對環境效益與衝擊之差異，本研究使用 Simapro (Goedkoop, 2008)模式進行評估，唯資料庫部份雖有工研 院自建資料庫，但取得困難，故 Simapro 部份為使用內建荷蘭資 料庫(Goedkoop, 2008)。 4. 綠屋頂成本推估：為了進行後續的成本效益評估，本部份主要為 收集數棟建築物綠屋頂建置所需之建材、基質、植被與其他耗材 成本，估算建築物綠屋頂建製所需成本。 5. 綜合成本效益評估：本研究先比較建築物空調使用變化量轉換為 電費與綠屋頂估算建置成本作比較，初步瞭解其經濟效益，此外， 亦分析其他環境效益，如溫室效應氣體減量等，最後進行綜合成 本效益評估。
17
18
3.2 案例資料收集與整理
本研究針對數棟案例建築物進行研究，節能效益部份對交大環工館、 建成國中與信義區公所進行模擬，生命週期評估部分則針對信義區公所與 大溪高中進行，以下將交大環工館、建成國中、信義區公所與大溪高中簡 稱為案例建築物 A、B、C 與 D。其中信義區公所綠屋頂為臺北市錫鎦基 金會所建置，因大溪高中綠屋頂下方教室未安裝空調，雖然有降溫效益， 但預期節能效益不大，故本研究未針對它進行節能效益分析。而交大環工 所尚未設置綠屋頂，故無法進行生命週期評估，建成國中則因建置年代久 遠，故未納入生命週期評估。 為了比較綠屋頂之環境效益，在資料收集與整理部份，本研究需收集 建築物相關資料供 Energy Plus 模式模擬評估綠屋頂節能效益；另一部份， 生命週期評估模式則需收集綠屋頂建置之相關材料與成本資料等，以配合 模式之估算與後續綜合成本效益評估分析之用。以下重點說明 Energy Plus 模式、生命週期與成本效益評估所需之建築物與綠屋頂資料。 Energy Plus 輸入需要收集以下資料： 1. 建築物地理資訊，包括緯度、時區、高程與各月地表溫度等資料。 2. 人員與電器使用隨時間變化情況，國定假日日期，是否採用補假 原則等資料。 3. 建築物牆面、屋頂、地板、窗戶所使用建材資料，包括建材之 U-value 值。 4. 建築物平面圖，包括內部空間隔間、高度與空調配置資料。 5. 照明、電器與人員容量與用電密度資料。6. 空調資料，包括送風量、性能係數(Coefficient of performance, COP) 等資料。
19 以下為三棟案例建築物節能效益評估方式： 1. 案例 A：交大環工館部份，目前並未建置綠屋頂，故本研究依據 案例建築物 D 所測量綠屋頂 U-value 結果，模擬在該建築建置綠 屋頂的節能效益。 2. 案例 B：建成國中部份，本研究主要模擬比較厚層綠屋頂下方教 室與未建置綠屋頂下各月份耗能差異，並據以分析節能效益。 3. 案例 C：信義區公所主要為分析綠屋頂建置前後，各月分用電量 變化情形。 生命週期與成本效益評估則除了一些基本資料以外，主要收集以下資 料： 1. 一般屋頂材質資料，主要為鋼筋結構層上方防水隔熱層部份材質 資料。 2. 綠屋頂組成資料，包括植被、基質與厚度、培養土、下方過濾棉 與排水板材料與用量。 3. 一般屋頂及綠屋頂建置成本，包括各層成本、維護與更新花費。 4. 其他綠屋頂相關設施材質資料，包括產地、維護時間與材料使用 量。 5. 綠屋頂各層所含材質、用量、比例與比重。 由於未取得臺灣本土生命週期評估資料庫，故本研究採用 Simapro 軟 體及其內建資料庫進行生命週期評估。 生命週期評估主要是針對案例 C 及 D，案例 C 為錫鎦基金會委外建製， 綠屋頂面積 590m2，案例 D 則是由大溪高中師生所建置，綠屋頂面積 36m2， 綠屋頂分層材料項目與用量如表 3.1 所列，用量主要依材料比重與面積估 算，下方的一般屋頂組成則請教林建成建築師事務所而得，亦列於該表中，
20 為鋼筋結構層上方部份，含防水隔熱層。 表 3.1 案件建築物綠屋頂資料 信義區公所 用量(Kg) 大溪高中 用量(Kg) 綠屋頂部份 植被 植被 培養土 75000 陶粒 864 PVC 蓄排水版 588 培養土 1620 透水墊布 3.54 排水板 64 抗根酸 PE 防水布 30.04 過濾綿 1 屋頂部份 五角水泥磚 36580 保麗龍 117 保麗龍 0.00185 發泡混凝土 40710 輕質混凝土 4140 油毛氈 2950 油毛氈 180 水泥砂漿 21240 水泥砂漿 1296 其它原料組成，如水泥砂漿與發泡混凝土等、運輸部份資料，於 4.3.2 節 說明之。
21
3.3
綠屋頂節能效益評估
本節主要說明如何評估綠屋頂節能效益，首先說明如何依前一節所建 立的 U-value 推估綠屋頂隔熱節能效益，之後說明如何建立 Energy Plus 模 式，包括所需輸入之參數與模擬流程，然後依據模擬結果進行節能效益評 估，亦與依 U-value 所得結果比較。
3.3.1
U-value
因綠屋頂隔熱降溫推估與 Energy Plus 模式模擬皆須使用 U-value，國 外依屋頂類型與植物種類有整理出其估計值(Hilten et al., 2005 ; Clark et al., 2008)，但是考慮國外氣候與臺灣地區差異，且在綠屋頂分類上較不精細， 直接使用上可能會產生誤差；國內雖然亦有綠建築屋頂 U-value 規範與計 算軟體（內政部營建署），唯並未提供綠屋頂的 U-value，故本研究於桃園 縣大溪高中綠屋頂及模擬綠屋頂以熱通量計、感溫線、資料收集器、熱像 儀等儀器實測等數值，然後依以下兩公式(Baker, 2011)估算 U-values： 𝑈𝑡 = ∑𝑖=𝑡0 𝑄𝑖 ∑𝑖=𝑡0 𝑇𝑖𝑖−∑𝑖=𝑡0 𝑇𝑒𝑖 (𝑊 𝑚⁄ 2𝐾)... (3.1) 𝑈𝑡 =∑ 1 ∆𝑇𝑠𝑖 𝑖=𝑡 0 ∑𝑖=𝑡0 𝑄𝑖 +𝑟𝑖𝑛𝑡+𝑟𝑒𝑥𝑡 (𝑊 𝑚⁄ 2𝐾) ... (3.2) 其中𝑈𝑡為 U-value；𝑄𝑖為熱傳透量；𝑇𝑖𝑖與𝑇𝑒𝑖為室內與室外溫度；∆𝑇𝑠𝑖為內 外牆面溫度差；𝑟𝑖𝑛𝑡與𝑟𝑒𝑥𝑡則是為了修正內外牆面空氣層所造成 U-value 變 化 的 常 數 ， 一 般 設 為 內氣膜𝑟𝑖𝑛𝑡 = 0.13 𝑚2𝐾⁄𝑊 與 外 氣 模 𝑟𝑒𝑥𝑡 = 0.04 𝑚2𝐾⁄ (內政部營建署，2010)，以下式 3.1 簡稱 U-air，式 3.2𝑊 簡稱 U-surface。 測量過程如下： 1. 量測表面及室內外溫度：使用感溫線與溫濕度計收集室內外溫度
22 資訊，室內外各配置兩條懸空感溫線，此外亦利用感溫線收集天 花板及基質土表面溫度，上表面與下表面各一條感溫線，用以計 算內外溫差。 2. 量測熱通量：安置熱通量計於綠屋頂及無綠屋頂對照組的下方室 內，綠屋頂及對照組屋頂下方天花板均各置 3 具熱通量計，綠屋 頂下方配置位置為兩塊較高植物覆蓋度與一塊覆蓋度較低之綠屋 頂下方，一般屋頂位置則與綠屋頂相對位置相應，以資料收集器 收集其熱通量數據。 3. 資料收集器記錄頻率：每 2 分鐘一次。 4. 量測時段：由於綠屋頂遇雨會改變綠屋頂 U-value，故本研究收集 至少 10 天乾燥綠屋頂狀況下之溫度與熱通量值變化。 資料分析方法部份說明如下： 1. 資料收集器所收集資料格式為逗點分隔之.dat 檔，包括日期時間、 預設各測點點溫度、各點熱通量值，利用 Excel 輸入一表格，事 後直接收集之資料黏貼上去即可算出各點熱傳導係數變化情形與 圖表。
2. 利用式 U- air 與式 U- surface 估算綠屋頂 U-value。
3. 分析一般屋頂與綠屋頂室內外溫度差距、綠屋頂表層與底層溫度 差異變化。 本研究亦採用 FLIR T335 紅外線熱像儀量測屋頂及綠屋頂表面溫 度， 所測得的溫度除了可取代部分感溫線所測的溫度，以此方式量測可測 量整個面各點的溫度，可據以分析平面空間上的溫度差異。 由於測量之綠屋頂 U-value 為含屋頂之值，故需利用下式計算薄層式
23 綠屋頂 U-value： 1 Ut = 1 UGR+ 1 UCR ...(3.3) 其中 Ut為綠屋頂與一般屋頂 U-value 總合；UGR與 UCR分別為綠屋頂與一 般屋頂 U-value 值，經計算後即可知綠屋頂 U-value。 以上實測所使用儀器及詳細步驟與說明請參見附錄 A。
3.3.2
以 U-value 推估屋頂隔熱節能效益
本研究採用 1D-HF 法(Clark et al., 2008)推估一般屋頂與綠屋熱通量， 雖然近年台灣冬天也漸漸更冷，但以往台灣冬天暖氣用得不多，故本研究 並未考量這部分的效益，主要考量天氣較熱時的降温減少空調的效益，且 假設攝氏 26 度以上才開空調，本研究所採用的公式如下列。 ∆Q = (𝑈𝐶𝑅 − 𝑈𝐺𝑅) × A × (T − 26)... (3.4) 其中 ∆Q：熱通量變化(heat flux, W)。 𝑈𝐶𝑅− 𝑈𝐺𝑅：綠屋頂與一般屋頂 U-value 差值 (W/m2/K)。 A：綠屋頂面積(m2)。 T：室外溫度(K)。 式(3.4)中各項參數資料來源如下： 𝑈𝐶𝑜𝑚𝑐𝑟𝑒𝑡𝑒 − 𝑈𝐺𝑟𝑒𝑒𝑛 𝑅𝑜𝑜𝑓： 本 研 採 用 於 大 溪 高 中 自 行 測 量 之 綠 屋 頂U-value 值，此處綠屋頂 U-value 係指綠屋頂與下方屋頂總 U-value， 一般屋頂部份，本研究採用屋頂材質資料估算 U-value 值。
A：面積部份因主要為比較綠屋頂與一般屋頂熱通量差異，故採用綠 屋頂面積。
24 T：本研究利用氣象標準年逐時資料為室外溫度，因本研究設定內部 空調系統溫度控制於 26 度，故(T − 26)。為室外溫度與控制溫度 之差值。 氣象檔為逐時資料，本研究假設單位小時內熱通量為定值，故計算出之熱 通量值單位為 Wh。
3.3.3
Energy Plus (E+) 介紹
Energy Plus(以下簡稱 E+)(USDOE, 2012) 是由 American Energy Usage Statistics 所開發，軟體核心主要源至於 Building Loads Analysis and System Themodynamics(BLAST)和 DOE-2，上述兩系統主要是用於設計室內空調 大小、分析室內熱流分佈，供規劃空調系統設置大小及分析建材隔熱能力， 使用者輸入建築物平面圖與材質資料分析熱流或計算空調使用情形，發展 至今已開發許多外掛程式，如 Design Builder (Chambers, 2011)、Open Studio(USDOE, 2012)，可直接利用 Energy Plus 核心作簡單建築耗能分析 或方便其快速建立建築物模型、更改建材性質、HVAC 設定等，但主要耗 能估算仍由 Energy Plus 運算；除了應用於建築空調規劃外，近年亦新增 Life Cycle Cost(LCC)分析功能，應用於綠建築之降溫節能研究，可以模擬 建築使用綠建材環境，如 E+於材料部份可以利用相關參數，建立綠屋頂 (EcoRoof)環境，唯所需輸入之參數，如 LAI、葉面反射率等資料取得較困 難，故本研究未改用，主要依據綠屋頂的以 U-value 模擬綠屋頂下的隔熱 效能。以下首先說明 E+所需的氣象資料，然後說明如何建立 E+模式，包 括其所需的重要參數輸入。
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3.3.4
氣象資料
為模擬建築物溫度變化，需配合氣象檔，氣象資料可分為兩種，一為 長時距的實際氣象資料，另一為具代表性的合成氣象資料，由於長時距模 擬頗費時費工，且臺灣地區近年來氣候變化趨劇，短期的氣象資料可能無 法代表長時間之氣象情形(林，94 年)，故本研究使用林(97 年)所提出之標 準氣象年台北與新竹地區資料以供模式模擬。3.3.5
E+模式建立
建立案例建築物 E+模式時，主要包括建築物地理位置(Location)、空 調電器與人員變動時程(Schedules)、建材材質(Construction)與建築模型 (Zone)、內部熱源(Internal gains)、空調(HVAC)、輸出資料設定(Output reporting)等部份，於本節說明。 1. 建築物地理位置:本研究輸入三棟案例建築物之經緯度、高程、與 北方之偏差角度、所在地區類型與時區等資料，另須決定欲模擬 之時間區段，本研究模擬一年中各月份之空調與一般用電狀況， 亦須輸入補假原則。 2. 空調電器與人員變動:輸入臺灣地區國定假日與考慮辦公室與學 校人員與用電隨時間變化情況，建立使用變化時程，以供模式據 以模擬空調與室內熱流量變化。 3. 建材材質與建築模型: 本研究建立三維建築模型，將欲分析節能 效益之建築由頂層而下分成數區，評估各層之節能效益，本研究 使用區公所與校方所提供之建築平面圖，包括建築平面圖與建材 資料、內部空間高度、內部空調配置位置相關資訊，並利用繪圖 軟體 Sketch Up 8 配合 Energy Plus 外掛程式 Open Studio 進行建築26 物外部資料與建材輸入，部份建築材料參數如無法取得，本研究 輸入材質相近 RC 結構材料參數、U-value 之建議值進行模擬。 4. 內部熱源與空調輸入部份：因各樓層內部實際人員數與電器與照 明設備使用資訊用電密度的收集上有所難度，故此部份本研究部 份資訊依物建議值輸入。燈具使用資訊公式 (內政部營建署)如 下： W M2 = (安定器瓦特數+燈館瓦特數)×N A ... (3.5) 其中 A 為被照面積；N 為燈管數量。 本研究利用式(3.5)估算用電密度，以供建築物耗能模式利用，唯 人員數在資料收集上較為困難，本研究使用建議值估算。 5. 電器用電密度:因電器複雜且資料取得困難度高，本研究利用建築 物用電參考指標(經濟部，100 年)所提供之用電密度建議值輸入。 6. 室內空調資料：主要收集案例 A、B 及 C 之空調資料，包括空調 風量、空調 COP 值、空調噸數等資料，其他部份主要採用空調系 統建議值或內建值。案例 A 資料使用管理者所提供資料輸入之， 其上方目前並無綠屋頂，本研究主要依據利用實驗所得之綠屋頂 U-value，據以模擬該案例建立綠屋頂之節能效益。 案例 B 主要為教室區，用電情形較單純，本研究實際輸入燈具數、人 口、空間配置與空調資料進行模擬，模擬方式亦為更改教室上屋頂 U-value， 比較綠屋頂與一般屋頂差異。 案例 C 資料為管理者所提供，雖未能測量所方綠屋頂 U-value，唯其 綠屋頂排水板型式、介質厚度與大溪高中相似，故 U-value 利用於大溪高 中所測得薄層綠屋頂 U-value 輸入之，唯內部人員數與電器使用量估計困
27 難、本研究利用辦公室類建築物用電參考指標(經濟部，100 年)所提供之室 內電器用電建議值輸入，燈具用電量則使用燈具、點燈器瓦數與燈具數量 等實際資料輸入之。
3.3.1. 綠屋頂節能效益評估
綠屋頂節能效益部份，本研究利用案例建築物 A、B 與 C 資料，以測 得之 U-value，利用 1D-DF 法估算綠屋頂節能效益，並建立 Energy Plus 模 式估計其節能量，並比較兩模式節能結果。3.4 綠屋頂生命週期評估
本節主要說明如何以 Simapro 軟體針對案例建築物進行綠屋頂生命週 期評估，以下首先就各小節分別就評估範圍、參數輸入、減碳與環境效益 評估說明之。3.4.1
Simapro 生命週期評估軟體操作步驟
由於國內目前並沒有公開的 LCA 資料庫可供使用，故本研究採用國外 Simapro(Goedkoop, 2008)軟體進行 LCA 分析，以下簡介 Simapro 軟體。Simapro(Goedkoop, 2008)為荷蘭所發展的生命週期評估軟體，為常用 的生命週期評估軟體，Simapro 可以提供不同環境衝擊估算方法，雖常用 於工業製程與產品的生命週期評估，但亦可用於其他方面，內建資料庫有 提供農業、建材等相關資料供估算環境衝擊，此軟體可提供綠屋頂模擬建 置階段所使用之原料資料、使用與後續廢棄處理所造成各種環境衝擊量， 亦可供與一般屋頂比較在原料、使用與廢棄各階段之環境衝擊差異，以分 析綠屋頂環境效益，軟體使用部份，Simapro 主要是用選單式或文字方式 進行輸入，主要分為以下五個部分：
28 1. 建立專案：敘述名稱、內容、目的與說明。 2. 原料資料輸入：以內建資料或自行建立，Simapro 已建立數個領 域，包括農業、塑膠、建材等部份。 3. 組裝成品：主要為對成品與原料進行聯結，並輸入在組裝時所使 用之機具消耗電力、油料使用或運輸等資料。 4. 使用資料：主要用於考慮產品在生命週期間，在使用上所衍生之 環境影響。 5. 評估方法：為選擇生命週期評估中，環境衝擊部份之加權方法。
3.4.2
LCA 進行程序
依據 ISO14040 (ISO, 2006)，LCA 進行程序一般分為（1）目標定義及
範 疇 界 定 (Goal definition and Scoping); (2) 生 命 週 期 盤 查 (Life Cycle Inventory, LCI); (3)生命週期衝擊評估(Life Cycle Impact Assessment ,LCIA); (4)(?) Life Cycle Interpretation; (5)結果與報告(Reporting and Results)等五個 步驟。Elsa(2008)曾依此程序針對香港薄層與密集式綠屋頂及一般屋頂進行 LCA，本研究亦是採用類似的程序進行 LCA，以下各小節一一說明本研究 如何進行這五個步驟比較國內一般屋頂與綠屋頂對環境衝擊的差異。 3.5.2.1目標定義及範疇界定(Goal definition and Scoping)
本研究對綠屋頂進行 LCA 主要目的為評估案例建築 C 及 D 綠屋頂在 生命週期間的各種環境衝擊，且與一般屋頂比較其間之差異，進而據以分 析綠屋頂在生命週期間對各環境面向之可能效益。
本研究評估範圍主要為分析兩案例建築物薄層型綠屋頂與一般屋頂 環境衝擊差異，綠屋頂與一般屋頂與評估範圍包括原料使用、運輸、使用、
29 維護與置換、廢棄等部份。運輸部份，由於無法取得各材質詳細的生產資 料，故本研究假設綠屋頂各材料皆於臺灣地區製造，以各材料廠商出貨地 點至案例路程作為運輸部份距離依據，以下說明案例 C 與 D 的評估範疇， 案例 C 評估以下部份： 1. 綠屋頂建材原料：本研究收集綠屋頂建材所含原料與份量，運輸距 離則是如上述說明，以各材料廠商出貨地點至案例路程作為依據， 廢棄部分依據 Chen et a., (2001)之研究指出約只佔總衝擊的 1%，故 本研究未納入。 2. 綠屋頂使用部份：案例 C 部份，本研究分析節能所產生之環境效益， 但因為未收集截水資料，故本研究未分析綠屋頂在截水部份環境效 益，綠屋頂植物更新年限則依 Wong, et al. (2003)之假設為 15 年。 3. 綠屋頂生命週期：本研究依據 Carter and Keeler, (2008)之研究，本 研究假設一般屋頂壽命 10-20 年，且綠屋頂可延長屋頂壽命至 40 年，故分析期間以 40 年為基準。 案例 D 在生命週期評估範疇部份說明如下：綠屋頂建材原料：此部份 與案例 C 評估方式相同，收集案例 D 相關綠屋頂資料。 1. 綠屋等使用部份：因為案例 D 未進行綠屋頂節能效益評估，故在 使用部份本研究未進行節能部份環境效益評估；且與案例 C 相同， 案例 D 未分析截水部份環境效益。 2. 綠屋頂生命週期：與案例 C 相同，假設綠屋頂生命週期為 40 年。 一般屋頂部份，主要考慮為結構層上方可更換部份，即為鋼筋混泥土 上方隔熱排水層，包括水泥砂漿、毛油氈、發泡混凝土或輕質混凝土、保 麗龍、頂層水泥磚，由上述假設進行生命週期評估，在 40 年週期中，上
30 述一般屋頂各原料，約每 10-20 年需更換一次。 3.5.2.2 生命週期盤查(LCI) 接下來進行 LCI 分析，此部分主要分成以下數個步驟進行： 1. 原物料資料收集：本研究對二個綠屋頂及一般屋頂組成資料各部份所含 原料，包括重量，厚度與比重進行整理，以瞭解使用量。 2. 評估資料：因國內生命週期盤查資料庫取得不易，故部分資料主要採用 Simapro 7 LCA 軟體所提供之資料。 3. 操作階段能源耗用：除了建置維護與運輸等，本研究亦採用能耗模式評 估節能效益結果，評估方式請參見 3.4 節之說明。 3.5.2.3 生命週期衝擊評估(LCIA) LCIA 主要評估生命週期間對於各面向的影響，本研究採用常用的 CML 2 (Saiz et al., 2006)與 Impact2002+ (Humbert et al., 2005 )兩方法， CML 2 可評估大部份環境衝擊，而 Impact 2002+ 則可以依據四類衝擊分 別給予單一級分，比較上較方便，二個方法對於各環境衝擊當量採用不同 加權模式，即利用當量方式估算各材料所產生或排放之環境影響物質， CML 2 評估面向主要包括臭氧層破壞(Ozone layer depletion)、酸沉降 (Acidification)、人類毒性(Human toxicity)、優養化(Eutrophication)、海洋 生態毒性(Marine aquatic ecotoxicity)、水中生物毒性(Fresh water aquatic ecotox)、陸域生物毒性(Terrestrial ecotoxicity)、全球暖化(Global warming)、 光化學煙霧(Photochemical oxidation)、資源耗損(Abiotic depletion)等面向， Impact2002+單一級分則是評估對人類健康(Human Health)、生態系統品質 (Ecosystem quality)、氣候變遷(Climate change)與自然資源(Resources)等四 部份衝擊，故本研究應用兩模式進行 LCIA，並與一般屋頂比較其間之差
31
異。
3.5.2.4 闡釋結果(Life Cycle Interpretation and Reporting) 本研究分為兩大部分討論及比較所得結果。 1. 原料的環境衝擊: 本研究分別就綠屋頂及一般屋頂建置原料(含運輸)所 造成的環境衝擊進行評估，先分析一般屋頂 20 年、15 年及 10 年等三個 不同壽命下各項環境衝擊量，再與綠屋頂(含一般屋頂，但假設延長其壽 命至 40 年，中間不必更換)環境衝擊進行比較，比較兩者各項環境衝擊 差變化量，評估綠屋頂在原料部份的環境效益。 2. 建築能耗:節能效益評估方法請參見 3.4 節，本研究就案例 C 結果，評估 綠屋頂在 40 年期間節能效益的各項環境衝擊減少量，唯案例 D 未進行 節能效益分析，故未評估此部份環境效益。 綜合討論及比較不同屋頂的環境衝擊，依上述結果綜合討論及比較綠屋頂 與三種壽命一般屋頂的環境衝擊差異，並據以分析綠屋頂環境效益。
32
3.4.3
資料庫參數輸入
在綠屋頂原料、使用維護部份，為供 LCA 軟體評估，需考慮以下參 數。 1. 原料部份：綠屋頂組成資料，估算各單元原料比重，計算所使用 原料使用量，本研究就兩案例所提供資料進行輸入。 2. 運輸部份：考慮材料運輸需要，一般多採用 LCA 軟體內建值估算 之，本研究採用 Simapro 內建資料庫。 3. 能量消耗：在建置過程或在維護部份器材使用所產生之消耗甚微， 主要為綠屋頂在使用過程對於建築物節能效益，本研究以 3.4 節 能部份評估方法所得節能量，進行環境效益評估。 4. 維護部份：主要在使用階段，綠屋頂植物與基質置換率。 一般屋頂主要考慮建築物結構上方部份(不含鋼筋結構部分)，主要分 為原料、運輸及維護部分，以下分別說明之。 1. 原料部份：本研究採用建築師事務所所提供之資訊，包括水泥磚、 水泥砂漿、保麗龍、油毛氈等建材原料使用比與用量，配合屋頂 面積各層厚度，估算原料使用量。 2. 運輸部份：因本研究未收集一般屋頂各原料產地資料，且部份資 料收集較為困難，故本研究未考量一般屋頂原料運輸部份。 3. 維護部份：一般屋頂維護主要是檢視等，環境衝擊不大，主要的 維護工作是防水層更換，且更換時即需要更換屋頂，唯目前並沒 有找到國內防水層的平均更換年限，故本研究採用 10、15 及 20 年三個不同年限進行評估。33
3.4.4
綠屋頂減碳效益評估
綠屋頂減碳效益評估部份，本研究主要以綠屋頂節能效益、LCA 模式 所評估與綠屋頂表面植物固碳效益三方面估算。 1. 綠屋頂節能：利用 E+與 1D-HF 模式模擬出年節電量，配合臺灣電力 公司所提出之發電廠碳排放係數，估算綠屋頂節能部份減碳量，電廠 碳排放使用 98 年資料，將各種類發電碳排放係數依所占發電百分比 加權平均，以 0.612kg CO2e/度計算。 2. 表面植物固碳效益：本研究使用 Getter et al.(2009)所提出之綠屋頂兩 年單位面積固碳量 1.375kg/m2進行估算，生命週期 40 年，每年固碳 量為 0.687 kg/m2。 3. LCA 模式：利用 LCA 模式對案例 C 進行生命週期評估，估算綠屋頂 與一般屋頂二氧化碳當量差，估算其減碳量。 計算上述三部份綠屋頂減碳量，以評估綠屋頂減碳效益。3.4.5
綠屋頂建築環境效益評估
本研究案例建築物綠屋頂為一般屋頂上方加裝設置薄層型綠屋頂，考 慮綠屋頂對於屋頂保護作用與環境效益，本研究利用 Simapro 軟體對案例 建築物分別就未設置綠屋頂與設置綠屋頂兩狀況，在生命週期間，評估以 下部份。 1. 初設原料使用情況：一般屋頂所使用原料，如鋼筋、水泥、防水 層用料與綠屋頂原料包括植物、基質、排水板、透水布、防水層 等部份用量對環境衝擊差異。34 2. 維護上的原料使用情況：一般屋頂與綠屋頂在生命週期間，屋頂 維護與綠屋頂置換部份原料使用差異。 3. 在綠屋頂生命週期間，一般屋頂與綠屋頂所產生節能效益，進行 環境效益評估。 綜合上述各項進行環境衝擊分析，比較一般屋頂與綠屋頂環境衝擊差異， 以兩衝擊差距作為環境效益，以評估綠屋頂環境效益。
3.5 綠屋頂成本推估
在進行成本效益評估之前，有必要先收集建立綠屋頂成本資料，本研 究雖亦針對密集式綠屋頂案例進行節能模擬，但由於該案例已建置很久， 不易找到具代表性成本資料，且密集式綠屋頂的型式差異很大，成本及維 護等需求均較高，建置密集式綠屋頂的比例不高，故本研究主要針對薄層 綠屋頂建立成本資料，以作為後續進行成本效益評估之依據。參考國內外相關文獻(Wong et al., 2003; Carter and Keeler, 2008;錫鎦基 金會，97 年)，綠屋頂成本主要可分為建製、運送、維護與更新等項目， 並考慮折現率，以下說明各項目之內容。 1. 建置成本：綠屋頂組成材料與建造花費，其中綠屋頂組成材料包 括植物、基質、排水板、透水布、防水層等部份。 2. 運輸成本：主要為在建製階段，材料運輸之花費。 3. 維護成本：有關綠屋頂後續養護成本，雖然國外文獻(Wong et al., 2003)曾考慮維護成本，唯不太適用於國內情形，故本研究未採用， 且由於國內薄層綠屋頂主要是種植養護較單純的植物為主，本研 究因而假設綠屋頂巡查、維護為所有人自行負責，未計算此部分
35 之成本。 4. 更新：綠屋頂植物更新部份採用 Wong et al. (2003)之假設，以植 物更換年限 15 年作為成本估算之依據。 5. 折現率：本研究採用經濟部能源再生能源躉購費率中所使用之折 現率 4.25%。 本研究收集上列項目的相關成本資料，並利用下述式(3.6)以作為推估 綠屋頂成本之依據。
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 a a c b GRP a a GRI GR i i i i i C i i i C C ... (3.6) 其中 CGR為綠屋頂年均成本；CGRI為建置成本；CGRP為每 15 年更新部分 植栽的費用；i 為折現率；a、b 與 c 為 40、30 與 15 年。 本研究依上式估算綠屋頂年均成本，並與一般屋頂年均成本進行比較 分析。3.6 綠屋頂成本效益評估
本研究分析綠屋頂的節能與減碳效益，且與前節推估之成本進行成本 效益綜合評估，節能部份，以 1D-HF 法及 E+模式所模擬出之節能量，依 表 3.2 所列之臺灣電力公司公告之各級電價估算所節省的電費。36 表 3.2 臺灣電力公司各級電價 夏日 非夏日 110 度以下部分 2.10 元/度 2.10 元/度 111~330 度部分 3.02 元/度 2.68 元/度 331~500 度部分 4.05 元/度 3.27 元/度 501~700 度部分 4.51 元/度 3.55 元/度 701 度以上部分 5.10 元/度 3.97 元/度 整理自臺灣電力公司(101 年)。 減碳之經濟效益部份，本研究使用綠屋頂減碳效益估算雖國外已有收 碳稅，約在新臺幣 600 元至 4500 元/tonCO2e，但臺灣目前尚未收碳稅，故 本研究採用蕭(98 年)所建議 750 元/tonCO2e，估算綠屋頂減碳之經濟效益。 綜合上述兩項經濟效益，配合綠屋頂推估成本，評估綠屋頂成本效 益。
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第四章 結果與討論
本章說明及討論依據第三章所述之研究流程與方法進行之結果，主要 分為案例建築物介紹、綠屋頂 U-value、綠屋頂節能效益評估、案例建築 物綠屋生命週期評估及綠屋頂成本效益評估等部份部分，以下將依續說明 及討論。4.1 案例建築
本研究案例分別為(A)環工館; (B)建成國中; (C)信義區公所與(D)大溪 高中，其中針對案例 A、B 及 C 進行綠屋頂節能減碳效益評估，針對案例 C 及 D 則進行生命週期評估，以下介紹各案例。 案例 A 為本校環工館，本研究假設在該館屋設置類似大溪高中型式之 薄層式綠屋頂，該館如圖 4.1 所示，為ㄇ字行建築，右方樓層一至五樓為 研究室，左方樓層三至五樓為研究室，兩樓層之間橫向樓層一樓為大廳， 二樓為所辦公室與會議廳，三至四樓則為教室與教授研究室。 右 側 研 究 室 教授辦公室與教室 左 側 研 究 室 圖 4.1 案例 A 環工館配置圖38 案例 B 為建成國中，部分屋頂有設置密集式綠屋頂，其下方有八間教 學用教室，四層樓，照明燈具每間 8 盞，空調設備為窗型冷氣 1 台，並無 使用其他電器，為一般上課用教室。 圖 4.2 案例 B 建成國中教室配置圖 案例 C 為臺北市信義區公所，為一長方型式辦公大樓，區公所屋頂設 置一薄層式綠屋頂，由臺北市錫鎦基金會委外建置，下表為該綠屋頂資 料。 表 4.1 案例 C 綠屋頂基本資料 植被 主要以萬年草、景天科等多種植物組成 基質 蛭石、真珠石與培養土 2:1 厚度 10 公分 排水層厚度 2 公分 綠屋頂面績為 590m2，種植植物種類繁多，但以萬年草與景天科為主，基 質部份則是以蛭石、真珠石與培養土混合而成，綠屋頂下方樓層為 11 樓 之辦公大樓，本研究除評估綠屋頂對信義區公所下方各層辦公室節能效益 外，亦對綠屋頂進行綠屋頂生命週期評估。
