建筑屋顶绿化与绝热之成本效益分析陈荣宗1许坤荣2摘要随着.docx
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建筑屋顶绿化与绝热之成本效益分析陈荣宗1许坤荣2摘要随着
建築屋頂綠化與絕熱之成本效益分析
陳榮宗許坤榮
摘要
隨著城市的發展，城市熱島效應愈加明顯，人們生活於此，夏天利用空調產生冷氣使室內降溫；更甚，冬天利用空調產生暖氣，以求舒適環境樂居。
本研究以台中市中正路五層公寓為例，利用AutodeskEcotect模擬五樓屋頂屋頂綠化和鋪設隔熱材料和原始屋頂相較，算出節電效率，進而進行成本效益分析。
整年設定攝氏18℃以下開啟暖器，26℃以上開啟冷氣，分三時段進行模擬。
以屋頂鋪設隔熱磚為例，模擬發現，整年全天0時-24時達到設定溫度即使用空調，時段一每年可節省2238.3kWh/年，分夏月和非夏月計算電費後，可節省電費9,326元/年。
時段二每年可節省605.8kWh/年，分夏月和非夏月計算電費後，可節省電費2,539元/年。
利用淨現值法（NPV）和內部報酬率法（IRR）進行成本效益分析。
時段三達到設定溫度即使用空調，其產生的節電效率進行成本效益分析，並無明顯的經濟效益。
關鍵字：
隔熱材料、 AutodeskEcotect、成本效益
Cost-benefitanalysisoftheeco-roofsandroofinsulationstrategies
Jung-TsungChenKun-JungHsu
Abstract
Withthedevelopmentofthecity,theurbanheatislandeffectisevenmoreobvious.Peopleliveincities,andweturnonthetocooldownthehouse;somepeoplemakethemselvesmorecomfortablewithheatinthehouses.Inthisstudy,wetaketheFifth-floorapartmentofTaichungCityChungChengRoadasanexample.WeuseAutodeskEcotecttosimulatethefifthfloorroofgreenroofandthelayingofinsulationmaterials.Thenwecalculatedthepower-savingefficiencyandanalyzedcost-benefitcomparedtotheoriginalroof.Duringthewholeyear,weturnedonthecoolerabove26℃andusedheatbelow18℃.Wedidthisinthreeperiods.
Takeroofingstickoninsulationtilesasanexample,weusedair-conditionerwhenitcametothetemperaturethatweset,Periodoneshowedthatwecansave2238.3kWhperyearandNT9,326peryearwhenthebillswerecalculatedbysummerandnon-summerperiods.Periodtwoshowedthatwecansave605.8kWhperyearandNT2,539peryearwhenthebillswerecalculatedbysummerandnon-summerperiods.ThenweuseNetPresentValue（NPV）andInternalRateofReturn（IRR）cost-benefitanalysis,.However,wedidthesameworkonPeriodthreeanduseenergy-savingbenefitstoanalyzecost-benefit,thereisnoobviouseconomicbenefits.
Keywords：
insulationmaterials,AutodeskEcotect, energy-savingbenefits表單的底部
一、緒論
都市化現象，大量人工地急劇增加，下雨時雨水流入下水道，使地表失去蘊含水分功能以及高聳建築物林立減緩了空氣的流動性，都市透水鋪面與綠地的減少，大大增加了都市受熱面積，使得可用於調節都市氣候之蒸發散熱和濕度調節機能之作用消失，造成都市的乾燥化與高溫化，使得都市與建築外部之大氣溫度不斷升高，導致市地區倚重空調系統日趨嚴重。
但空調系統排熱氣，產生大量「人工熱」，使整座都市宛如一座熔爐般，反讓都市環境急遽惡化，造成都市氣溫比郊區高，等溫線以封閉的同心圓包圍都市中心，猶如一座「熱島」。
導致氣候都市化與形成都市熱島效應。
當都會發展得愈快、愈大，熱島效應也就越加顯著。
台灣位處亞熱帶氣候區，全年日照充足，夏季高溫炎熱。
根據台中氣象站表示，2004年7月1日台中最高氣溫竟達39.9℃。
在台灣，建築物約有95％為鋼筋混凝土平頂建築，為了節省建造成本，建商忽略建築物的屋頂隔熱設計，以致台灣大部分的住宅屋頂構造都是屬於鋼筋混凝土樓板加上水泥砂漿粉刷以及PU防水膜，其總熱傳透率（U值）大約是2.83W/㎡‧K，遠超於綠建築設計規範的屋頂1.2W/㎡‧K。
此類建築最容易吸收和蓄積強烈的太陽輻射熱。
不但在白天會吸收大量的太陽輻射熱，使屋頂溫度迅速增高。
甚至於到夜晚，由於屋頂面仍然不斷釋放出蓄積的輻射熱。
然而，台灣建築物屋頂普遍缺乏屋頂隔熱，一般常於建築物屋頂上加蓋鐵皮屋，由於鐵皮屋之比熱較小，易於吸熱升溫。
故當鐵皮屋頂表面溫度升高時，其吸收之能量以長波長形式釋放的能力也隨之上升，反而會促進熱島效應，促使民眾利用空調降溫，增加電力消耗。
屋頂隔熱在冬天能保溫，在夏季能阻隔炙熱的太陽，形成室內冬暖夏涼。
一些國外的研究成果指出，屋頂綠化可讓屋頂表面溫度降低15～40℃，室內降溫2～10℃。
聯合國環境計畫的研究結果指出，當城市的綠屋頂面積達到70%時，整座城市的二氧化碳釋出量將減少80%，熱島效應將完全消失。
二、文獻回顧
2.1屋頂隔熱相關文獻回顧
氣候因素，造成建築室內外的「溫度差」，是建築耗能的主要原因，而能減少「溫度差」的技術就是「隔熱」;減少太陽的「日射量」的技術，就是「遮陽」（謝雲金,2005）。
屋頂直接大面積接觸熱源，屋頂綠化產生的隔熱效果絕不亞於壁面綠化，屋頂做綠化，屋頂下面一層房間的室溫可降低2.0~2.4℃（近藤三雄,1987）。
節約能源效益定更能發揮事半功倍效果。
現將探討屋頂綠化以達隔熱之相關研究整理如下表（表1）
研究者
研究內容
結論
連祥萍
（2008）
分析鵝鑾鼻燈籠草、松葉景天、鋪地錦竹草三種植栽在土層厚1cm、3cm、5cm的泥炭土薄層綠化盤，5cm的鵝鑾鼻燈籠草綠化盤隔熱最好。
薄層綠化對建築屋頂可以達到隔熱降溫的效果
Onmura
（2001）
實際戶外現場量測，證實屋頂草坪綠化可減少熱流進入室內。
白天時，可使屋頂的表面溫度從60℃降至30℃，並減少50％的熱流進入室內
屋頂草坪綠化具有蒸散冷卻作用
許瑞銘
（2006）
裸露混凝土平屋頂表面溫度變化量高達21.2℃，於其上方覆蓋15㎝之培養土後表面溫度變化量降為10.6℃，種植台北草植栽層後表面溫度變化量降為10.5℃，種植桂花植栽層後表面溫度變化降為5.1℃
有效降低裸露平屋頂表面溫度的方法為種植中密度桂花植栽層為最佳，其次為草坪綠化
蘇榮宗
（2009）
綠屋頂使用表面覆蓋物時，較佳之土壤厚度至少是15cm。
以假儉草、台北草、百慕達草來綠化，分別可讓土壤表面溫度降低12.43℃、11.2℃與12.62℃
當覆土層深度超過20cm以後，無論表面是否種植草皮，日射熱對土壤溫度已無顯著的影響。
黃國倉
（2011）
厚的土壤層覆蓋在屋頂表面上，可以增加熱阻成為建築屋頂隔熱的一部分。
留滯在土壤內的水分更可提高土壤的平均熱容量，延緩熱量進入室內的時間。
有綠化下的單日總熱流量是4.13瓦／平方公尺，無綠化的則是18.19瓦／平方公尺，相差近4.4倍。
（表1本研究整理）
上述五篇分別在屋頂利用不同土壤厚度或植栽種類進行屋頂隔熱探討，結論均認為屋頂植栽綠化，對屋頂皆有隔熱降溫效果，但對屋頂隔熱後之節能效益皆未多加著墨，更無探討採用與未採用屋頂綠化之耗電量比較，進行對成本效益加以分析和探討。
2.2節電效率相關文獻回顧
現將探討利用屋頂隔熱以達節電效率之相關研究整理製表如下（表2）：
研究者
研究內容
結論
唐嗚放等
（2010）
利用二間同大小房間進行實驗，在為期1個月的空調開啟實驗期間，二間房間的室內溫度利用空調控制在25℃左右，結果發現，一個月期間，有綠化屋頂較無綠化屋頂減少房間空調耗電量的16%，平均每天節省電量約2kWh，單位面積屋頂綠化每天節省電量約0.1kWh左右
屋頂綠化是一種高效節能措施，基本上能夠滿足夏季屋頂節能要求
王佑萱等
（2008）
利用DOE-2.1E計算陶粒隔熱磚之整體隔熱性能及改善空調耗能之節能效益，當示範空間採用屋頂隔熱陶粒隔熱磚做為改善空調耗能之節能手法時，整體空調耗電可降低約2.91%。
每年約電費節約193.5萬元，其總投資成本約83.9萬元，約在5.2個月左右即可回收。
陳立武
（2006）
於94年6-9月針對軍中三棟舊有營舍無隔熱與增設三種隔熱設施後之建物，進行室內溫度量測紀錄，發現7月份屋頂採用礦纖天花板及屋頂新建彩色鋼板，可以達到降溫省電之最大效果，其最高省電率可達5.81％。
證實隔熱設施確有省電效果
（表2本研究整理）
上述文獻證實研究時間內利用隔熱材料或屋頂綠化進行屋頂隔熱確實能達到節電效率。
三篇文獻研究時間只王佑萱等壹篇為壹整年，其餘貳篇研究更只是壹年內的局部時間數據結果，欠缺完整壹整年研究數據呈現。
若能探討屋頂採用與未採用多種隔熱材料和屋頂採用與未採用屋頂綠化壹整年之節能效益、成本效益，數據將更臻完整。
可供使用者實際數據，更貼近生活。
三、研究方法
本研究藉由節能分析軟體，將屋頂隔熱介質或材料數據以軟體進行電腦模擬，比對分析建築物屋頂在未採用與採用隔熱材料後其整體熱傳效應是否產生實質之改善，經由一系列的模擬分析壹整年，算出相關數據和結果，求得各種台灣常用屋頂隔熱方法使用前後的溫度變化和耗電量差異。
進一步比較各種屋頂隔熱前後之節電效率，最後導入設置成本評估，進而分析成本效益，以獲得各種屋頂隔熱材料之經濟效益分析結果
3.1能源模擬
本研究採用Ecotect2011進行建築熱環境模擬，Ecotect2011是利用准入係數法來進行。
准入係數法假設任何建築物的內部溫度總是和室外平均溫度接近。
即室外溫度或是日射量的波動仍會使室內氣溫造成類似情況的波動。
因此當總熱得與總熱損失相等時，室內溫度會達到穩定狀態。
准入係數法是一個簡化的方法，它假設傳導熱從建築體進入，滲透與通風從開口部進入，直達太陽熱得從透明的建材進入，間接太陽熱得從不透明的建材進入，而內部熱得來自設備、燈光、人及內部區域熱流的效果。
從准入係數法的計算流程（圖1），我們可以看到在計算過程中對平均部分和波動部分是分開進行處理的，但處理過程基本相同：
首先計算的是內部得熱和直接太陽得熱，這些得熱的平均量和波動部分隨後要被劃分為對流和輻射兩種類型。
我們可以發現上述得熱都被指定到空氣溫度或環境溫度節點上，添加到環境溫度節點上的得熱都被指定到空氣溫度或環境溫度節點上，添加到環境溫度節點上的得熱的比例是固定的，包含了2/3輻射得熱，1/3的對流得熱。
從准入係數法的計算流程圖中，我們可以發現建築物結構傳導得熱通常被直接添加到環境溫度節點。
雖然准入係數法使用熱平衡方程求解負荷，不過可以預先計算逐時傳導得熱的主要部分，這是因為在准入係數法中，這部分得熱可以通過解析正弦擾動下的傳導熱流進行求解。
在得熱的不同部分都被添加在環境溫度節點和空氣節點後，就可以通過求解逐時熱平衡方程找出負荷的平均部分和波動部分。
上述過程可以通過單向實現，不需要進行反復的循環求解未知溫度。
將求得的平均負荷和波動負荷進行綜合處理即可得24h逐時負荷。
3.2成本效益分析
投資者必須檢視潛在的投資機會，並分析這些投資能創造多少價值（折現後的價值）。
淨現值法（Netpresentvalue,NPV）是衡量投資案未來投資所得之總折現值與期初投入成本之間的差額，因此未來每期的現金流量都經過折現（discounted），此過程稱為折現現金流量（DiscountedCashFlow,DCF）。
也就是說淨現值是計算未來現金流量的現值，然後減掉成本，而得之。
其公式如下所示
CF0表示期初投入成本，CFn為第1到n期未來各期的現金流量，i是折現率，n是投資期數。
當NPV＞0，顯示該投資的現金流入現值大於現金流出現值，表示可以增加淨利，此投資計畫可行；當NPV＜0時，顯示該投資的現金流入現值小於現金流出現值，表示不應執行此投資計畫；當NPV＝0時，視執行者態度及客觀環境而定。
淨現值法有一個相關性極高的替代方案，即內部報酬率法（InternalRateofReturnMethod,IRR）。
所謂內部報酬率其實就是一個投資計畫的整體報酬率。
內部報酬率法就是「損益兩平（Break-even）」的概念，一專案未來現金流量使用IRR折現，恰等於原始投入的成本，專案剛好不賺也不賠。
若IRR＞必要報酬率（投資必需有的最低限報酬），表投資計畫可行（此時NPV＞0）。
若IRR＜必要報酬率，表拒絕此計畫（此時NPV＜0）。
IRR＝必要報酬率，視執行者態度及客觀環境而定（此時NPV＝0）。
其公式如下：
利用「淨現值法」和「內部報酬率法」進行成本效益分析，皆可得知投資若干年後和成本相較之損益情形，可讓使用者「投資」屋頂綠化或屋頂隔熱時，投資有所依據，衡量是否值得投資。
3.3研究設計
本研究之公寓（台中市中正路五樓獨棟公寓）實屬老舊，在考慮屋頂承載力問題，更不能讓屋頂因植栽隔熱而造成超載危機，本研究只探討開闊式屋頂綠化。
本研究藉由節能分析軟體，對基礎方案-裸露屋頂（0方案）、沫混凝土（A方案）、橡膠隔熱磚（B方案）、保麗龍隔熱磚（C方案）、泡沫玻璃磚（D方案）、輕型屋頂綠化（方案）進行節電效率和成本效益分析，五種不同隔熱材料或綠化數據皆採一般大眾實際使用或市售規格進行分析。
3.4研究流程
四、屋頂隔熱節電效率分析
4.1各方案隔熱材料之物理參數
現將各材料數據（表3）和屋頂隔熱各方案材料組合（表4）整理製表如下：
表3：
各材料名稱之物理參數（各公司提供）
代號
材料名稱
厚度
（㎜）
熱傳導係數
（W/m.K）
U值
（W/㎡.K）
a
水泥砂漿
15
0.9300
5.15
b
鋼筋混凝土
150
1.7400
3.78
c
泡沫混凝土
60
0.1900
2.03
d
橡膠隔熱磚
30
0.0448
1.25
e
保麗龍隔熱磚
30
0.0862
1.84
f
泡沫玻璃磚
40
0.0460
0.95
g
沿階草
100
0.2780
1.86
h
陽明山土
100
1.3000
3.92
i
PU
2
0.0500
4.59
j
水泥砂漿
50
0.9300
4.31
k
瀝青
4
0.7300
5.45
表4：
各方案之材料組合（各公司提供）
方案名稱
材料組合
（由上而下）
總U值
（W/㎡.K）
0方案（基礎方案）
a＋b＋a
3.37
A方案（泡沫混凝土）
c＋a＋b＋a
1.63
B方案（橡膠隔熱磚）
d＋a＋b＋a
0.84
C方案（保麗龍隔熱磚）
e＋a＋a＋b＋a
1.51
D方案（泡沫玻璃磚）
k＋f＋k＋a＋b＋a
0.85
E方案（屋頂綠化）
g＋h＋j＋i＋a＋b＋a
1.21
4.2各方案一年全空調和僅供冷二種模式之節電效率
表5：
模擬各方案每月全空調用電量比較表
城市熱島效應，臺灣大部分人的習慣常是溫度高於某設定溫度即使用冷氣，當然亦有少部分之家庭，當溫度低於某設定溫度即使用暖氣以求舒適環境。
一般人或家庭最常使用僅供冷模式，少數人或家庭還是會使用全空調模式。
不管使用全空調或是僅供冷模式，最常使用時段即是下班後至隔天上班之前這段時間，本研究利用軟體模擬溫度高於設定溫度26℃即啟動冷氣，溫度低於設定溫度18℃即啟動暖氣，現將一般大眾最常使用全空調或僅供冷二種模式時段（18時-06時）於不同方案下模擬，得到每月全空調、僅供冷用電量製表（表5、表6）如下：
全空調
方案
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
18時
│
06時
0
145
56.0
46.2
161.7
282.6
492.7
559.7
461.0
407.3
271.8
3.8
78.8
A
79.5
29.2
31.4
149.4
248.2
384.2
431.7
371.2
330.1
253.5
15.7
36.4
B
64.9
21.1
46.0
183.3
277.0
395.4
444.1
384.0
343.1
281.8
30.0
21.3
C
76.9
27.9
29.5
144.4
243.9
370.7
416.6
358.2
318.1
249.6
18.7
32.8
D
70.9
19.7
40.0
160
245.0
342.6
385.4
330.5
292.3
246.0
24.6
22.3
E
73.1
26.4
28.2
133.8
233.1
348.4
391.2
336.3
299.2
237.1
17.8
30.5
電量單位：
度（kWh）
表5：
模擬各方案每月全空調用電量比較表
表6：
模擬各方案每月僅供冷用電量比較表
僅供冷
方案
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
18時
│
06時
0
0
0
28.6
161.7
282.6
492.7
559.7
461.0
407.3
271.8
3.9
0
A
0
0
22.5
149.4
248.2
384.3
431.7
371.2
330.1
253.5
15.7
0
B
0
0
40.4
183.4
277.0
395.4
444.1
384.0
343.1
281.8
30.0
0
C
0
0
20.8
144.5
244.0
370.7
416.6
358.2
318.1
249.6
18.7
0
D
0
0
34.5
160.0
245.0
342.6
385.4
330.5
292.4
246.0
24.6
0
E
0
0
19.4
133.8
233.2
348.4
391.2
336.3
299.2
237.1
17.8
0
電量單位：
度（kWh）
五、屋頂隔熱成本效益分析
本研究之五樓公寓係屬接近二十五年之老舊房屋，因此各方案屋頂隔熱皆假設以二十年為隔熱壽命，利用各方案模擬三時段節省二十年之電費，配合台灣銀行、第一銀行、華南銀行等三大銀行近七年（2005-2011年）平均放款利率6.7％，便可算出各方案三時段每節省一度電之Clev是多少，即節省每一度電所花的成本是多少。
此利率基本上是放款七年期的利率，實因三大銀行一般放款皆以七年期為限，若放款能以專案方式給予二十年為期限，相信放款利率一定更低，節省一度電之Clev也一定更低。
以此利率，若求出一度電之Clev小於一度電平均價格，表示節省一度電的成本低於一度電平均價格，值得投資和推行。
相反，若求出一度電之Clev大於一度電平均價格，表示節省一度電的成本高於一度電平均價格，除非有其他因素，否則不值得投資。
5.1屋頂隔熱材料成本調查
現將各方案所需之屋頂隔熱材料和輕型屋頂綠化花費整理後製表（表7）如下：
表7：
各方案屋頂隔熱總價格（含施工）
方案名稱
主要屋頂
隔熱材料
含施工之
價格（元/㎡）
57㎡屋頂隔
熱總價格
A
泡沫混凝土
170
14,250
B
橡膠隔熱磚
845
48,165
C
保麗龍隔熱磚
492
28,044
D
泡沫玻璃磚
3,600
205,200
E
輕型屋頂綠化
1,700
96,900
5.2全空調成本效益分析
表8：
各方案一度電平均成本比較
現將A方案至E方案模擬全空調和0方案相較結果，每年節省用電量、每年節省電費、一度電平均成本、多種利率一度電Clev製表（表8、表9）如下：
全空調
方案
隔熱成本
（元）
節省用
電量
（kWh/年）
節省用電（％）
節省電費
（元/年）
一度成本
（元/kWh）
18時－06時
A
14,250
605.8
20.4
2,539
4.19
B
48,165
474.6
16.0
2,025
4.27
C
28,044
679.3
22.9
2,850
4.20
D
205,200
787.7
26.5
3,342
4.45
E
96,900
811.6
27.4
3,405
4.20
註：
1.電價以台電501度-700度級距計算
2.一度成本為目前電價省一度電平均成本（每年節省電費除以節省用電度數）
表9：
利率變動對均化電價的影響
全空調
方案
一度成本
（元/kWh）
6.7％
Clev
5％
Clev
4％
Clev
3％
Clev
2％
Clev
1％
Clev
18時－06時
A
4.19
-2.02
-2.30
-2.46
-2.61
-2.75
-2.89
B
4.27
5.09
3.88
3.20
2.55
1.94
1.36
C
4.20
-0.39
-0.88
-1.16
-1.42
-1.67
-1.91
D
4.45
19.8
16.68
14.94
13.28
11.70
10.21
E
4.20
6.81
5.39
4.59
3.83
3.11
2.42
註：
1.一度成本為目前電價省一度電平均成本（每年節省電費除以節省用電度數）
2.百分率處皆為假設二十年期之折現率，並以此折現率求得一度電均化成本（Clev）
表10：
電價調漲10
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