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【同辰资讯】零碳科技:使用绿色屋顶实现建筑节能60%以上

  • 时间:2024-04-26
  • 作者:同辰建筑
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全球能源需求极大地影响了温室气体排放和气候变化。由于建筑在全球能源消耗中占很大一部分,本研究调查了绿色屋顶和冷屋顶在降低建筑能源消耗方面的节能潜力。该研究采用气候变化建模和建筑能源模拟相结合的综合方法,在当前和未来的气候变化情景下,评估了六个全球城市(开罗、香港、首尔、伦敦、洛杉矶和圣保罗)的这些策略。结果表明,在未来的气候条件下,在城市一级实施绿色和冷屋顶可以导致每年的能源大幅减少,到2100年,暖通空调消耗量分别减少65.51%和71.72%。这些发现可以指导全球不同气候区实施这些战略,为选择和设计适合特定城市环境的屋顶缓解战略提供信息。


自进入21世纪世纪以来,城市化进程势头强劲,城市扩张是城市地区人均温室气体排放量增加的主要原因。这些排放物一直在加速积累,正在对全球气温和气候模式造成重大变化。在城市地区,城市热岛效应可能会进一步加剧这一问题,较高的城市温度通过增加冷却所需的能源和电力而对建筑能耗产生严重影响。在过去的四十年里,建筑物的能源需求以每年1.8%的速度稳步增长,鉴于建筑环境对能源需求、温室气体和空气污染物排放、人类健康风险等方面的重大影响,开发减少建筑物能源使用的可行方法变得越来越重要。



关于屋顶,减少建筑能耗的两种流行策略是冷屋顶和绿色屋顶。冷屋顶使用反射表面来减少热吸收,而绿色屋顶使用植被来提供隔热和减少热吸收。许多研究表明,绿色屋顶和冷屋顶都能有效减少能源消耗,而它们的效率受当地气候条件和建筑特征的影响很大。然而,这些研究中的大多数仅在案例研究中考虑了少数选定的建筑物,或者主要集中在夏季,导致缺乏对周围气候和建筑环境变化如何影响这些技术的节能潜力的研究。此外,虽然许多研究探讨了绿色屋顶和冷屋顶在当前气候条件下的有效性,但迫切需要进行研究,评估其在未来气候情景下的表现。因此,需要进行一项全面的研究,在当前和未来的条件下,在不同的气候环境中比较这两种技术。


(注:“绿色屋顶”(green roof ),也称植被屋顶,是指在房屋屋顶表面铺设土壤和植物,而不是传统的木瓦或瓷砖。它们不仅为屋顶增添独特的外观,还能提供一系列实用的功能。“冷屋顶”(cool roofs),是指日射反射率高的屋顶,它通过对普通屋顶涂上高反射率的涂料,提高屋顶的日射反射率,减少太阳热量的吸收,从而达到减少空调冷负荷和空调节能的目的。)


建筑物的能量消耗非常容易受到气象反馈的影响,气象反馈是指建筑物与周围环境之间的动态相互作用,特别是当地的天气条件。建筑物的供暖、制冷和通风要求受到气象反馈的影响,这可能对能源消耗产生重大影响。研究表明,室外空气温度降低1 °C可以导致建筑能耗减少5%。 气象反馈的准确预测和建模对于优化建筑节能性能和降低能耗至关重要。建筑物能源模拟模型通常使用典型气象年(TMY)天气文件来表示历史和当前天气状况。


本研究提出了一个综合的方法来研究建筑节能的潜力,绿色屋顶和冷屋顶在不同的气候情景。这种方法结合了气候变化建模和建筑能源模拟,以量化气候变化对建筑能源需求的影响。


图1说明了这种建模方法的开发。


▲ 图1:开发集成建模方法


具体研究目标包括:(1)开发用于详细建筑能源模拟的综合建模方法;(2)识别当地环境气候对绿色屋顶和冷屋顶节能性能的影响;(3)确定城市建筑环境对两种屋顶类型性能的影响;(4)预测不同共享社会经济路径(SSPs)下两种屋顶类型的节能性能。这项研究有可能为建筑设计和能源消耗减少策略的政策决策提供信息。这些发现还可能为未来全球不同地区减少建筑能耗的最有效的屋顶策略提供见解。


案例研究在柯本气候分类系统分类的六个不同气候带的城市进行,包括:开罗(干旱或沙漠气候;夏季炎热干燥,冬季温和);香港(亚热带气候,夏季炎热潮湿,冬季温和);首尔(温带,夏季炎热潮湿,冬季寒冷干燥);伦敦(温带海洋性气候;全年凉爽、潮湿和多雨的天气);洛杉矶(地中海气候;夏季干燥,冬季多雨,但温度变化相对温和);和圣保罗(亚热带气候;夏季多雨,冬季干燥,但温度变化相对温和)。


图2显示了六个城市的位置和当前背景气候(即月平均气温和降水量)。


▲ 图2:6个选定城市的位置和背景气候





结  果  :


当地环境气候对冷绿色屋顶建筑节能的影响:


综合建模框架用于模拟6个具有不同当地气候的城市在1年内的建筑物使用能源。我们将安装冷屋顶和绿色屋顶的建筑物的能耗与使用混凝土屋顶的参考建筑物的能源消耗进行了比较,而没有任何节能策略。比较结果如图3所示,显示了每个城市的冷屋顶和绿色屋顶每年减少的制冷和制热能耗。


▲ 图3:当地环境气候对冷绿屋顶建筑节能的影响


不同城市在不同气候条件下的冷屋顶和绿色屋顶的年度建筑节能:

(a) 六个选定城市中每个城市每年减少两个屋顶的制冷能源;

(b)在选定的六个城市中,每个城市每年减少两个屋顶的供暖能耗。


研究发现,冷屋顶和绿色屋顶的节能性能在不同气候下存在差异。从图中观察到。3a,6个城市冷屋顶平均降温量为67.18%-86.70%,绿化屋顶平均降温量为63.38%-83.21%。在大多数研究地区,冷屋顶的降温效果略优于绿色屋顶。伦敦和圣保罗的冷屋顶和绿色屋顶的降温效果最好,在不同的建筑环境中平均降温率为86.7%和87.9%。


然而,如图中3b所示,冷屋顶的年度供暖能耗降低率。冷屋顶增加了所有城市的建筑供暖能源负荷。我们的结果与以前的研究一致,冷屋顶材料的高反射率降低了吸热率。在圣保罗,冷屋顶建筑的供暖能源使用平均增量可达 22.5%。相比之下,无论季节如何,绿色屋顶的节能效益都保持稳定。这是由于额外的隔热土壤层,它倾向于将热量储存在建筑物中。圣保罗、开罗和洛杉矶的绿色屋顶的供暖能耗降低效应比较显著。总体而言,研究结果表明,冷屋顶和绿色屋顶都可有效降低全球不同气候条件下建筑物的制冷能耗,而使用冷屋顶的建筑物的供暖能增量应仔细考虑,尤其是在气候较冷的城市。



城市建筑环境对冷、绿屋顶建筑节能的影响:


本研究分析了以局部气候区(LCZ,local climate zones)为特征的城市建筑环境对冷屋顶和绿色屋顶建筑节能的影响。LCZ 被定义为具有均匀表面覆盖、结构、材料和人类活动的区域这些区域是局部的、气候驱动的,并代表特定区域,旨在根据其表面特性描述具有不同热气候的景观,LCZ 被用于许多关注温度、生态和其他环境变量的研究。


模拟是针对所有城市中的每个LCZ进行的。确定了不同建筑环境中两种屋顶类型对制冷和制热能源的年度节能范围。图4显示了每个LCZ中冷屋顶和绿色屋顶的年度节能效果对比结果。


▲ 图4:城市建筑环境对冷绿屋顶建筑节能的影响


结果表明,城市建筑环境对冷屋顶和绿色屋顶的节能效果均起着至关重要的作用。图4a显示,不同LCZ中两种屋顶的冷却能量减少量存在显著差异,冷屋顶的平均减少率为39.30%至100%,绿色屋顶的平均降低率为38.38%至100%。值得注意的是,LCZ 3 和 6 以低层建筑为特征,通过安装冷屋顶或绿色屋顶,可以实现几乎为零的年度制冷能源需求。


此外,随着建筑高度的增加,两种屋顶的制冷能耗降低。LCZ 4(即开放式高层建筑环境)的制冷节能效果最小,使用冷屋顶和绿色屋顶的建筑的平均制冷节能分别为39.3%和38.4%。图4b显示,绿化屋面的建筑采暖节能性能在47.4%-100%之间,并随着建筑高度的增加而下降。然而,建筑环境与冷屋顶的供暖节能效果之间的关系并不简单。在LCZ 3中,由冷屋顶引起的供暖能量增量最高,为13.7%。



气候和建筑环境影响的敏感性分析:


通过敏感性分析,研究了环境气候和城市建筑环境对两种屋顶系统建筑节能的影响。当地气候影响的敏感性分析模拟了不同环境温度和相对湿度的当地气候条件下冷屋顶和绿色屋顶的节能性能,而对于城市建筑环境影响的分析,建筑密度和高度是影响建筑能耗的两个关键参数。


在每个城市中,总共模拟了10个情景,用于对每个选定参数的敏感性分析:两个基线条件(典型的夏季和冬季条件),每个基线条件-50%、-25%、25%和50%。不同城市城市布局的基线条件是固定的,建筑密度为50%,建筑高度为40 m。每个城市的基线夏季和冬季条件来自TMY文件,分别选择每日最高和最低日环境温度的天数作为每个城市的夏季和冬季条件。仿真结果如图5所示。


▲ 图5:气候和建筑环境影响的敏感性分析


气候和建筑环境对不同条件下凉爽和绿色屋顶的建筑节能的重要性水平:(a)环境温度对典型夏季条件下节能的重要性水平;b 在典型的冬季条件下,环境温度对节能的重要性水平;c 在典型的夏季条件下,相对湿度对节能的重要性水平;d 在典型的冬季条件下,相对湿度对节能的重要性水平;e 在典型的夏季条件下,建筑物高度对节能的重要性水平;f 在典型的冬季条件下,建筑高度对节能的重要性;g 典型夏季条件下建筑密度对节能的重要性;(h)在典型的冬季条件下,建筑密度对节能的重要性水平。


敏感性分析表明,与冷屋顶相比,绿色屋顶对周围气候和建筑环境的变化表现出更高的敏感性。值得注意的是,两种屋顶系统的节能性能受夏季环境温度变化的影响最大(图1)。相反,相对湿度的变化对两种屋顶系统的节能性能影响最小(图5a)。5c)。


在伦敦的夏季条件下,冷屋顶曲线的斜率为-0.447,而绿色屋顶曲线的斜率为-0.459。这表明建筑节能对温度变化具有高度敏感性。然而,在冬季,两种屋顶系统提供的节能对环境温度变化变得不那么敏感。在洛杉矶,随着气温的升高,绿色屋顶的节能效果有所改善(斜率=0.144;无花果。5b),这可归因于其地中海气候。在这样的气候下,植物的低蒸发率和蒸腾速率减少了植被的热量损失,允许更多的热量通过隔热土壤层储存在建筑物内。相较于两种屋面系统环境温度对建筑节能的显著影响,湿度对冷屋面节能能力的影响最小(图1)。5c,d)。同样,绿色屋顶节能对相对湿度变化的敏感性通常有限。


关于建筑布置的影响(图1)。5E–H),随着建筑高度和建筑密度的增加,冷屋顶和绿色屋顶的节能量分别呈递减和增加的一致模式。在夏季,两种屋顶系统对建筑环境变化的节能效应的敏感性相似。对于冷屋顶,该线的斜率范围为-0.217至-0.062,对于绿色屋顶,该线的斜率为-0.221至-0.087,对应于不同的建筑高度范围。两种屋顶系统相对于不同建筑密度的线斜率分别为 0.174 至 0.206 和 0.170 至 0.214。在冬季,两种屋顶系统之间节能效果的敏感性差异可能更为显著。研究发现,与冷屋顶相比,绿色屋顶提供的节能对建筑环境的变化更敏感。在洛杉矶观察到建筑环境对两种屋顶系统节能的影响最大。



在当前和未来的气候情景下,通过绿色屋顶和冷屋顶实现建筑物的节能:


鉴于湿度对两种策略节能效果的影响有限,在2021-2100年3种SSP情景(SSP 1-2.6、SSP 2-4.5和SSP 5-8.5)的敏感性分析中仅考虑温度变化。使用方程估计每小时温度。利用了每个城市的当前TMY天气文件和六个选定的全球气候模式(即HadGEM3 GC31-LL、MIROC6、MRI-ESM2-0、CMCC-ESM2、ACCESS-CM2和BCC-CSM2-MR)的平均未来预测值。然后,在这三个SSP下,探索了冷屋顶和绿色屋顶的未来节能潜力,基于两个屋顶系统的节能与2100年前的气候预测之间的关系,预测了2200年前的节能性能的未来趋势。图6显示了未来气候情景下,两种屋顶系统在六个城市的建筑节能方面的表现。


▲ 图6:未来不同情景下冷绿屋顶的建筑节能效果


在六个城市的三种SSP情景下,冷屋顶和绿色屋顶的未来建筑节能性能:(a)开罗两个屋顶的未来建筑节能;b 未来香港两座屋顶的建筑节能;c 首尔两个屋顶的未来建筑节能;d 未来伦敦两个屋顶的建筑节能;e 洛杉矶两个屋顶的未来建筑节能;(f)圣保罗未来通过两个屋顶节省建筑能源。


结果表明,冷屋顶和绿色屋顶在减少建筑能源使用方面的有效性因气候带和未来气候变化情景而异。随着未来全球气温上升的预期,全球空调能源需求有望上升。同时,冷屋顶和绿色屋顶提供的节能效果预计也会增加。在以显著变暖趋势为特征的情景(即SSP 5-8.5)中,两个屋顶的节能效果通常更为明显。在未来的大多数条件下,与绿色屋顶相比,冷屋顶往往具有更显著的节能效果。图 6f 显示,冷屋顶可以实现圣保罗最高的建筑节能效果,范围为 1.09 kWh/m2至 1.91 kWh/m2到 2100 年,在三个 SSP 下,相当于 HVAC 总能耗的 37.22% 至 65.52%。这可以用未来几十年预期的重大全球变暖趋势来解释。


平均而言,全球气候模型预测,从2021年到2100年,全球平均气温分别上升约1°C、2°C和4°C,SSP为1-2.6、2-4.5和5-8.5。然而,某些城市的气温上升幅度可能高于全球平均水平。例如,预计到2100年,圣保罗的平均气温将上升1.12°C、2.54°C和5.50°C。


在位于开罗、香港、洛杉矶和圣保罗等温暖气候带的城市,在相同的SSP情景下,冷屋顶在降温节能方面通常优于绿色屋顶,但洛杉矶除外,绿色屋顶在未来气候下表现出更好的节能性能(图1)。值得注意的是,在SSP 5-8.5下,到2100年,圣保罗绿色屋顶的节能量可达暖通空调总消耗量的71.72%。在较冷的城市,如首尔和伦敦,供暖的能源需求很高,绿色屋顶可能比冷屋顶更节能,因为它们具有隔热效果,有助于保持室内环境温暖。


因此,建议未来在这些城市优先实施绿色屋顶。两种屋顶系统之间节能性能的这种对比在图中也很明显。6c,d。在首尔未来的气候中,绿色屋顶可以节省最多的能源,超过2 kWh / m2(约占暖通空调总能源使用量的 30%)在当前和未来的气候情景下。然而,随着全球变暖的加剧,对供暖的需求预计将减少。因此,在伦敦和首尔的未来气候中,特别是从2100年到2200年,可以观察到冷屋顶的节能量呈显著上升趋势。





讨  论  :


冷屋顶和绿色屋顶是两种节能策略,具有降低建筑能耗和促进减缓气候变化的巨大潜力。然而,它们的有效性可能因特定的建筑环境和气候条件而异。因此,仔细评估它们在不同情况下的性能非常重要。本研究评估了在当前和未来气候情景下,全球六个城市局部气候区的冷屋顶和绿色屋顶在建筑节能方面的潜力。讨论部分主要围绕冷屋顶和绿色屋顶的节能效果预测及其未来的潜在应用。


研究结果表明,与冷屋顶相比,绿色屋顶对室外环境条件的变化更敏感,如图所示。5. 这是因为绿色屋顶的性能取决于屋顶上植物的生长和健康,而屋顶植物的生长和健康会受到温度、降水和阳光等环境因素的影响。相比之下,冷屋顶的节能效果受环境变化的影响较小,因为它们主要依赖于屋顶表面的反射特性。因此,在气候温暖、多云或多雨的地区,由于蒸发和蒸腾速率降低,绿化降温效果受到限制,使用冷屋顶可能更适合降低建筑物的降温能耗。同时,在炎热和阳光充足的地区,冷屋顶和绿色屋顶都能可靠地减少全年的能源需求。然而,在相对寒冷的地区,只有绿色屋顶才能有效减少建筑物的供暖能耗。这些发现与现有文献一致。


此外,考虑城市建筑环境也很重要,因为它会显著影响冷屋顶和绿色屋顶的性能。应仔细评估和建模相邻建筑物的潜在遮蔽效应。一些研究还建议在实施这些缓解策略之前进行太阳模拟,以确保其有效性。


该研究预计,绿色屋顶在温度迅速升高和降水量持续较低的城市(如洛杉矶)具有巨大的应用潜力(图1)。这些城市的特点是潮湿的亚热带气候,夏季炎热潮湿,冬季温和。同样,相对寒冷的城市,如气候温和、冷热季节分明的首尔,也可以从绿色屋顶中受益。在热带地区和一些以高温和强烈太阳辐射为特征的亚热带地区(例如开罗、香港和圣保罗,见图1)。6a、b、f),冷屋顶被发现在减少未来建筑能源使用方面更有效。


然而,重要的是要考虑城市地区的缺水问题,因为这些地区的绿色屋顶可能需要灌溉。一项研究发现,在开罗这样的沙漠气候中,绿色屋顶几乎是干燥的,因此绿色屋顶的大多数特性都不起作用。此外,如图6c,d所示,从2100年到2200年,伦敦和首尔未来气候下冷屋顶的建筑节能性能急剧上升,表明随着全球变暖趋势的持续,冷屋顶的潜在应用范围更广。


考虑到气候变化的因素,本研究为在全球范围内实施冷屋顶和绿色屋顶以实现未来建筑节能提供了有价值的指导。以前的研究往往集中在这些解决方案的当前应用上,而没有考虑它们对气候变化的未来影响。


▲ 图 7:全球实施冷屋顶和绿色屋顶以节省建筑能源的适用性


在考虑在建筑开发中实施冷屋顶和绿色屋顶时,不仅要考虑其节能效果,还要考虑其经济和环境效益。冷屋顶是一种具有成本效益的安装和维护选择,而绿色屋顶则提供额外的好处,例如减少 UHI 影响、改善空气质量、管理雨水和提高屋顶的耐用性。在高度城市化地区,绿色屋顶可以带来更多好处,包括改善城市景观和居民福祉。因此,冷屋顶和绿色屋顶之间的决定也应该基于对项目目标、当地条件和优先事项的综合评估。


综上所述,本研究评估了绿色屋顶和冷屋顶在不同环境气候和城市建筑环境中的节能性能。它考虑了六个全球城市当前和未来的气候变化情景:开罗、香港、首尔、伦敦、洛杉矶和圣保罗。为了提高建模的准确性,开发了一种综合方法,将气候变化建模和建筑能源模拟相结合。


本研究的主要发现如下:


与传统建模方法相比,集成建模框架可更精确地估算每小时和每月的建筑能源使用量。


冷屋顶和绿色屋顶的节能效果很大程度上取决于实施它们的气候区。这两种屋顶系统在减少各种气候下的制冷能源需求方面都显示出巨大的潜力,而在气候较冷的城市中,应考虑与冷屋顶相关的供暖能源需求的增加。


冷屋顶和绿色屋顶的节能效果受到城市建筑环境的影响。低层建筑的节能性能最好,随着建筑高度的增加,节能性能呈下降趋势。


在未来温室气体排放量高(SSP 5-8.5)的情况下,冷屋顶和绿色屋顶有望为建筑物节省更多的冷却能源。在未来的气候预测中,应考虑全球变暖对减少建筑供暖能源需求的影响





关于绿色屋顶与冷屋顶


绿色屋顶:



绿色屋顶可以安装在各种各样的建筑物上,从住宅到公寓和办公室-只要建筑物配备有平坦或低坡度的屋顶。绿色屋顶主要有三种类型:粗放型、半集约型和集约型。



大面积的绿色屋顶通常要简单一点,植物更小,更容易管理,生长的中等深度为2到4英寸。一旦它们完全长大,它们的重量相对较轻,维护费用也较低。



半密集型绿色屋顶,也被称为屋顶花园,比大面积屋顶稍重,通常由模块化容器组成。尽管需要更多的维护和灌溉,但它们可以提供比其他类型的绿色屋顶更具雕塑感的外观。



集约型绿色屋顶可能有点复杂。这些屋顶通常以大型植物为特色,如完整的树木和灌木,类似于您典型的花园或公园。它们需要更多的结构支持比广泛或半密集的绿色屋顶,往往成本多一点。密集型屋顶也可能需要更多的维护。



冷屋顶:



冷屋顶技术的核心是两个关键特性,高太阳反射率(能够反射太阳的可见光、红外线和紫外线波长,减少向建筑物的热传递)和高热发射率(辐射吸收或非反射太阳能的能力)。与传统材料制成的屋顶相比,这些特性使凉爽的屋顶在阳光直射下保持较低的温度。冷屋顶有各种材料和类型,每种材料和类型都适合不同的屋顶需求和审美偏好:


涂层屋顶:特殊的反光涂层可以应用于现有屋顶,增强其反射性能。

单层膜:这些是卷到屋顶上并用机械紧固件固定的预制板材,用化学粘合剂粘附,或用压载物(石头、摊铺机)固定到位。

凉爽的屋顶瓦片和瓦片:有多种材料可供选择,例如赤陶或板岩,这些材料经过专门设计,可以反射更多的阳光。




▌编辑:同辰建筑

▌来源:Nature、友绿网