【科研动态】绿色屋顶和冷却屋顶在当前和未来的气候下的建筑节能潜力

在过去的四十年里，建筑能源需求以每年1.8%的速度稳步增长，累计增长了惊人的72%。鉴于建筑环境对能源需求、温室气体和空气污染物排放、人体健康风险和不适等方面的重要贡献，开发可行的方法来减少建筑能源使用量变得越来越重要。本研究调查了两种常见节能策略 - 绿色屋顶（green roof）和冷却屋顶（cool roof）在减少建筑能耗方面的节能潜力。许多研究表明，绿色屋顶和冷却屋顶在减少能耗方面的效率受到当地气候条件和建筑特性的显著影响。然而，大多数研究只考虑了基于有限建筑物的案例研究，或者主要关注夏季，导致缺乏研究了解气候和建筑环境变化如何影响这些技术的节能潜力。此外，虽然现有研究探讨了绿色屋顶和冷却屋顶在当前气候条件下的有效性，但这些技术在未来气候情景下的性能仍旧是一大研究空白。因此，需要进行一项综合研究，比较这两种技术在当前和未来气候条件下的效果。

建筑物的供暖、制冷和通风需求受到气象反馈的显著影响。研究表明，将室外温度降低1°C可以使建筑能耗减少5%。准确预测和建模气象反馈对于优化建筑能源性能和减少能耗至关重要。建筑能源模拟模型通常使用典型气象年（TMY）气象文件来表示历史和当前的气候条件。然而，需要注意的是，TMY数据通常基于单个气象站的长期历史天气数据，可能无法准确代表远离观测站的其他位置的天气条件。因此，需要额外的建模技术来融入环境微尺度气候条件，并确保能源模拟结果的准确性。

为了解决现有研究的空白，本研究提出了一种综合方法，研究在不同气候情景下绿色屋顶和冷却屋顶减少建筑能耗的潜力。该方法结合了气候变化模拟和建筑能源模拟，以量化气候变化对建筑能源需求的影响。具体的研究目标包括：（1）开发综合建筑能源模拟的集成建模方法；（2）探究当地环境气候对绿色屋顶和冷却屋顶节能性能的影响；（3）探究城市建筑环境对两种屋顶类型性能的影响；（4）预测在不同共享社会经济路径（SSPs）情景下两种屋顶类型的节能性能。图1说明了该综合模拟方法的技术路线。

图 1 该综合模拟方法的技术路线

基于图1所示的集成建模框架，我们模拟了在不同局部气候条件下的六个城市建筑在一年期间的能源使用情况。我们将安装冷却屋顶和绿色屋顶的建筑与使用普通混凝土屋顶没有任何节能策略的参考建筑的能源消耗进行了比较。

研究发现，冷却屋顶和绿色屋顶的节能性能在不同气候条件下存在差异。冷却屋顶的平均冷却能源减少率在67.18%到86.70%之间变化，而绿色屋顶的平均减少率在63.38%到83.21%之间变化。在大多数研究区域中，冷却屋顶的冷却能源减少效果略优于绿色屋顶。在伦敦和圣保罗等城市，冷却屋顶和绿色屋顶的最佳冷却能源减少效果分别达到了86.7%和87.9%，这是由于不同的建筑环境造成的。然而，前者在所有城市中增加了建筑的供暖能源负荷。在全球不同气候条件下，无论是冷却屋顶还是绿色屋顶都可以有效减少建筑的冷却能源消耗，但应该谨慎考虑使用前者的建筑的供暖能源增加问题，特别是在气候较寒冷的城市。

在这项研究中，城市建筑环境基于局部气候区域（LCZs）进行了分析，确定了不同建筑环境中两种屋顶类型的冷却和供暖能源的年度减少范围。结果表明，城市建筑环境在决定冷却屋顶和绿色屋顶的节能效果方面起着至关重要的作用。冷却屋顶的平均能耗减少率在39.30%到100%之间变化，绿色屋顶的平均能耗减少率在38.38%到100%之间变化。值得注意的是，LCZ 3和LCZ 6，这两个由低层建筑组成的区域，安装冷却屋顶或绿色屋顶可以实现显著的年度冷却能源需求的降低。随着建筑高度的增加，两种屋顶类型的冷却能源减少效果逐渐降低。绿色屋顶在不同LCZ中的建筑供暖能源节约性能在47.4%到100%之间变化，并且随着建筑高度的增加而减少。然而，建筑环境与冷却屋顶的供暖能源减少效果之间的关系并不直接。在LCZ 3中，冷却屋顶引起的供暖能源增加最高，达到13.7%。

我们对2021-2100年的三个未来SSP情景（SSP 1–2.6、SSP 2–4.5和SSP 5–8.5）下的两种屋顶的建筑节能潜力进行了模拟，并基于两种屋顶系统的节能效果与气候预测之间的关系，对节能性能的未来趋势进行了持续预测。图2展示了在未来气候情景下六个城市中两种屋顶系统在建筑节能方面的表现。

整体而言，全球气候模型预测在SSP 1–2.6、SSP 2–4.5和SSP 5–8.5情景下，从2021年到2100年，全球平均气温分别上升约1℃、2℃和4℃。然而，某些城市的温度增加可能超过全球平均水平。例如，根据这三个SSP情景，到2100年，圣保罗的平均温度增加可达1.12℃、2.54℃和5.50℃。在开罗、香港、洛杉矶和圣保罗等位于温暖气候区的城市中，冷却屋顶在相同的SSP情景下通常比绿色屋顶在冷却能源减少方面表现更好，除了洛杉矶，在未来的气候中，绿色屋顶显示出更好的节能性能。值得注意的是，到2100年，在SSP 5–8.5情景下，圣保罗的绿色屋顶节能可达总暖通空调能源消耗的71.72%。在首尔和伦敦等寒冷城市，供暖需求较高，绿色屋顶可能比冷却屋顶提供更大的节能效果，因为绿色屋顶的绝缘效果有助于保持室内环境温暖。因此，未来在这些城市中优先实施绿色屋顶是明智的选择。在首尔的未来气候中，绿色屋顶在当前和未来气候情景下都可以节约最多的能源，超过每平方米2千瓦时（约占总暖通空调能源使用量的30%）。然而，随着全球变暖的加剧，供暖需求预计会减少。因此，从2100年到2200年，可以观察到冷却屋顶在伦敦和首尔的未来气候中出现显著的能源减少趋势。

图2 未来不同场景下绿色屋顶和冷却屋顶在研究区的建筑节能效果

研究结果表明，与冷却屋顶相比，绿色屋顶对室外环境条件的变化更为敏感，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状况，而这些因素受到温度、降水和阳光等环境因素的影响。相比之下，冷却屋顶的节能效果不太受环境变化的影响，因为它们主要依靠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，绿色屋顶的冷却效果有限，使用冷却屋顶可能更适合减少建筑物的冷却能耗。同时，在炎热和阳光充足的地区，冷却屋顶和绿色屋顶都能有效持续的减少全年建筑能源需求。然而，在相对寒冷的地区，只有绿色屋顶对于减少建筑的供暖能源使用是有效的。这些结果与现有文献的研究结果一致。此外，考虑到城市建成环境对冷却屋顶和绿色屋顶性能的显著影响也很重要。需要仔细评估和建模邻近建筑的潜在遮挡效应。一些研究还建议在实施这些减缓策略之前进行太阳能模拟，以确保其有效性。

该研究为全球范围内实施冷却屋顶和绿色屋顶以实现建筑节能提供了有价值的指导，考虑了气候变化的影响。以往的研究往往只关注这些解决方案的当前应用，并未考虑它们与气候变化相关的未来影响。图3展示了基于本文研究论文，预测在全球范围内冷却屋顶和绿色屋顶以实现建筑节能的适用性。

图 3全球范围内冷却屋顶和绿色屋顶实现建筑节能的适用性

冷却屋顶和绿色屋顶是两种具有显著潜力的节能策略，可以减少建筑能源消耗，并为应对气候变化作出贡献。然而，它们的效果可能因具体的建筑环境和气候条件而异。因此，有必要在不同情景下仔细评估它们的性能。该研究评估了当前和未来气候情景下，在六个全球城市中，冷却屋顶和绿色屋顶在减少建筑能源消耗方面的潜力。这些信息可以用于指导选择和设计不同城市地区适当的屋顶缓解策略，帮助它们适应和减缓未来气候变化的影响。