在城市地区模拟降低空调负荷以减少二氧化碳的排放量外文翻译资料

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在城市地区模拟降低空调负荷以减少二氧化碳的排放量

Yujiro Hiranolowast;, Tsuyoshi Fujita

社会和环境系统研究中心，国家环境研究所, 16-2, Onogawa, Tsukuba, Ibaraki 305-8506, Japan

摘要：在本文中，如城市绿化种植和采用高反射率的涂料的措施，以减轻城市

热岛效应，节约能源，并减少二氧化碳排放量进行了评估。作为一个典型的节能式建筑，减少内部热源和提高绝缘也进行了评估。我们在城区用一个耦合的城市冠层和建筑能源模型来预测建筑物的热负荷，空调能耗的影响和空气温度的变化。在这个模型中，一个垂直的一维局部大气模型，再加上空调负荷建筑物计算模型，使得能够评估由于空调的使用导致的人为热源的释放与外部热环境的相互作用。在这项研究中，我们选择了日本川崎市作为目标研究区域。对典型城区进行评估时，种植绿色植物或增加反照率使温度降低分别达到0.6–1◦C和0.1–0.5◦C，并且在一个典型夏日分别节能40–80和70–90 kJ/m2/day（单位建筑面积）。在整个目标研究区域，从大规模评估的结果显示城市绿化或反照率增加实现了节能最大化，多达400 t-CO2/day。

关键词：城市热岛 节能 空调负荷模拟 城市热环境 二氧化碳减排

1. 引言

节能减排以减轻全球变暖是一个重要的研究课题。尤其需要关注的是需要抵消在城市地区用于空调的能源使用的增长。在城市，人工土地覆盖，人造热等等是城市化温度上升的重要原因（即城市热岛效应）【1-3】。城市热岛效应的不断恶化不仅使城市夏天的生活舒适度降低，并且涉及更高峰电气负载和用于空调的能源消耗【2-7】。因此，改善城市热环境是应对全球变暖和城市热岛效应的重要措施。

各项研究已评估了热岛效应对包括东京【8】，雅典【9-11】，伦敦【12-14】,和台北【15】在内的多个城市能源消耗的影响.在最近几年，已经对热岛效应有了足够的了解，下一步就是减轻它的负面影响。实际上，近几年来，提议缓解措施例如城市绿化，城市反照率增加和透水性路面，并汇报自己的减排效果调查，已经变得越来越普遍。尤其是在美国和加拿大，许多缓解热岛效应的研究评估正在进行【16-24】。然而，由于这些研究结果取决于各种因素，如当地气候

条件，建筑风格和生活方式，因此他们的研究结果不足以广泛应用。更具体地说，一些研究评估是在日本炎热潮湿的夏天进行的。

Hirano和Fujita【8】开发了一种新的方法通过考虑空间和时间分布的两种能量消耗和空气温度来评估热岛效应对能源消耗的影响。然而，这种方法是基于能量消耗到环境温度的敏感性，由于空调的使用和人为热排放的相互作用，外部热环境无法表达。此外，只能在室外温度变动的情况下评估，它不可能准确的评估随环境变化的建筑表面温度（例如：降温屋顶【25-34】）。在近几年，许多研究反应城市的几何形状对温度，空气流量和包括城市冠层的辐射条件【35-40】的影响。然而，因为Hirano and Fujita【8】利用中尺度气象模型假定城市土地是一个具有大的粗糙长度和小的反照率的平坦表面，城市冠层的效果无法表达。因此，一个更现实的方法就是使用空调负荷计算近似评估空调能耗。此外，为了表达能量消耗和外部温度的相互作用影响，以及建筑表面温度变动的影响，物理变量诸如空调负荷，空气温度，在建筑物表面的热平衡，通过屋顶的热传导和墙壁都被同时计算。

本报告研究了对热岛的缓解和减少二氧化碳排放量使用耦合城市冠层和节能式建筑【41-45】以减少冷负荷的影响（例如：种植绿色植物，城市表面涂高反射率的涂料，减少内部热量，和增加绝缘）。在本文，基于模型的模拟，空调的负荷变化程度由上述措施被详细考虑。此外，空间计算方法是确定的，整个城市规模的二氧化碳减排量是估计的。

1. 计算条件

一个耦合的城市冠层和建筑能源模型被用来预测在城市区建筑物的热负荷和空气温度的变化和空调使用造成的能源消耗（Fig.1）。

城市冠层模型是由Kondo和Liu【46】研发，并由Kikegawa等人【41】、Kondo等人【42】和Kikegawa【43】等人改进。这个模型是一个局部大气模型，市区的参数采用了平均建筑宽度，楼与楼之间的距离和建筑物的垂直密度为了表达水平连续均匀的区域多个一维垂直层状态。这个模型假设一个一维垂直多层大气并做气象要素计算，例如空气温度、湿度、风速。这个模型假定建筑是均匀的长方体形状的，并且放置在规则的间隔。建筑的高度分布是由每一层的建筑密度表达。在冠层的短波和长波辐射运用三维计算方式，并且计算建筑屋顶表面、地表和侧墙的每一层的每个方向的热平衡及表面温度。

建筑节能模型由Kikegawa等人【41】和Kikegawa等人【43】研发。用于计算该模型空调负荷，并能够计算城市街区大规模的空调负荷，其中包括进入的室外大气与城市冠层模型的相互影响。该模型在一个单间计算的热平衡是基于假设每个建筑是一个箱子，并且对于空调用的参数是通过除去空调的显/潜热的量被计算的（即空调负荷），如温度设定，作业计划，空调空间比例等等。空调的性能系数计算（COP）也基于房间内的热平衡计算，考虑到COP对空调负荷的依赖。从所计算的空调负荷和空调的COP，通过空调的能源消耗和计算的人为热，再次反映室外温度计算的城市冠层模型。

对于本研究中使用的模型，办公区域的电力温度敏感性已通过与电源数据的比较验证【41】，并且通过与一般住宅建筑空调负荷计算软件的重复比较验证【43】。此外，对于本研究的天气条件，我们已在市区进行气象观测，并多次验证室外天气要素的重要性【44】。而且，对于环境温度的能耗敏感性我们已通过交叉对比的多方面评估方法验证了冷却能耗的温度敏感性【47】。

本项研究的目标包括日本川崎市所在区域（Fig.2）。川崎市是一个商业和工业集中城市，毗邻首都东京，比较著名的是以前报道的热岛【4,8,48-52】。川崎市整体是一个东南向西北的狭长形状。其东南边界是填埋区，并且临近东京湾。其密集区坐落于东南区域中心，西北内陆地区主要是天然住宅。这个地区被分为一个500米的网格（见Fig.2），并基于这些网格进行模拟运行。Kikegawa等人用类函数法将三个典型区域之一的每一个网格单元调查分类【43】：办公区域，耐火建筑住宅区，木质结构住宅区。表1总结了各区域的几何参数，为应对全球变暖强制采取将二氧化碳排放强度设定为0.371 kg-CO2/kWh的电力和2.08 kg-CO2/m3的城市天然气【53】。在综合能源统计【54】的基础上规定每单位产热量为44.8 MJ/m3。

为了模拟典型的夏日，我们选择的日期范围是2002年7月27-29日，代表偶尔晴朗并略微阴凉的时期，此时正是日本受太平洋反气旋影响。为了验证该模拟，我们有市区内进行的气象观测，并对这个模型的计算结果进行了比较【44】。在此期间，模拟再现性利用大气观测数据证实，通过Ohashi等人【44】的计算本研究初始值与上边界条件相同。在前两天的初步计算运行后使用第三天的研究结果。一个标准情况和每个特殊情况是根据Kikegawa等人【41-43】的条件决定的。表2表示标准的情况，表3表示被修改了的条件。

假设最多60%的屋顶和墙壁表面可以用于种植的绿化和增加反照率的对策。然而在地面上，高反照率涂料可应用于道路和停车面，但在这些表面绿化是很困难的。虽然进一步的研究需要评估在何种程度上各自的对策可以在这些表面上实现。本项研究场景中，种植绿化和反照率的升值可能分别为地面的20%和60%。在这种模式下，植被表面的水蒸气传输电导被设定为常数值，并且蒸发效率在该设定值，大气条件和其他变量下计算。根据作者对高反射率涂料【55】的观测，反照率增加量为屋顶0.83，墙和地面0.64.这里的0.83是白色涂料的高反射率值，0.64是浅色涂料的高反射率值。我们在施加涂料的混凝土表面使用辐射计，与标准白板的比值得出这些反照率。选用这些值是因为建筑的屋顶可使用白色涂料，考虑到炫光和墙壁，水平地面，道路空间的美学问题。

其他节能技术概述在表3也进行了评估：减少内部热量的来源和增加绝缘。减少内部热量的情况下假设建筑物内的节能做法将减少通过灯光和设备所产生的热。此方案仅评估了减少空调负荷所产生的少量机械热能，忽略了实际上被灯光和设备消耗的储蓄能源。基于Kikegawa等人【43】的条件增加了保温箱中的屋顶和外墙外保温。

1. 典型地区的结果

3.1.标准情况

Fig.3显示标准情况下三个典型区域的空气温度计算结果。在办公室和住宅区的耐火温度变化比木制住宅区小，具有较高的夜间温度。这可能是由于建筑物的较高的热容量，或减少辐射供冷造成的不可用的开放空间。在任何情况下，城市冠层效应都很明显。

Fig.4显示标准的情况下，建筑物内的计算热平衡，表明各城市区类型之间的差异。当太阳高度较低时，窗口的双峰模式发射辐射值更容易通过阳光渗透。然而，由于这个模型假设的建筑是在一个虚拟空间中规则对齐的矩形固体，那阴影从南部导向的建筑在中午会影响窗口传输辐射的可能性，需要进一步验证。在住宅区办公室日照的窗口的峰值相对较小。这样做的第一个原因是因为办公区有大型的建筑物，因此，窗口发送日照每建筑面积变得比较小。二是kikegawa等人【41】通过窗口发送的总辐射率设置较低的办公区，住宅区（见表2）对应于与百叶窗的设置.在白天耐火住宅区的建筑物的屋顶和墙壁的传导性热传递的值为负。这是因为在白天住宅空调的工作速率较低，并且平均室温在非空调区域由于来自窗口辐射比室外温度高。虽然缺乏足够的现场数据，需要进一步的调查，在未来，这些计算结果可以被认为是相对有效的定性基础。

3.2研究对策地点

表3总结了在屋顶，墙壁，地面采用空间绿化或高反照率的涂料时使用的各种设置。结果取决于所利用的对策，并对七种对策组合进行了模拟。Fig.5对标准与对策的室内热平衡的日平均差异（Fig.4）进行了对比。Fig.5显示了每个绿化情况如何导致较低的热负荷，当屋顶和墙壁上布满了绿化时，用在导电热负荷有明显的减少。

即使在地面上安装了绿色环保的植物，但温度下降造成的导热热略有下降，但在相对较低的水平。相反，增加绿色植物通过通风增加的热量渗透。这主要是因为加入湿度的潜热负荷的上升量超过了温度下降的显热负荷的减少量。在增加的反照率的情况下，当涂料施加到屋顶和墙壁是传导热负荷显著降低。当地表的反照率仅为办公区而增加时，导电性略上升，但是这可能是由于进入墙壁地面反射的辐射。在任何情况下，窗口发射日晒值都增加。当地面反照率增加，窗户透射辐射足以导致热负荷增加。然而，热负荷经由空气通风只有一个小的变化，在空调负荷由于在外部空气温度的降低幅度都相对较小。通风热渗透发现略有增加，在一些情况下，在木质住宅区的反照率增加，但这是由于在室温下与较低的导电热负荷降低。这些变化较大的结果是白天室温下住宅区对空调操作率较低造成的。

3.3节能和热岛缓解的影响

Fig.6中，用于热岛缓解的降温和节能策略进行对比。在这项研究中，屋顶，墙壁，地面的绿化和屋顶和墙壁的高反照率涂料都被运用。因为安装室外绿化,增加反照率改变建筑和地面热量平衡,温度下降的影响似乎高于其他节能措施,如内部热量减少,增加绝缘。此外，Fig.6显示了在地面的空气温度的差异，因为在地面上的热量平衡变化的影响变得比较大。但是，增加的反射率的情况下假设只在屋顶和墙壁采用高反射率的涂料，温度降低的影响似乎比安装绿化情况低。因此，安装一个有着最小的建筑与土地的比例的木制住宅区，可达到最高的降温效果。对于办公区，相对于住宅区安装绿化和增加的反照率的温度降低的影响较小。这主要是因为办公室区建筑比例高，并在地面上的热平衡变化的影响变得相对较小。此外，热平衡的变化很容易被周围建筑物的阴影效应影响。基于这些效果，绿化种植达到最大降温效果，每日平均减少0.6–1.0 ◦C。温度下降了0.1–0.5◦C与反照率增加的情况下，这将帮助热环境的改善。

人为热还原的影响和建筑表面的热通量变化的影响之间的相互作用的复杂性使得很难清楚地确定在其他情况下的趋势。但是，与安装绿化或增加反照率相比，每一个其他情况下导致相对较小的变化。在内部加热还原情况下，温度在每个区类型稍微减小。这是由于减少人为热的节能。在增加保温的情况下，在木制住宅区温度略有增加。在这种情况下，建筑物表面的热容量因绝缘减小，因此，表面温度的变化范围变大，造成的影响，取决于不同的条件。然而，内部的热量减少的情况下，增加保温箱对每日平均温度不到0.1℃的影响。Fig.7比较节能效果的各种方案，通过屋顶，墙壁和地面表示绿化，屋顶和墙壁表示反照率。研究中使用的条件下，种植绿化和增加反照率节能效果显著。对于住宅区，虽然温度降低的影响是在安装一个绿色的情况下比在增加反照率的情况下（见Fig.6），节能效果是在增加的反照率的情况下比在安装的绿化情况。这主要是因为由于减少室外温度，下降的表面温度的直接影响似乎是大于间接影响。对于办公区，虽然在安装绿化的情况下，温度降低的影响和增加的反照率的情况下是比较小的（见Fig.6），但是节能效果相比住宅区不小。这是因为，根据空调运行的时间表，在白天办公楼区的冷却能耗较高，很容易受表面热平衡影响。由于Fig.3中列出的情景不允许每个对策进行比较，这项研究并没有尝试比较每一种技术的相对优点来确定谁更有用。减少内部产生的热量在居住区影响不大，但在办公区有很大的影响。从内部产生的热量是空调负荷在能源密集型部门的重要因素（Fig.4），在办公区降低室内空调负荷是非常重要的节能手段。虽然温度在增加的绝缘壳中的木住宅区增加（见Fig.6），但是空调能耗下降了。这是因为空调的温度设定要比室外温度低，而保温层可以防止室

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