未来气候变化下不同屋顶类型的建筑能耗评估
2020年第12期（总第48卷第358期）建筑节能
■绿建筑设计与评价
doi ：10．3969/j．issn．1673-7237．2020．12．005
收稿日期：2020-02-29；修回日期：2020-12-16*基金项目：山东省高等学校“青创科技计划”资助项目（2019KJG005）；国
家自然科学基金资助项目（51608310）
新农村指导员总结未来气候变化下不同屋顶类型的建筑能耗评估
*
闫春辉，任
婧，刘吉营
（山东建筑大学热能工程学院，济南250101）
摘要：
随着未来全球气候变暖，基于典型气象年的气象数据，不能准确反映未来气象条件下的建筑
能耗变化。选取北京市典型气象年为基准年数据和IPCC 提供的月尺度预测数据，采用“变形”的降尺度方法，得到北京市2050年和2080年的逐时气象数据。使用能耗模拟软件EnergyPlus 对北京市三种不同屋顶配置（普通屋顶、冷屋顶和绿化屋顶）的多层住宅和办公建筑、高层住宅和办公建筑进行能耗模拟，定量分析不同屋顶配置和不同建筑类型在未来气候变化下的建筑能耗状况，为设计师提供了新的设计思路在未来气候变化下。
关键词：
气候变化；屋顶类型；EnergyPlus ；能耗评估
中图分类号：TU111.3文献标志码：A 文章编号：
1673-7237（2020）12-0030-06
Building Energy Consumption Assessment of Different Ｒoof Types under
Future Climate Change
YAN Chun-hui ，ＲEN Jing ，LIU Ji-ying
（School of Thermal Engineering ，Shandong Jianzhu University ，Jinan 250101，China ）
Abstract ：The typical meteorological year of Beijing is selected as the base year data and the monthly scale prediction data provided by IPCC ，and the hourly meteorological data of Beijing in 2050and 2080are obtained by using the “deformation ”downscaling method．The energy consumption simulation software EnergyPlus is used to simulate and quantitatively analyze the energy consumption of multi-storey residential and office ，and high-rise residential and office buildings with three different roof configurations （common roof ，cold roof and green roof ）in Beijing under the climate change．The energy consumption of buildings with different roof configurations ，different types of buildings on different floors under the future climate change are obtained．Assessment provides designers with a new design idea under climate change．
Keywords ：climate change ；roof type ；EnergyPlus ；energy consumption assessment
0引言
在过去的几十年里，已经有许多文献表明，全球
气候变暖正影响着人类的各项活动，例如农作物的生
产、电厂的发电量以及建筑的能耗等。随着我国城市化水平的不断提高，我国的建筑能耗在总能耗中所占的比例已从1978年的10%升至现阶段的40%以上，并且随着未来气候的变暖，建筑能耗占比必定还会升高，因此，这也加剧了城市热岛效应，对生态环境以及
人们的生活环境造成了严重威胁［1］
。建筑作为基础设施的一部分，需要在很长一段时间内（50 100年）
经受起气候条件的变化。目前，大多数建筑能耗模拟使用的气象数据是基于过去30年的典型气象年
（TMY ）数据，但随着全球气候的逐渐变暖［2］，使用该
气象数据进行能耗模拟可能无法反映未来气候情况
与未来建筑能耗的变化，会造成对建筑能耗的低估或高估。
国内外许多学者在探索未来气候变化条件下如何生成用于建筑能耗模拟的逐时气象数据，取得了很多进展，例如，外推统计法［3］
、补偿法［4］
、随机气象模
型法
［5］
以及全球气候模型法
［6］
。其中，外推统计法是
指使用外推统计历史天气数据的方法来预测未来的天气状况。具有简单、快捷的特点，但估计值存在较大误差。补偿法是指将预测由于全球变暖而产生的
3
未来气候应用于参考年气象数据上。它的优点是气候模型的相关信息很容易获得，且可以将TMY数据作为生成未来逐时气象的基准数据，但该方法是建立在一些假设之上，具有一定局限性。
最近几年国内外学者针对气候变化对建筑热工性能的影响进行了大量研究。Ｒobert和Kummert等人利
用未来50年的气象数据，对蒙特利尔与马赛纳两个不同地点的零能耗建筑进行能耗模拟，结果表明零能耗建筑在未来大多数年份中都没有达到零能耗的目标［7］。Chan等人通过使用未来三个时期（2011－2030年、2046－2065年和2080－2099年）和两个排放情景（SＲA1B和SＲB1）的气象数据，对香港某具有绿屋顶的办公建筑进行能耗模拟，得到了一个较为适宜的可以应对气候变化的绿化屋顶配置参数［8］。Arima等人创建了一个21世纪30年代“近未来设计”天气数据，通过使用该数据，对东京一座2层独立式住宅进行能耗模拟，得到了该建筑在8月份总热负荷增加了26%，潜热负荷增加了10%［9］。Hosseini等人通过利用TMY和2018－2037年的气象数据，对蒙特利尔的冷屋顶商场建筑进行能耗模拟，得出随着屋面太阳反射率增大，建筑的平均能耗和制冷能耗均降低［10］。
建筑屋面又称建筑的“第五立面”，约占城市总面积的25%左右，它的功能已经从初始的结构要求发展为现阶段的多方位能源互补的节能平台。常见的屋顶类型为普通屋顶、绿化屋顶和冷屋顶［11］。普通屋顶从上到下一般是由保护层、防水层、保温层和结构层组成。绿化屋顶则在普通屋顶的保护层上增加了基质层和绿化层［12］。冷屋顶又称反射屋顶，通过在屋顶涂上高反射涂料，使其具有高的太阳反射率，将大部分照射到屋顶的太阳辐射反射回天空。与普通屋顶和冷屋顶相比，绿化屋顶具有良好的生态效益，有效降低空调能耗，减少城市热岛［13］。由于在未来气候变化情况下，对于不同屋顶类型建筑之间的能耗对比评估还很少。因此，研究利用可以生成建筑能耗模拟的未来逐时气象数据，通过能耗软件对不同屋顶类型进行能耗评估和分析。
1研究方法
1.1未来气象数据生成
1.1.1气候模型及情景的选择
联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovern-mental Panel on Climate Change，IPCC）的第三次、第四次报告介绍了与世界人口、经济状况和技术有关的六种未来可能情景。根据20世纪八十、九十年代收集的数据，每一种情景都预测到了2100年的温室气体的具体数据。本研究将A2情景用作未来年份的
代表，即世界气温的增减与温室气体排放的增减是一致的。HadCM3气候模型被用来作为生成未来气象数据的基准模型，它是一个通用的环流模型，覆盖了整个地球，但是由于一般环流模型的数据是月平均值，所以必须采用降尺度的方法将月平均值转换为用于建筑能耗模拟的每小时数据。
1.1.2补偿法
本文通过采用补偿法来生成北京市2050年和2080年的气象数据。补偿法是将较为复杂的气候模型所预测的由于全球变暖而产生的未来气候信息应用于参考年的气象数据之上的方法。Belcher等人总结了一套常见的方法，称为“变形”方法，该方法中仅改变个别天气参数，忽略不同天气变量间相互关系［4］。
采用“变形”法来降阶HadCM3的数据，以北京市的典型气象天气文件作为“基准”气象参数，生成2050年和2080年的逐时气象数据。其中所谓“变形”方式主要是通过位移、线性拉伸、位移和拉伸相结合三种方式实现，分别如式（1） （3）所示。
x=x
+Δx
m
（1）五柳先生转
x=α
m
x
（2）
x=x
+Δx
m
+α
m
ˑ［x
－（x
）
m
］（3）式中：x0为现存的“基准”天气文件中的逐时气候变量；
Δx m为未来气候模型预测的在m月中月平均气候变量的绝对变化；
αm为根据未来气候模型中某一特定变量的月平均值相对于现有“基准”天气文件的变化，所计算出的一个伸缩因子；
（x
）
m
为现有“基准”天气文件中某一特定变量的月平均值。
以干球温度、湿球温度和水平太阳辐射强度为例，如下［14］：
（1）干球温度，dbt
未来逐时干球温度的获得，用到了“变形”中位移和拉伸结合的方法，因此，需要先计算出其伸缩比例因子，如式（4）：
αdbt=
ΔTMAX m－ΔTMIN m
（dbt
max）
m
－（dbt
min）
m
（4）式中：未来气候模型预测，ΔTM AX m为月平均干球温度的最大变化；
ΔTMIN m为月平均干球温度的最小变化；
（dbt
max）
m
为现有“基准”天气文件中，每日最高干球温度的月平均值；
13
（dbt
0min）
m
为现有“基准”天气文件中，每日最
低干球温度的月平均值。
那么，未来逐时干球温度如式（5）：
dbt=dbt
0+ΔTEMP+a
dbt m
ˑ（dbt
－〈dbt
〉
m
教师节祝福文案
）（5）
式中：dbt0为现有“基准”天气文件中的逐时干球温度；
ΔTEMP为未来气候模型所预测的m月月平均干球温度的变化；
〈dbt
0〉
m
为现有“基准”天气文件中，m月的月平
均干球温度。
（2）湿球温度，wbt
未来湿球温度的确定是通过未来干球温度和未来含湿量来确定的，因此，要计算出未来逐时含湿量，
用到“变形”中线性拉伸的方法，如式（6）、（7）：
αS m=1+SPHU
m
100
（6）
S=αs
m ˑs
（7）
式中：s0为现有“基准”天气文件中逐时含湿量；
SPHU
m
为月含湿量的百分比变化；
αS m为伸缩因子。
通过得到的未来逐时含湿量和逐时干球温度，在焓湿图上便可得到未来逐时湿球温度值。
（3）水平太阳辐射照度，gsr
未来逐时水平太阳辐射照度是通过“变形”中线性拉伸的方法获得，此方式已被国内外文献使用［4，15］，如式（8）、（9）：
αgsr m=1+ΔDSWF m
（gsr
）
m
（8）
gsr=αgsr
m ˑgsr
（9）
式中：ΔDSW F m为未来气候模型预测的m月月平均太阳辐射照度的变化；
（gsr
0）
m
为现有“基准”天气文件中m月月平均
太阳辐射照度；
gsr
为现有“基准”天气文件中逐时太阳辐射照度。
1.2不同屋顶类型
1.2.1绿化屋顶
绿化屋顶是在普通屋顶的基础上增加了植物层和基质层。植物层的能量传递包括辐射换热、对流换热以及植物蒸腾换热，能量平衡方程如式（10），植物层的显热换热和潜热换热较为复杂，分别如式（11）、（12）［16］：
F
f =σflash动画教程
f
［I
S
↓（1－α
f
）+ε
f
I
ir
↓－ε
f
σT f4］+
σfεgεfσ
ε1
（T
g
4－T
f
4）+H
f
+L
f
（10）
H
f
=（1．1LAIρ
af
C
p，a
C
f
W
af
）（T
af
－T
f
）（11）
L
f
=l
f
LAIρ
af
C
大年初五拜年祝福语f
W
af
γ（q af－q f，sat）（12）
式中：F f是植物层的净热流密度，W/m2；
σf为植物覆盖度，σf=0.9－0.7exp－0.75LAI；
I↓
s
为传入的总短波辐射，W/m2；
σf为树冠的短波反射率；
εf为树冠的发射率；
I↓
ir
为传入的长波辐射，W/m2；
σ为斯蒂芬－玻尔兹曼常数，5.67ˑ10－8W/
（m2·K4）；
T
f
为叶面温度，K；ε1为εg+εf－εgεf；
T
g
为土壤层表面温度，K；
H
f
为植物层显热热流密度，W/m2；
L
f
为植物层潜热热流密度，W/m2；
ρaf为植物冠层空气密度，kg/m3；
C
p，a
为空气定压比热；
C
f
为体积传热系数；
W
af
为树冠层风速，m/s；
T
af
为树冠层气温，K；
l
f
为植物层气化潜热，J/kg；
γ为表面湿润因子；
q
af
为树冠枝叶空气混合比；
q
f，sat
为叶面温度下的混合比。
土壤层能量传递包括辐射换热、对流换热、土壤
层显热换热、土壤层潜热换热和土壤层导热，能量平
衡传递模型如式（13），土壤层显热换热如式（14），土
壤层潜热换热如式（15）［16］：
F
g
=（1－σ
f
）［I↓
S
（1－α
g
）+ε
g
I↓
ir
－ε
g
T4
g
］－
（T4
g
－T4
f
）
σfεgεfσ
ε1
+H
g
+L
g
+Kˑ
T g
z
（13）
H
g
=ρ什么牌子的粉底好
ag
C
p，a
C
hg
W
af
（T
af
－T
g
）（14）
L
g
=C
e，g
l
g
W
af
ρag（q af－q g）（15）
式中：F g是土壤层的净热流密度，W/m2；
αf为土壤表面的短波反射率；
εg为土壤表面的发射率；
H
g
为土壤层显热热流密度，W/m2；
L
g
为土壤层潜热热流密度，W/m2；
z为土层厚度，m；
C
hg
为土壤层显热通量体积传热系数；
L
g
为土壤层气化潜热，J/kg；
q
g
为土壤表面混合比。
1.2.2冷屋顶
对于建筑屋顶来说，围护结构受到周围物体的长
波辐射影响很少，可以忽略不计。对于只受太阳辐射
和室外温度影响时围护结构得热量如式（16）所示［11］：
23
q=α
w （t
w
－!
w
）+ρI（16）
式中：αw为围护结构外表面换热系数，W/（m2·K）；
t
w
为室外空气温度，ħ；
!w为围护结构外表面温度；
ρ为表面吸收率；
I为太阳辐射强度，W/m2。
对于冷屋顶来说，增大屋顶外表面反射率，ρ值降低，屋顶得热量也将减少。根据规定，对于一个使用期限为3年的平屋顶建筑来说，其冷屋顶设计所需的最低太阳反射率为0.55［17］。
1.3建筑模型
参照相关国家及地方建筑节能规范［18］，本文采用建筑能耗模拟软件EnergyPlus，建立了北京市三种不同屋顶类型的多层住宅（6层）、高层住宅（11层）、多层办公（6层）和高层办公（11层）建筑模型，如图1，然后采用TMY、2050年和2080年气象数据进行了能耗模拟评估
。
图1建筑模型
不同屋顶类型的建筑物概况以及设备参数如表1所示。其中，冷屋面的太阳反射率为0.85（普通屋面为0.45），住宅楼的绿化屋顶关键参数设定为：LAI= 0.3，植被高度H=0.3，土层厚度Z=0.3m。办公楼的绿化屋顶关键参数设定为：LAI=0.3，植被高度H=0.5m，土层厚度Z=0.1m。
表1建筑模型概况及设备参数
模型一模型二模型三模型四建筑概况6层住宅楼11层住宅楼6层办公楼11层办公楼
窗墙比0.30.30.40.4围护结构传热系数/［W/（m2·K）］外墙：0.48；屋面：0.4；外窗：2.7；地板：0.83外墙：0.48；屋面：0.4；外窗：2.7；地板：0.83人员密度/（m2/人）359
灯光负荷/（W/m2）518
设备负荷/（W/m2）820
空气渗透ac/h0.5－
新风换气ac/h－2
屋面类型普通屋顶/冷屋顶/绿化屋顶普通屋顶/冷屋顶/绿化屋顶
因此，通过I PCC提供的未来气候的月尺度变化
和“变形”的降尺度方法，生成北京市2050年和
2080年的气象数据，评价建筑物在未来气候变化下能
耗状况，分析不同屋顶类型的建筑节能潜力。
2结果与分析
2.1未来气象数据的变化
在IPCC公布的A2情景下，北京市在2050年和
2080年的干球温度、湿球温度以及太阳辐射照度如
图2 4所示。从图中可以看出，2050年和2080
年的干
图2干球温度球温度和湿球温度相较于基准年均增加，其中在7－9月的干球温度和湿球温度增量最大。2050年干球温度在7－9月增量分别为3.09ħ、3.03ħ和2.71ħ，湿球温度在7－9月增量分别为2.77ħ、3.09ħ和2.75ħ。2080年干球温度在7－9月增量分别为5.70ħ、5.74ħ和5.21ħ，湿球温度在7－9月增量分别为4.54ħ、5.26ħ和4.94ħ。2050年和2080年的太阳辐射照度相较于基准年，在6－8月大体呈现增加趋势，在其他月份则呈现下降趋势，
但升
图3湿球温度
33
高或降低幅度均不大
。
图4
太阳辐射照度
2.2不同建筑类型能耗分析
通过模拟分别得到4个模型在普通屋面配置不
同气象数据条件下的全年建筑能耗，如图5所示。对
于不同类型的建筑来说，全年建筑能耗均表现为逐年增加，其中，相较于基准年，到2050年，高层办公建筑的全年建筑能耗增幅最大，约为17.3%，多层住宅建筑的全年建筑能耗增幅最小，约为8.3%；而相较于2050年，到2080年，四种建筑的全年建筑能耗增幅相差不大，约为17.2% 18.05%
。
图5
普通屋面配置下四种建筑模型在不同气象条件下的全年建筑能耗
图6为普通屋面配置下四种建筑模型在不同气
象条件下逐月的建筑能耗变化，从图中可以看出，随
着气候变暖，建筑制冷能耗增加，供暖能耗降低。在
基准年到2050年和2050年到2080年这两个阶段，多层建筑制冷能耗的增幅比高层建筑大，供热能耗降幅比高层建筑小；办公建筑制冷能耗的增幅总体上比住宅建筑大，供热能耗降幅比住宅楼小。其中住宅建筑在5月制冷能耗的增幅最大，在3月供热能耗的降幅最大；办公建筑在10月制冷能耗增幅最大，在3月供热能耗的降幅最大。其他建筑类型能耗增幅情况如表2所示
。
图6普通屋面配置下四种建筑模型在不同气象条件下的月建筑能耗表2
基准年到2050年阶段、
2050年到2080年阶段月建筑能耗增幅表月份多层住宅普通屋面
高层住宅普通屋面
多层办公普通屋面
高层办公普通屋面
基准年至2050年阶段月建筑能耗增幅
1－32.20%－37.20%－25.81%－28.63%2－44.10%－52.40%－29.31%－31.70%644.40%40.10%42.00%42.00%7
32.90%
30.20%
44.37%
44.37%
2050年至2080年阶段月建筑能耗增幅
1－19.71%－23.39%－13.06%－14.49%2－40.23%－45.12%－25.05%－25.70%6
23.94%
21.80%
25.82%
25.82%
716.84%15.70%24.35%24.35%
2.3
不同屋顶类型的建筑能耗分析
图7为三种不同屋顶类型多层办公建筑在气候变化下的全年建筑能耗变化。从图7中可以看出在
未来气候变化情况下，无论何种屋顶配置，全年建筑能耗均随气候变化而增加。此外，在基准年到2050年这一阶段中，冷屋顶和绿化屋顶的全年建筑能耗增长率均比普通屋顶小，其中冷屋顶的能耗增比最小，为17.13%。在2050年到2080年这一阶段中，冷屋顶的能耗增长率较其他两种屋顶形式都小，
约为17.92%。与普通屋面建筑相比，采用冷屋顶和绿化屋顶的建筑，其顶层房间节能效果最明显。以多层办公建筑为例，选取其屋顶能耗为研究对象，如图8所示。从
图8（a ）中可以看出，在基准年、2050年和2080年的气候条件下，采用冷屋顶配置的建筑顶层房间的节能
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