金玉芝 王詠薇 程迪

1 南京信息工程大學(xué)耶魯—南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境中心，南京 210044

2 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京 210044

1 引言

近年全球城市化進(jìn)程一直呈上升趨勢(shì)，尤其是亞非地區(qū)，預(yù)計(jì)到2050年全球?qū)⒂?6%的人口居住在城市（United Nations, Department of Economic and Social Affairs, 2012），迅速的城市化導(dǎo)致城市的溫度比農(nóng)村更高（任國(guó)玉等, 2005; Santamouris et al., 2018）。嚴(yán)重的城市熱島現(xiàn)象加上類(lèi)似高溫?zé)崂说臉O端天氣事件高發(fā)，使得天氣酷熱，引發(fā)各種次生災(zāi)害影響人們正常生活（壽亦萱和張大林,2012; 周夢(mèng)子等, 2017, 孫永等, 2019），同時(shí)也對(duì)建筑能源消耗及室內(nèi)外熱舒適條件產(chǎn)生重大影響（彭少麟等, 2005; Sakka et al., 2012; Gunawardena et al.,2017; 王詠薇等, 2018）。有研究表明，夏季氣溫每升高一度，電量需求峰值就會(huì)增加0.45%～4.6%（Santamouris, 2015）。

為了盡可能地降低城市環(huán)境的高溫以及熱島對(duì)能源消耗產(chǎn)生的巨大影響，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)展了一系列研究（談建國(guó)和黃家鑫, 2004; Santamouris et al., 2011; Synnefa et al., 2012; Akbari et al., 2016）。研究表明在現(xiàn)有城市的基礎(chǔ)上采取一些改造措施，如：在城市深色的表面使用高反射率材料（Doulos et al., 2004; Cheng et al., 2005; 王豫等, 2019）；在屋 頂 鋪 設(shè) 環(huán) 保 的 太 陽(yáng) 能 板 （ Akbari et al., 2005;Masson et al., 2014; Salamanca et al., 2016）；或種植綠色植被（Sharma et al., 2016; 周曉宇等, 2019），均有助于減少大氣釋放的感熱，減緩城市熱島并能有效節(jié)約冷卻能源需求（Santamouris, 2014），但綠色植被屋頂需要定期維護(hù)，成本較高（Sun et al.,2016），一般情況下可實(shí)施性較低，因此相較而言高反照率屋頂和太陽(yáng)能屋頂較易于實(shí)現(xiàn)。還有不少學(xué)者近年來(lái)致力研發(fā)新型冷卻屋頂材料，如Zhai et al.（2017）研發(fā)了一種新型日間可利用輻射制冷的隨機(jī)玻璃—聚合物混合超材料（膜材料）。理論上可在沒(méi)有制冷劑和沒(méi)有電力的條件下實(shí)現(xiàn)24 h為建筑降溫（Zhai et al., 2017），但實(shí)際該材料的降溫特性具體如何尚未可知。相較高反照率屋頂，太陽(yáng)能屋頂盡管反射率低，但可以通過(guò)轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能來(lái)減少建筑能源消耗，且壽命較長(zhǎng)適合長(zhǎng)期安裝（Hu et al., 2016）。

數(shù)值模式可以再現(xiàn)當(dāng)時(shí)城市及建筑物的熱環(huán)境，并能夠?qū)Σ煌蓓數(shù)墓?jié)能及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行初始的評(píng)估（Takebayashi and Moriyama, 2007）。當(dāng)前采用數(shù)值模擬進(jìn)行冷卻屋頂對(duì)于熱島緩解效應(yīng)的研究已有所開(kāi)展（Zhang et al., 2017; 郭良辰等, 2018）。已有的數(shù)值研究充分表明，對(duì)于美國(guó)、歐洲等國(guó)家，應(yīng)用冷卻屋頂后，屋頂溫度有非常顯著的降低（Oleson et al., 2010），對(duì)緩解高溫?zé)崂擞幸欢ǖ淖饔茫ˋkbari, 2003; Synnefa et al., 2012），并可能對(duì)未來(lái)的氣候變化有一定程度的影響（Lu et al.,2013），同時(shí)也對(duì)于城市能源需求有一定程度的緩解 。 例 如 Salamanca et al.（ 2016） 采 用 WRFBEP+BEM方案，模擬了2009年7月10～19日在美國(guó)菲尼克斯和亞利桑那州部署的太陽(yáng)能屋頂，結(jié)果顯示2 m氣溫降低了0.8°C，并且減少了13%～14%電力能源需求。但相較建筑物無(wú)法分辨尺度的數(shù)值模式運(yùn)用的城市冠層模式，有不同的學(xué)者基于不同的考慮搭建了單層（Masson, 2000; Kusaka et al., 2001; 霍飛和陳海山, 2011）、多層（Martilli,2002; 王詠薇和蔣維楣, 2009; 張蕾等, 2018）以及考慮室內(nèi)外能量交換的冠層模型（Salamanca et al.,2010）。其中Masson（2000）發(fā)展的城鎮(zhèn)能量平衡模型（Town Energy Balance, TEB）是一個(gè)全面模擬城市街渠單元輻射熱量平衡的模型。何曉鳳等（2009）利用單層冠層模式TEB對(duì)南京典型居民區(qū)進(jìn)行離線模擬，結(jié)果表明改變建筑物反照率對(duì)城市氣候改善有重大影響。TEB在近年不斷增加新的模塊，如改善街道峽谷內(nèi)氣象場(chǎng)的模擬（Hamdi and Masson, 2008）；增加了建筑能源模塊（BEM）（Bueno et al., 2012），包括空調(diào)系統(tǒng)及通風(fēng)狀況；加入了道路的方向以及城市建筑物間有綠植的情形（Lemonsu et al., 2012）使得模擬場(chǎng)景更接近實(shí)際。當(dāng)前為了更好地研究城市氣象中的熱點(diǎn)問(wèn)題，模型中增加了空調(diào)制冷能耗（De Munck et al., 2013）及太陽(yáng)能屋頂產(chǎn)生電量模塊的計(jì)算（Masson et al.,2013），為本文研究提供良好的工具。

中國(guó)是亞非地區(qū)城市發(fā)展最快的發(fā)展中國(guó)家之一 （ United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division, 2014），城鎮(zhèn)化率已超過(guò)50%（李浩, 2013），在一些超大城市例如北京、上海等，高溫?zé)崂艘呀?jīng)給人群帶來(lái)嚴(yán)重威脅（謝志清等, 2015; 張明順和王義臣, 2015; 何苗等, 2017）。于是緩解城市熱島效應(yīng)，減少城市能耗顯得尤為重要。使用何種冷卻材料去增加城市表面反照率一直以來(lái)也都是該領(lǐng)域的重要研究問(wèn)題，而目前中國(guó)開(kāi)展研究高反照率冷卻屋頂材料熱輻射性能的研究以及對(duì)更新的具有優(yōu)秀降溫效果的環(huán)保材料，例如太陽(yáng)能板、超材料等，研究尚少。此外，冷卻屋頂對(duì)于能耗以及相應(yīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響也有待研究。

基于以上的研究背景，本文選擇覆蓋面積分別為100%和50%的兩種太陽(yáng)能板和3種高反射率冷卻屋頂膜材料——鋁箔瀝青膜、白色TPO膜及新研發(fā)的超材料，基于METEO-FRANCE/CNRS發(fā)布的最新版本TEBv2.4406，評(píng)估夏季高溫?zé)崂似陂g不同冷卻屋頂材料的鋪設(shè)降溫效應(yīng)和熱環(huán)境的影響以及各材料節(jié)能狀況和太陽(yáng)能板發(fā)電狀況，擬為城市規(guī)劃及實(shí)際施工提供理論支撐。

2 模式及資料

2.1 天氣背景及觀測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的南京歷史氣溫?cái)?shù)據(jù)，2017年7月南京有連續(xù)兩周的高溫?zé)崂颂鞖猓咳兆罡邭鉁爻^(guò) 35°C）（賈佳和胡澤勇, 2017），7月23日最高氣溫達(dá)到41°C，天氣狀況均為晴朗。因此，本文選擇這段時(shí)間開(kāi)展研究。

本文所用模式驅(qū)動(dòng)及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)為江蘇省南京市南京信息工程大學(xué)一六層教學(xué)樓北區(qū)樓頂（32.206°N，118.716°E）進(jìn)行的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)。觀測(cè)總時(shí)長(zhǎng)為2017年4月1日至8月15日、2018年1月23日至2019年4月27日、2019年6月18日至2020年1月8日、2020年2月19日至今。約1～2周進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集工作，并進(jìn)行擦拭鏡頭、設(shè)置儀器時(shí)間同步等維護(hù)工作。本文用于檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)為2017年7月16日00:00（北京時(shí)間，下同）至2017年7月30日00:00。觀測(cè)期間，天氣晴好，數(shù)據(jù)缺測(cè)率為0，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

建筑物周?chē)缆房v橫，人為下墊面占地面積90%左右并有一定綠植。學(xué)校周?chē)o(wú)高大建筑物環(huán)繞，是典型的城郊結(jié)合部用地類(lèi)型。如圖1，觀測(cè)場(chǎng)地是典型的深灰色混凝土屋頂，實(shí)驗(yàn)區(qū)域均為 30 m2的矩形區(qū)域，儀器為荷蘭 Kipp & Zonen四分量輻射儀（CNR4）?？色@得樓頂向上發(fā)射的長(zhǎng)波EULR（單位：W m?2），天空向下反射的長(zhǎng)波，下墊面向上反射的太陽(yáng)短波EUR（單位：W m?2），太陽(yáng)發(fā)射的向下短波EDR（單位：W m?2）4個(gè)分量數(shù)據(jù)。為了盡量減少來(lái)自非測(cè)試表面的光污染以及令儀器檢測(cè)范圍盡可能縮小在所選定的樣本區(qū)域內(nèi)，將四分量輻射儀設(shè)置為距離樣本高65 cm。另外還在文德北區(qū)樓頂東北角的位置架設(shè)了小氣候觀測(cè)儀，得到樓頂氣溫、濕度、風(fēng)速等氣象要素30 min數(shù)據(jù)。

2.2 城鎮(zhèn)能量平衡模型（TEB）簡(jiǎn)介及模擬算例

2.2.1 模型及方案簡(jiǎn)介

本文使用城鎮(zhèn)能量平衡模型TEBV2.4406版本（Masson, 2000）。該城鎮(zhèn)能量平衡模型基于單層城市建筑物結(jié)構(gòu)的假設(shè)，考慮了街道峽谷幾何形狀對(duì)短波和長(zhǎng)波輻射的影響，并為每個(gè)表面（道路、墻壁、屋頂）建立單獨(dú)的能源預(yù)算，以得到峽谷和屋頂占據(jù)面積分?jǐn)?shù)及冠層頂部的熱量、動(dòng)量和質(zhì)量交換的函數(shù)（Pigeon et al., 2008）。基于該城鎮(zhèn)能量平衡模型TEB已經(jīng)針對(duì)溫哥華和密集城區(qū)的輕工業(yè)區(qū)，墨西哥城（Masson et al.,2002）， 馬賽 等地 （Lemonsu et al., 2004; Roberts et al., 2006）的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)估，均表明TEB模型能夠很好地再現(xiàn)城市表面和大氣之間熱量和動(dòng)量的交換。

圖1 （a）觀測(cè)場(chǎng)地俯瞰圖；（b）普通水泥屋頂觀測(cè)項(xiàng)目；（c）白色tpo膜觀測(cè)項(xiàng)目；（d）鋁箔瀝青膜觀測(cè)項(xiàng)目Fig. 1 (a) An aerial view of the observation site; (b) the ordinary cement roof observation project; (c) the observation project of a white TPO membrane; (d) the observation project of the aluminum foil and asphalt-based (SBS) membrane

Bueno et al.（2012）為 TEB 增加了建筑能源模塊（BEM），包括了空調(diào)系統(tǒng)的能耗計(jì)算。假定模擬區(qū)域具有均勻的城市形態(tài)，每個(gè)建筑有相同的室內(nèi)溫濕度且太陽(yáng)輻射及輻射導(dǎo)致的熱量增益可被建筑物很好地吸收并釋放到室內(nèi)環(huán)境中。BEM利用熱平衡去計(jì)算建筑能源需求，涉及了室內(nèi)各個(gè)表面的熱傳導(dǎo)，對(duì)流及輻射熱等：

其中，Qcd為傳導(dǎo)項(xiàng)，Qcv為對(duì)流項(xiàng)，取決于內(nèi)表面和室內(nèi)溫度；si為墻壁、窗戶、地板、屋頂和內(nèi)部質(zhì)量；Qrd為輻射項(xiàng)，均由標(biāo)準(zhǔn)傳熱系數(shù)公式

算出（其中，h為對(duì)流傳熱系數(shù)，ΔT為內(nèi)表面和室內(nèi)溫度差）。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)制冷和制熱模式中目標(biāo)溫度預(yù)設(shè)值計(jì)算出空調(diào)需要將多余的室內(nèi)熱量“搬運(yùn)”出室外所需要的電量，即冷卻能源需求：

在TEB模式中，為了研究新能源的使用對(duì)于建筑物能耗的影響，Masson et al.（2014）在 TEB中引入了太陽(yáng)能光伏板的計(jì)算。方案中設(shè)置太陽(yáng)能板與屋頂有一定的傾角，太陽(yáng)能板接收以及發(fā)射的能量如圖2所示。

太陽(yáng)能光伏板的能量平衡方程（Masson et al.,2014）如下：

等式左側(cè)是太陽(yáng)能電池板的輸入能量，EDR是來(lái)自太陽(yáng)的入射短波輻射（單位：W/m2）；EDLR是從大氣中傳入的長(zhǎng)波輻射（單位：W/m2），兩者均為T(mén)EB的輸入數(shù)據(jù)。是從屋頂上升并被太陽(yáng)能電池板攔截的長(zhǎng)波輻射等式右側(cè)是太陽(yáng)能光伏板的輸出能量。是太陽(yáng)能電池板反射的太陽(yáng)輻射（單位：W/m2）；是由太陽(yáng)能電池板發(fā)射（并反射）到天空的長(zhǎng)波輻射（單位：W/m2）；是由太陽(yáng)能電池板發(fā)射到屋頂（向下）的長(zhǎng)波輻射（單位：W/m2）；是面板產(chǎn)生的能量（單位：J），它取決于太陽(yáng)能光伏板的特性、輻照度和傾斜度，并給室內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)提供電量；H是從太陽(yáng)能電池板到大氣的顯熱通量（單位：W/m2）。因此在建筑物屋頂鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏板改變了與大氣接觸的城市表面的能量平衡，改變了屋頂所接收的輻射，從而改變了建筑物的能量平衡。而TEB中加入的太陽(yáng)能光伏板方案參數(shù)取決于不斷變化的氣象條件，可以相對(duì)精確地模擬太陽(yáng)能板能量變化。

2.2.2 輸入輸出變量

TEB模型計(jì)算了一個(gè)城市街區(qū)單元內(nèi)所接收到的以及釋放出的能量平衡過(guò)程，驅(qū)動(dòng)模式所需要的輸入量參見(jiàn)表1。其中輻射變量數(shù)據(jù)來(lái)自于南京信息工程大學(xué)文德樓樓頂架設(shè)的四分量輻射儀；CO2濃度變量設(shè)置為空氣中CO2濃度常數(shù)；降雨量與降雪量在模擬期間為0；其余氣象數(shù)據(jù)來(lái)自于文德樓頂架設(shè)的小氣候觀測(cè)儀。模式輸出的變量主要為城市街區(qū)總體向上的能量平衡分量、街區(qū)內(nèi)的氣象狀況、建筑物不同表面的溫度以及空調(diào)能耗的相關(guān)變量（參見(jiàn)表1）。

表1 TEB模式相關(guān)變量Table 1 The Relevant variables of TEB

圖2 太陽(yáng)能光伏板的能量平衡及其對(duì)屋頂接收輻射影響的示意圖（Masson et al., 2014）Fig. 2 Schematic diagram of the energy balance of a solar photovoltaic panel and its effect on the roof’s received radiation (Masson et al., 2014)

2.2.3 本文算例及參數(shù)設(shè)置

本文采用6個(gè)算例進(jìn)行屋頂材料的敏感性實(shí)驗(yàn)：1）控制算例CTRL，即普通水泥屋頂；2）AA為鋪設(shè)鋁箔自粘SBS瀝青防水卷材（鋁箔瀝青膜）的屋頂（簡(jiǎn)稱(chēng)為AA是為了方便下文圖表中的標(biāo)注，并不是材料所規(guī)定的縮寫(xiě)）；3）TPO為鋪設(shè)白色TPO自粘單層膜（TPO膜）的屋頂；4）SP05和5）SP1分別為在屋頂鋪設(shè)50%和100%面積的轉(zhuǎn)化效率為14%的太陽(yáng)能板（市面較普遍的太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)化效率為 14%）（尚華和王惠榮, 2010）；6）SM為隨機(jī)玻璃—聚合物混合超材料屋頂。算例中白色TPO自粘單層膜（TPO膜）和鋁箔自粘SBS瀝青防水卷材（鋁箔瀝青膜）均是冷卻屋頂中壽命較長(zhǎng)的膜材料。本研究中涉及的建筑參數(shù)設(shè)置為：樓高20 m，建筑占比0.58，峽谷縱橫比為20/16，主干道與南北軸夾角為170°。將路面、屋頂及墻面的熱傳導(dǎo)系數(shù)均設(shè)置為 2.5 W m?1K?1，熱容則分別設(shè)置為 2.01×10?6J m?3K?1、2.51×10?6J m?3K?1和 2.01×10?6J m?3K?1。另外，本研究將空調(diào)目標(biāo)溫度設(shè)置為298 K，空調(diào)冷卻效率（COP）設(shè)置為4.5，以便進(jìn)一步探究空調(diào)制冷能耗。不同材料的屋頂參數(shù)設(shè)置參見(jiàn)表2。其中鋁箔瀝青膜及TPO膜相關(guān)參數(shù)為屋頂鋪設(shè)實(shí)際材料后實(shí)驗(yàn)測(cè)得，隨機(jī)玻璃—聚合物混合超材料參數(shù)參考Zhai et al.（2017）的研究，其他一些物理參數(shù)的選取參考何曉鳳等（2009）和 Xu et al.（2018）的工作。

3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

2017年7月南京出現(xiàn)了連續(xù)兩周的高溫?zé)崂爽F(xiàn)象（2017年 7月 16日 00:00至 30日 00:00）。如圖3所示，該時(shí)期南京地區(qū)主要受西太平洋副熱帶高壓影響，持續(xù)兩周高溫且無(wú)降水。這是由于副熱帶高壓內(nèi)部存在下沉氣流，風(fēng)力微弱，太陽(yáng)輻射更容易影響地表，易出現(xiàn)高溫少雨情況。因此本文選取該時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行模擬結(jié)果的驗(yàn)證。

天氣模式常采用氣溫進(jìn)行模擬結(jié)果驗(yàn)證。本研究采用的是一個(gè)離線城市冠層模式，氣溫非TEB模式默認(rèn)輸出變量。因此本文選取了屋頂表面溫度這一模式默認(rèn)輸出變量以及凈短波、凈長(zhǎng)波和凈輻射這三個(gè)具有代表性的輻射分量進(jìn)行模擬結(jié)果驗(yàn)證。圖4為由高溫?zé)崂藭r(shí)期（2017年7月17～30日）觀測(cè)和模擬所得凈短波、凈長(zhǎng)波、凈輻射建筑物屋頂表面溫度每小時(shí)日均誤差圖及相對(duì)誤差圖組成，其中陰影及誤差棒兩端分別為觀測(cè)和模擬的標(biāo)準(zhǔn)差。

從觀測(cè)和模擬結(jié)果的誤差棒和誤差陰影可知模擬值與觀測(cè)值比較吻合，這兩周每天同一小時(shí)的凈短波、凈長(zhǎng)波、凈輻射及屋頂表面溫度的模擬值與觀測(cè)值波動(dòng)大小也相當(dāng)一致。從觀測(cè)和模擬結(jié)果的平均線看一致性較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.95、0.97、0.99和0.98。3個(gè)輻射項(xiàng)觀測(cè)值與模擬值差異均小于40 W m?2，表面溫度觀測(cè)與模擬最大差值小于3 K。從相對(duì)誤差來(lái)看早晚日出日落時(shí)模擬可能有些延遲，但總體都較小，說(shuō)明模擬效果較好。正午時(shí)觀測(cè)結(jié)果略高于模擬值，原因可能是夏季長(zhǎng)期晴天高溫，白天到達(dá)冠層凈輻射量值較大。屋頂表面溫度午后模擬值會(huì)略高于觀測(cè)值，差值平均在0.8 K左右，可能是由于凈長(zhǎng)波模擬偏小，且TEB中模擬會(huì)由于屋頂材質(zhì)的不同儲(chǔ)熱不同導(dǎo)致模擬出的屋頂表面溫度較大（Dominguez et al., 2011）。

表2 高溫?zé)崂藭r(shí)期（2017年7月16～30日）不同冷卻屋頂與普通水泥屋頂?shù)哪M算例及屋頂參數(shù)設(shè)置Table 2 Simulation examples and roof parameters setting of different cooling roofs and a cement roof from 16?30 Jul 2017

4 模擬結(jié)果分析

為了研究鋪設(shè)不同冷卻屋頂材料對(duì)屋頂表面熱通量及夏季高溫?zé)崂藭r(shí)期空調(diào)制冷能耗的影響。本文選擇了4種不同冷卻屋頂材料進(jìn)行不同材料參數(shù)的敏感性分析。

4.1 四種冷卻屋頂對(duì)屋頂表面溫度的影響

TEB模式設(shè)置街渠中有3種表面：屋頂、路面和墻面，分別在這三種面上建立幾何特征的能量平衡關(guān)系，算出每個(gè)面與臨近大氣間的熱通量交換，再依照每種表面占街渠單元的面積權(quán)重?fù)Q算出總的熱通量交換。

使用不同冷卻屋頂材料后建筑物屋頂和普通屋頂（控制算例）在2017年7月16～30日表面溫度日小時(shí)變化如圖5a所示，圖5b為使用冷卻屋頂材料后屋頂表面可降低的溫度。從圖可看出白天降溫效果明顯優(yōu)于夜間，12:00至14:00是一天中各種屋頂表面溫度最高的時(shí)候。在這段時(shí)間內(nèi)，各種冷卻屋頂材料可達(dá)到一天中最大降溫效果，使屋頂表面溫度降到最低。其中鋪設(shè)100%面積的太陽(yáng)能板降溫效果最好，平均降溫13 K。鋪設(shè)超材料降溫效果僅次于100%面積的太陽(yáng)能板，平均降溫可達(dá)12.34 K。鋪設(shè)鋁箔瀝青膜、50%面積的太陽(yáng)能板和白色TPO膜在高溫?zé)崂藭r(shí)期則分別平均可降低 8.8 K、6.49 K 和 3.52 K。

根據(jù)圖5b中降溫情況可知鋪設(shè)冷卻屋頂材料在白天夜晚均可降溫，其降溫效果在白天（06:00至18:00）與夜晚（19:00至次日06:00）的具體體現(xiàn)見(jiàn)圖6。其中，白天降溫效果較好。鋪設(shè)隨機(jī)玻璃—聚合物混合超材料的屋頂會(huì)使得白天屋頂表面溫度平均降低18.59 K，至多可降低31.85 K；鋪設(shè)100%面積的太陽(yáng)能板則會(huì)使白天屋頂表面平均降溫達(dá)19.58 K，至多可降低33.57 K；其次是鋁箔瀝青膜、50%面積的太陽(yáng)能板和白色TPO膜，分別至多可降溫 23 K、16.48 K 和 9.15 K。夜間這幾種冷卻屋頂材料也有一定的降溫效果。夜間超材料屋頂可平均降溫4.28 K，100%面積的太陽(yáng)能板降溫可達(dá)4.53 K，其他幾種材料也有平均1.08～2.77 K的降溫效果。

圖3 2017年7月（a）16日、（b）23日、（c）25日及（d）30日00:00的高空500 hPa天氣圖（等值線為位勢(shì)高度，單位：gpm）Fig. 3 Synoptic chart of 500 hPa at 0000 LST on (a) 16 Jul, (b) 23 Jul, (c) 25 Jul, and (d) 30 Jul 2017 (contour lines represent geopotential height,units: gpm)

圖4 2017 年 7 月 16～30 日（a1、a2）凈短波輻射、（b1、b2）凈長(zhǎng)波輻射、（c1、c2）凈輻射、（d1、d2）屋頂表面溫度模擬值與觀測(cè)值（a1、b1、c1、d1）平均誤差及（a2、b2、c2、d2）相對(duì)誤差（紅色實(shí)線為每時(shí)刻觀測(cè)值日均值，陰影是每時(shí)刻觀測(cè)值日均標(biāo)準(zhǔn)差，黑色實(shí)線為每時(shí)刻模擬日均值，誤差棒兩端為每時(shí)刻模擬值日均標(biāo)準(zhǔn)差）Fig. 4 (a1, b1, c1, d1) Average errors and (a2, b2, c2, d2) relative errors of (a1, a2) net shortwave radiation absorbed by roofs, (b1, b2) net longwave radiation absorbed by roofs, (c1, c2) net radiation, and (d1, d2) roof surface temperature during 16?30 Jul 2017. Red line is the mean value of observed values at each moment and black line is the simulated values mean of each moment, standard deviations are represented by a gray shaded area and error bars for the experiment’s simulation period

超材料屋頂在模擬期間比其他兩種高反照率屋頂平均多降溫2.04～4.65 K，是降溫效果較好的一種材料。這是由于模擬算例中對(duì)于高反照率冷卻屋頂材料設(shè)置的反照率較大，尤其是隨機(jī)玻璃—聚合物混合超材料屋頂將96%的太陽(yáng)短波輻射返回大氣，自身紅外發(fā)射率為0.93，減少了大量到達(dá)地面的太陽(yáng)短波輻射，從而降低了城鎮(zhèn)表面溫度。太陽(yáng)能板理論上來(lái)說(shuō)反照率低，表溫應(yīng)該較高，但實(shí)際計(jì)算出來(lái)的溫度卻降到一個(gè)很理想的狀態(tài)，應(yīng)該是由于模式中設(shè)置太陽(yáng)能板擺放設(shè)置是傾斜的，直接在屋頂表面創(chuàng)造出陰影使得屋頂接收的入射短波輻射減少，從而達(dá)到降溫的效果。在Dominguez et al.（2011）的研究中證實(shí)傾斜光伏板在屋頂形成陰影，溫度顯著小于裸露的屋頂，太陽(yáng)能板下方熱量還可通過(guò)空氣對(duì)流移除，且鋪設(shè)面積越大降溫越好，至多可比其他的冷卻屋頂材料多1.72～24.42 K，他們的研究結(jié)論與本文相近。

4.2 四種冷卻屋頂?shù)妮椛錈崽匦圆町?/h3>

屋頂表面溫度的變化，是由于熱量的傳遞導(dǎo)致。圖7和圖8分別為鋪設(shè)各類(lèi)冷卻屋頂材料后與普通屋頂感熱通量和凈輻射差值的小時(shí)日均變化情況。對(duì)比可知，4種冷卻屋頂?shù)母袩嵬颗c凈輻射差值均具有典型的低谷型日變化特征，變化趨勢(shì)一致，夜間差值較小，日最大感熱通量出現(xiàn)在13:00左右，即感熱通量全天向上輸送。與普通屋頂相比，鋪設(shè)隨機(jī)玻璃—聚合物混合超材料和100%面積太陽(yáng)能板的感熱通量分別平均降低 122.82 W m?2、129.69 W m?2，鋁箔瀝青膜可降低86.03 W m?2，50%面積的太陽(yáng)能板平均也可降低 62.82 W m?2。

圖5 （a）高溫?zé)崂藭r(shí)期（2017年7月16～30日）不同冷卻屋頂材料表面溫度；（b）鋪設(shè)不同冷卻屋頂材料后與普通水泥屋頂相比，可降低的屋頂表面溫度小時(shí)平均Fig. 5 Ensemble average daily cycle of different cooling roof materials’ surface temperature; (b) Degrees of temperature reduction for various materials from 16–30 Jul 2017

圖6 高溫?zé)崂藭r(shí)期（2017年7月16～30日）4種冷卻屋頂材料的屋頂表面溫度在白天（06:00至18:00）與夜晚（19:00至次日06:00）的降溫情況Fig. 6 Boxplot of the degrees of temperature reduction for various materials during the day (0600 LST–1800 LST) and at night (1900 LST–0600 LST), respectively, during 16–30 Jul 2017

各種冷卻屋頂能減少凈輻射的能力與感熱通量一致。鋪設(shè)隨機(jī)玻璃—聚合物混合超材料和100%面積的太陽(yáng)能板可降低的凈輻射最多，在高溫?zé)崂说膬芍軙r(shí)間里分別至多降低547.63 W m?2和 516.72 W m?2（表 3）；鋪設(shè)鋁箔瀝青膜和 50%面積的太陽(yáng)能板可降低的凈輻射次于前兩種材料，至多可降低 417.53 W m?2和 297.87 W m?2；白色TPO膜至多也可降低 168.47 W m?2，但相較其他幾種冷卻屋頂效果一般。表3中還總結(jié)了高溫?zé)崂藭r(shí)期（2017年7月16～30日）各種冷卻屋頂與普通屋頂相比屋頂表面溫度、感熱通量、潛熱通量、凈輻射平均和最多降低程度。

表3 高溫?zé)崂藭r(shí)期（2017年7月16～30日）不同冷卻屋頂與普通水泥屋頂各熱輻射分量平均差值及最大差值Table 3 The average difference and the maximum difference of thermal radiation components between different cooling roofs and a cement roof during 16–30 Jul 2017

圖7 鋪設(shè)不同材料屋頂在高溫?zé)崂藭r(shí)期（2017年7月16～30日）屋頂感熱通量差值小時(shí)日均變化Fig. 7 Ensemble average daily cycle of sensible heat of different cooling roof materials during 16–30 Jul 2017

圖8 同圖 7，但為凈輻射差值小時(shí)日均變化Fig. 8 Same as Fig.7, but for average daily cycle of net radiation of different cooling roof materials

圖9 不同材料屋頂在高溫?zé)崂藭r(shí)期（2017年7月16～30日）建筑物每平米所需冷卻能源消耗（實(shí)線）及鋪設(shè)冷卻屋頂后每平米可減少的冷卻能源消耗小時(shí)平均值（虛線）Fig. 9 Energy consumption per square meter of buildings with different roof materials (solid lines) and the daily average hourly cooling energy consumption that can be reduced per square meter after the cooling roof is laid (dotted lines) during the heatwave of 16–30 Jul 2017

綜上可知，高反照率材料通過(guò)將太陽(yáng)短波輻射反射回大氣層，并將自身熱量以紅外形式發(fā)射出去，即反照率的增大會(huì)減少每個(gè)面吸收的凈短波輻射，導(dǎo)致感熱通量減少，凈輻射減少。從而降低了表面溫度，減弱了建筑物對(duì)冠層內(nèi)大氣的感熱交換，使得屋頂表面溫度降低；太陽(yáng)能屋頂盡管反照率低，但由于傾斜擺放減少了屋頂表面接收的太陽(yáng)短波以及自身將太陽(yáng)短波轉(zhuǎn)化為電能的原因也可以降低大量感熱及凈輻射等，減少建筑物儲(chǔ)熱，從而減少釋放的熱量，使表溫降低。

4.3 四種冷卻屋頂對(duì)能源需求的影響

高反射率材料增加建筑物表面反照率，減少建筑物的儲(chǔ)熱，從而達(dá)到節(jié)約冷卻能源需求。而太陽(yáng)能板則是通過(guò)吸收太陽(yáng)短波來(lái)發(fā)電，減少了建筑物吸收的短波輻射，還能直接生產(chǎn)電量來(lái)緩解冷卻能源需求。圖9是不同材料屋頂在高溫?zé)崂似陂g的冷卻系統(tǒng)耗能情況（左軸）以及使用冷卻屋頂后可以節(jié)省的冷卻能耗（右軸）。圖中能耗表現(xiàn)為鋸齒狀，是由于空調(diào)工作達(dá)到預(yù)設(shè)室內(nèi)溫度后會(huì)進(jìn)入休息階段，14:00是一天最熱的時(shí)候，達(dá)到預(yù)設(shè)值所需冷卻能源消耗也是最多的。

從圖中可以看出所有屋頂耗能趨勢(shì)一致，各材料正午可降低的空調(diào)冷卻能耗比早晚略低。其中在屋頂鋪設(shè)超材料屋頂以及100%面積的太陽(yáng)能板可以使建筑物冷卻能耗降到最低，分別至多可降低2.1 W m?2和 2.16 W m?2；使用鋁箔瀝青膜效果次之，至多降低1.47 W m?2；50%鋪設(shè)面積的太陽(yáng)能屋頂及TPO膜再次。與第一部分中各種冷卻屋頂材料可降低的屋頂表面溫度相比，理論上可節(jié)省更多的冷卻能耗，但實(shí)際模擬出來(lái)節(jié)省的能源卻很少，可能是由于模式中設(shè)置屋頂為5層，熱量層層遞減，因此室內(nèi)初始溫度并沒(méi)有預(yù)想的高。

Salamanca et al.（2016）在研究中證實(shí)鋪設(shè) 100%面積太陽(yáng)能光伏板在夏季至多可減少2 MW km?2（即2 W m?2）冷卻能源，與本文模擬結(jié)果相似。除此之外，使用太陽(yáng)能光伏板還可以利用吸收的太陽(yáng)短波轉(zhuǎn)化成電量。這里選用的14%轉(zhuǎn)化效率的太陽(yáng)能板1 m2發(fā)電量日均小時(shí)變化如圖10所示。其中電量度數(shù)千瓦時(shí)（度）計(jì)算方法（密保秀等,2008）如下：

1 h產(chǎn)生電量=太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)化效率×1 h內(nèi)接收太陽(yáng)短波/1000,

圖10 轉(zhuǎn)化效率為14%的太陽(yáng)能板在高溫?zé)崂藭r(shí)期（2017年7月16～30日）)發(fā)電量Fig. 10 Daily power generation of a solar panel with a conversion efficiency of 14% during the heatwave of 16–30 Jul 2017

其中太陽(yáng)短波為所選高溫?zé)崂藭r(shí)期（2017年7月16～30日）屋頂所接收的太陽(yáng)短波（單位：W m?2）。

從圖10中看出在11:00左右太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)化電量最多，每平方米可發(fā)電0.23 kW h，累計(jì)整日每平米可發(fā)電1.84 kW h。按照?qǐng)D9中左軸展示的普通屋頂控制算例，在高溫?zé)崂藭r(shí)期累計(jì)整日每平米需要消耗1.76 kW h的冷卻能源，因此鋪設(shè)100%屋頂面積14%轉(zhuǎn)化效率的太陽(yáng)能板同期產(chǎn)生的額外發(fā)電量，可完全抵消這兩周全部空調(diào)制冷能耗。

因此太陽(yáng)能板較其他冷卻屋頂材料而言可以節(jié)省更多的建筑能源，從而可節(jié)省更多的電費(fèi)。但由于太陽(yáng)能光伏板的造價(jià)較其他冷卻屋頂材料昂貴，因而生活中使用何種冷卻屋頂材料還需結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益等具體分析。

5 結(jié)論

本研究采用了城鎮(zhèn)能量平衡模型（TEB），探討了兩種鋪設(shè)面積的太陽(yáng)能屋頂和3種高反照率屋頂鋁箔瀝青膜、白色TPO膜和科羅拉多大學(xué)新研發(fā)的玻璃聚合物混合超材料屋頂在南京高溫?zé)崂藭r(shí)期（2017年7月16～30日）對(duì)城市熱環(huán)境以及冷卻能源需求的影響。得到如下初步結(jié)論：

（1）在持續(xù)高溫的天氣背景下，不同冷卻屋頂材料降溫效果不同。在屋頂鋪設(shè)超材料和100%覆蓋面積的太陽(yáng)能板降溫效果最好，屋頂表面溫度白天至多分別可降低31.85 K和33.57 K；鋁箔瀝青膜效果次之，最多降低23 K；50%覆蓋面積的太陽(yáng)能板和TPO膜再次，最大降低16.48 K和9.15 K。各冷卻屋頂材料夜間也平均有1.08～4.53 K的降溫。

（2）鋪設(shè)冷卻屋頂材料使輻射量發(fā)生一定變化。相對(duì)普通屋頂來(lái)說(shuō)，鋪設(shè)冷卻屋頂材料可使屋頂感熱平均降低 34.42～129.69 W m?2，使?jié)摕嵬拷档?1.81～3.71 W m?2，凈輻射降低 36.84～138.68 W m?2。兩種不同鋪設(shè)面積的太陽(yáng)能屋頂盡管反照率低，相較3種高反照率膜材料感熱、潛熱和凈輻射也略高，但由于自身將太陽(yáng)短波轉(zhuǎn)化為電能的原因，減少建筑物儲(chǔ)熱，從而減少了入射的太陽(yáng)短波，減少了釋放到大氣中的熱量。

（3）鋪設(shè)冷卻屋頂材料可以直接或間接地減少冷卻能源需求。鋪設(shè)超材料屋頂以及鋪設(shè)100%面積的太陽(yáng)能板可以使建筑物冷卻能耗降到最低，分別至多可降低 2.1 W m?2和 2.16 W m?2；使用鋁箔瀝青膜效果次之，至多降低1.47 W m?2；50%鋪設(shè)面積的太陽(yáng)能屋頂及TPO膜再次。其中所選太陽(yáng)能光伏板每平方米可發(fā)電0.23 kW h，累計(jì)整日每平米可發(fā)電1.84 kW h，可全部抵消同期空調(diào)系統(tǒng)制冷能耗。

本文研究發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)冷卻屋頂材料可以有效降低城鎮(zhèn)在高溫?zé)崂藭r(shí)期的屋頂表面溫度，主要是隨機(jī)玻璃—聚合物混合超材料和在屋頂鋪設(shè)100%覆蓋面積的太陽(yáng)能板效果最好。使用城鎮(zhèn)能量平衡模型（TEB）進(jìn)行模擬得到可以節(jié)約的冷卻能源需求，尤其是所選太陽(yáng)能板可產(chǎn)生相當(dāng)可觀的電量，但這樣的結(jié)果是建立在假設(shè)建筑物屋頂上100%覆蓋太陽(yáng)能板的理想情況下，這一假設(shè)在實(shí)際安裝上難度較大。在未來(lái)的研究中，需要采用與實(shí)際情況相符的冷卻屋頂參數(shù)化方案，并作更長(zhǎng)時(shí)間的模擬分析，從而更好地為緩解城市夏季高溫提供有效的數(shù)據(jù)支持。