比较美国东北部一所公立学校绿色、白色和光伏屋顶在热浪期间的室内降温影响

《Urban Forestry & Urban Greening》：Comparing the indoor cooling impacts of green, white, and photovoltaic roofs during heatwaves in a public school in Northeast USA

　　摘要绿色屋顶被认为是一种减少建筑能耗和城市热岛效应的有效替代方案。然而，文献中关于其在热浪期间为学校教室室内降温的有效性尚无定论。本研究提供了美国波士顿市一所大型公立学校中绿色屋顶、白色屋顶和光伏（PV）屋顶引起温度变化的模拟和实测证据。数值模型用于预测教室内的室内气温和建筑冷负荷需求。模型结果通过与207个室内空气质量传感器和计量能耗数据的测量值进行对比评估。随后利用这些模型预测绿色屋顶、白色屋顶和光伏屋顶的降温效果。结果表明，白色屋顶和光伏屋顶可使夏季教室平均气温分别降低1.4°C和1.1°C，并将建筑冷负荷需求分别降低8.9%和7.5%。光伏屋顶还能产生为建筑空调冷却所需的四倍电力。绿色屋顶可将炎热下午的峰值温度降低约1.5°C；然而，它们会升高早晨的室内温度，且无法降低24小时平均温度。绿色屋顶既可作为热储存体，也可作为隔热层；其隔热特性对于室内存在大量人为废热的现代学校可能是一个劣势。白色屋顶和光伏屋顶可以有效减少学校建筑在夏季的过热现象；如有必要，绿色屋顶应设计为在最大程度上提高太阳反射率的同时，尽量减少隔热性能。引言近年来，热浪给美国各地的公立学校带来了严峻挑战，引发了对学生安全、学习效果和未来收入的担忧。美国国家教育统计局估计，30%的美国学校在极端高温事件中难以维持舒适的室内温度，41%的学区迫切需要升级其供暖、通风和空调（HVAC）系统以应对高温（USGAO，2020）。根据ASHRAE（2021）的定义，许多美国学校位于从温带到亚寒带（气候分区4-8）的多样化气候区，主要设计用于抵御漫长冬季的寒冷，而非炎热的夏季。随着气候变化导致全球气温持续上升，现有的建筑基础设施难以应对热浪（Brenner等人，2024；Reddick，2024）。教室中的酷热会干扰认知功能并阻碍学习（Park等人，2021），导致课程取消和学校关闭。这对弱势和欠服务社区不成比例地产生影响，这些社区的特征包括收入、教育程度、种族和族裔以及年龄等因素（EPA，2021）。近期一项针对美国学生的研究表明，在没有空调的情况下，学年期间气温每升高0.55°C（1°F），当年学习效果将减少1%，且这种减少对少数族裔学生影响更大，占种族成绩差距的5%（Park等人，2020）。过热学校的问题在美国以外的全球其他地区也有报道，包括加拿大（Baba等人，2023）、英国（Mohamed等人，2021）、欧洲（Zinzi等人，2017）等。绿色屋顶，又称天空花园或屋顶花园，被认为是使现有建筑具备气候适应性的一个有前景的解决方案。美国国会（2021）提出了一项5亿美元的议案，用于在公立中小学建筑上安装和维护绿色屋顶系统。随后，改造工作从纽约、亚特兰大到芝加哥的学校陆续展开（Davis，2022；Nargi，2021）。越来越多的州（从纽约到华盛顿）的立法机构已规定，新建建筑必须覆盖绿色屋顶或太阳能板（NYC，2019；WSL，2022）。上述政策和立法得到了美国环境保护署总结的一项广泛主张的支持，即绿色屋顶可以为下方建筑提供遮荫，从空气中吸收热量，并降低屋顶表面和周围空气的温度（EPA，2023）。上述主张的大部分可以得到绿色屋顶效益研究文献的一些支持，包括减少建筑能耗和碳排放（Fantozzi等人，2021；La Roche和Berardi，2014；Ziogou等人，2018）、缓解城市热岛效应（Santamouris，2014）、吸收空气污染物（Fallmann等人，2016）、减少暴雨径流（Zheng等人，2021），以及通过接触自然元素增强心理健康（Williams等人，2019）。大多数研究关注绿色屋顶对建筑能源性能和城市热岛的影响，而忽视了绿色屋顶对有无空调系统建筑的室内温度的影响。例如，Adilkhanova等人（2024）预测，在韩国首尔实施最大范围的绿色屋顶覆盖，可使建筑能耗减少高达7.7%，并将城市热岛效应降低1°C。Yang等人（2018）报告，绿色屋顶和冷屋顶均可减少新加坡建筑的得热量，分别减少31%和37%。Sailor等人（2012）报告，绿色屋顶可以改善美国办公楼和住宅楼的能量性能，特别是在寒冷气候区节约供暖能源方面。在热浪期间，绿色屋顶在学校建筑中的降温效果尚无定论。已发表的关于绿色屋顶降低室内气温效果的研究大多针对温暖气候区的空调建筑。例如，Foustalieraki等人（2017）估计，安装在希腊雅典一家配备HVAC系统的超市上的中型绿色屋顶，在典型夏季白天可降温高达1.1°C，但人为热或HVAC系统的影响如何建模尚不清楚。同样，Yang等人（2015）估计，在中国广州（属于湿润亚热带气候）的无人空调建筑中，绿色屋顶与传统屋顶的实验设置可降温0.5至1.0°C。然而，关于绿色屋顶在非空调建筑中室内降温效果的证据普遍匮乏，且没有研究表明绿色屋顶在热浪期间对学校建筑具有保护作用。有关绿色屋顶与室内温度的文献有限，主要集中在特定类型的自然通风建筑，研究显示温度降低了2.0至3.5°C，这些研究在热带地区的服装厂（Bach等人，2023；Chowdhury等人，2017）、苏格兰的露天公交候车亭（Koscikova和Krivtsov，2023）以及巴西的自然通风房屋（Krebs和Johansson，2021）中开展。然而，上述结构在隔热性能、人员密度和门窗泄漏率方面与美国学校建筑存在显著差异。因此，在这些场景下有效的建筑改造策略缺乏直接适用于耐热学校设计的能力。因此，其研究结果不能直接应用于美国的学校建筑。由此产生疑问：绿色屋顶能否保护教室免受夏季高温侵袭？它们与白色屋顶、光伏屋顶或仅增加屋顶隔热等替代降温措施相比如何？本研究旨在提供直接证据，比较绿色屋顶与白色屋顶和光伏屋顶在公立学校中的降温效益，特别关注美国第一所公立学校——波士顿拉丁学校。研究目标为：1）模拟绿色屋顶在热浪期间对教室的降温效益；2）提供见解，为旨在打造更具耐热性的学校建筑的政策倡议提供信息支持。该研究进一步通过分析与现状相比教室气温的降低，量化了绿色屋顶的降温效益，并考虑了绿色屋顶、白色屋顶、光伏（PV）屋顶和隔热屋顶等多种改造方案。通过评估各种屋顶改造策略的有效性，本研究旨在为提高学校建筑的热舒适性和能源效率提供见解，特别是在热浪事件的背景下。研究地点本研究位于美国马萨诸塞州波士顿市（北纬42°21′37″，西经71°3′28″），根据柯本气候分类法，该市具有湿润大陆性气候（Dfa）特征。波士顿是马萨诸塞州最大学区所在地，拥有125所学校，服务约50,000名从幼儿园到12年级（K-12）的学生（PBS，2024）。选择波士顿有两个原因：首先，该市公立学校系统是美国最古老的公立学校系统之一。模型与测量的一致性模拟的教室气温与测量值显示出合理的吻合度，有效地捕捉了第一层、第二层和第三层（最热）教室平均气温的相对水平。然而，模型在不同楼层的表现略有差异（图7(a)）。平均气温可全天保持在30°C以上，远超室外环境温度，且超过26°C的可接受热舒适条件阈值。结论本研究考察了绿色、白色和光伏屋顶对冷却美国波士顿一所无空调公立学校建筑的影响。结合数值模拟和实证数据，研究揭示白色屋顶和光伏屋顶可以有效降低热浪期间教室气温，并降低建筑的整体冷负荷需求。此外，光伏屋顶展示出能够产生超出冷却需求高达四倍的电力。作者贡献声明**Jianxiang Huang**：撰写初稿、可视化、监督、资源、项目管理、方法论、调查、概念化。**Jinglei Li**：验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据管理。**Ernani Choma**：撰写审阅与编辑、验证、形式分析。**Judith Rodriguez**：软件、项目管理、调查、数据管理。**Fabian Patricia**：撰写审阅与编辑、验证、数据管理。**John D. Spengler**：撰写——利益冲突声明作者声明他们不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些情况可能影响本文报告的工作。Jianxiang Huang | Jinglei Li | Judith Rodriguez | Ernani Choma | M. Patricia Fabian | John D. Spengler