低温屋顶与相变通风冷却系统在温和气候顶层住宅中的性能比较——以伦敦某运行建筑为例

《Building Services Engineering Research & Technology》：Performance comparison of two low energy cooling systems for top floor residential buildings in moderate climates

　　

背景：顶层住宅相较于低层住宅更易出现过热现象，原因在于其通过屋顶更直接地暴露于外部环境，且因相邻建筑遮阳较少而获得更多太阳得热。目的：顶层公寓裸露的屋顶为安装降低过热的系统提供了机会。研究设计：本文采用的方法是对两种此类系统进行比较，二者均安装于一栋运行中的建筑内，并通过测量分析与能耗模拟进行对比。所选安装的系统为：涂覆于屋顶以反射太阳辐射的冷涂料，以及带相变材料（PCM）蓄热的通风冷却系统。尽管系统类型不同（一为被动式，另一为机械式），但其目标相同，即降低建筑冷负荷。测量在安装后的一个夏季进行。采用IESVE进行建模，基于测量数据校准模型以研究其全年性能。结果：测量证实两系统均高效运行；冷屋顶降低了屋顶表面温度，带PCM的通风冷却系统维持了典型设定点室内温度。模拟表明，与典型空调系统相比，冷却能量需求降低。模拟亦证实了冷屋顶系统的供暖能量损失，尽管全年供暖与制冷总能量需求有所下降。就成本而言，冷涂料成本较低且易于安装，但带PCM的通风冷却系统同时改善了室内空气质量（IAQ）。实践应用：本研究通过测量与建模展示了两种适用于顶层公寓改造的低能耗冷却技术的性能。冷屋顶以较小的供暖损失降低过热，带相变材料（PCM）的通风冷却系统降低能量需求。与带PCM的通风冷却相比，冷屋顶成本较低且更易安装，但后者额外改善了室内空气质量。研究结果可帮助建筑设计师在改造中决策实施相关系统，以降低冷却能量需求并改善过热问题。引言：由于许多国家建筑存量老化，住宅建筑改造常被例行开展，以延长既有建筑寿命、提升房产价值、节约能源并改善居住者舒适度。通过深度改造实现的节能及相关CO₂减排日益受到关注，并成为国际与区域层面多项倡议的焦点。改善舒适度亦日益受到关注，尤其是过热问题，其因气候变化与城市热岛效应而在城市建筑中加剧。在欧盟，住宅改造政策主要由《建筑能效指令》（EPBD）、翻新浪潮战略、能效指令与欧洲绿色协议驱动。这些政策旨在加速建筑翻新、提高能效并减少建筑部门碳排放。通过这些举措，欧盟力求到2050年将建筑存量转变为零排放建筑，同时改善能源可负担性与居民居住条件。在国际层面，美国提供财政激励与项目，如天气化援助计划（WAP）、美国就业计划建筑改造投资与《通胀削减法案》税收抵免，而非政策强制。中国通过五年规划、绿色建筑行动计划与改造试点项目进行集中式国家规划，目标为2030年前碳达峰、2060年碳中和。在英国，气候变化委员会（CCC）针对住宅建筑因太阳得热与外部温度升高（尤其夏季）导致的过热风险予以关注。公寓或战后住房因旧有建筑设计与通风受限，更频繁地难以应对高温波动。这可能导致严重健康问题。2022年夏季（该年夏季多次热浪），与五次热事件相关的全因超额死亡估计为2,985例（2,258至3,712），为任一年份最高值。尽管该数字并非专指住房，但可反映该问题。在英国及国际上，关于室内温度与死亡率/发病率结果之间联系的研究匮乏，这也导致室内温度安全上限阈值不明确。近期一篇论文对将温暖住宅室内温度与健康或福祉结果相联系的研究进行了范围综述。多数研究发现较暖室内温度与不良健康、福祉或热舒适结果相关。最常见的结果为心血管发病率、呼吸系统发病率与热舒适。英国住宅改造政策侧重于提高能效、减少碳排放与解决燃料贫困。关键举措如2026年宣布的温暖家庭计划（包括社会住房脱碳基金）与PAS 2035标准支持对既有住宅的大规模升级。这些政策在实现英国2050年净零目标的同时改善居住条件并降低家庭能源成本方面发挥关键作用。研究估计英格兰约有两百万户家庭经历夏季过热，且风险因气候变化而增加。英国健康安全局指出英国热浪已导致数千例超额死亡，研究预测若无住房适应措施，热相关死亡率将显著上升。当前过热的一个原因是英国住宅传统上设计为保温而非散热。研究表明，公寓、1995年后高保温高气密性住宅以及顶层住宅更易出现室内过热。气候变化委员会（CCC）建议在翻新工程与新建住宅中采用被动冷却措施。这是英格兰与威尔士建筑法规纳入被动冷却措施以应对所有新建住宅过热并包含计算过热合规方法的原因之一。然而，修订后的建筑法规侧重新建，对改造关注较少，尽管结果显示英国住宅报告的室内过热流行率已从2011年的20%上升至2022年的82%。虽然行为适应仍是主要机制，但空调使用率在过去十年亦从2011年的3%增至20%，且卧室受影响最大。因此，在英国及国际上，重点在于改善既有建筑存量尤其是住房。然而，所有政策与激励均依赖于改造技术的可用性；不同技术与改造策略适用于不同类型住房，这取决于建造年代、住房类型（单户或多户）、位置（城市、郊区、农村）以及住房单元在多户住宅建筑中的位置。本文聚焦于两种适用于多户住宅建筑顶层公寓的降低过热与制冷能量需求的技术。顶层公寓因屋顶暴露及城市环境中相邻建筑遮阳减少而获得更高太阳得热，故更易过热。未来这将加剧。本文呈现英国伦敦一案例研究建筑的干预，两种系统均安装以供评估。第一种系统为可涂覆于屋顶以反射太阳辐射的冷涂料。第二种系统为带相变材料（PCM）蓄热的通风冷却系统。两系统不同但目标相同，即最小化建筑冷负荷，并被研究项目ReCO₂ST确定为适用于顶层公寓的改造选项。安装为ReCO₂ST项目的一部分，该项目开发了设计与方法工具及新技术，以支持更快、更具成本效益的改造流程，从而实现2050年气候中和目标。ReCO₂ST的住宅改造方法旨在通过简化与加速决策及早期阶段成本效益设计来提高翻新率。冷屋顶是一种被动解决方案，旨在通过降低建筑外部表面温度来减少夏季向室内环境的热传递。其通过最小化太阳吸收并最大化外部表面热发射来降低表面温度。冷材料通常为市场上已有的涂层产品。它们可为现场涂覆涂层、工厂涂覆涂层、金属涂层、改性沥青、多层膜、瓦片、橡胶膜、灰泥、卷材屋顶与泡沫屋顶产品。冷材料的初始太阳反射率（SR）值可在0.25至0.95之间变化，而标准黑色涂层反射少于10%的太阳辐射。许多SR高于0.8的高性能冷材料已被开发。然而，其性能随时间下降，受风化、污染与生物生长影响。老化影响因多种因素而异，包括材料类型与应用、初始SR值、气候区域、建筑位置等。老化影响可在前三年将初始SR值降低多达47%；因此，若在建筑中应用该技术，需定期维护。在建筑改造中使用冷材料是一种非常经济的节能策略，鉴于材料成本低且安装简便。在改造项目中，最合适产品的选择由现有屋顶结构（即平屋顶或坡屋顶）以及干预成本与居住者/业主的能源成本效益决定。许多情况下，因安装简便与资本成本而选择冷涂料。冷膜在平屋顶上亦非常常见。冷屋顶在住宅与非住宅建筑中均显示出良好冷却潜力。然而，由于冷屋顶对顶层影响最大，其效益在低层建筑中最大化，因屋顶面积与总地板面积之比较高。冷材料减少辐射得热的能力还取决于建筑围护结构上的太阳能可用性，因而取决于场址纬度和气候类型、周围城市几何与材料以及建筑表面朝向。太阳能可用性越高，冷材料冷却潜力越大。因此，在密集城市区域，因相邻建筑遮阳与反射，冷材料在墙面的有效性可能降低。使用冷材料的效益之一是对城市微气候的积极影响。事实上，通过减少太阳吸收与表面温度，冷材料也有助于保持近地表空气温度较凉爽。冷屋顶在英国受到支持。大伦敦管理局（GLA）近期报告建议对所有建筑屋顶进行冷屋顶改造。该报告呈现了对众多不同类型、建筑风格与可施工性建筑的研究。据估计，这样做可实现诸多效益，如减少过热、城市热岛及改善人们健康。报告强调了将冷屋顶与其他被动措施（如遮阳）结合的好处。其他地区亦有研究。例如，研究冷屋顶、自然通风（NV）与遮阳对减少照明与空调（AC）能量需求的影响，结论是可实现显著节能。带PCM蓄热的通风冷却系统。热能储存的能效多年来吸引设计师与开发商在既有建筑中实施该技术，因其提供良好投资回报、长寿命与低维护成本。若建筑为深度能源改造或具有良好保温围护结构以储存高能量容量并导致快速响应，则更为可取。该系统由通风路径内的相变材料（PCM）电池组成以捕获与储存热量。因此，热电池利用材料的潜热特性储存能量，通过使空气通过热交换器进行充放；潜热蓄热原理适用于夜间温度足够冷以充能（固化）PCM并在白天用于冷却环境的气候。PCM固化温度受用于充能材料的温度（夜间室外空气温度）限制。该选择还基于冷却需求（高需求选较低熔点，低需求选较高熔点）。带蓄热的通风冷却已在全球许多实验装置与建筑中应用。测试了一种结合主动通风系统并纳入PCM的模块化冷却天花板系统，发现整体潜在节能范围为13%至32%，取决于建筑施工，同时仍满足所需热舒适标准。对集成于空调系统的PCM基热能储存进行了实验测试；发现对于充放过程，系统级性能显著改善，导致热舒适程度提高与出口温度波动减小。2022年发表的一篇关于通风系统中PCM使用的综述指出，这是一种相对较新的解决方案，尚未商业化应用。其指出PCM的选择及价格很重要，系统紧凑设计亦重要。印度近期一项研究发现，通过仔细选择PCM与设计通风系统，冷却负荷可降低23.25%，整体能耗降低7.81%。参数优化很重要；对北京及中国其他城市系统的参数研究表明，优化使净节电增加10%–54%，平均值为31%。系统优化被认为是必要的。在英国，一种此类系统已商业化，并安装于一系列建筑，通常为办公室与学校。它本质上是一种按需控制通风与冷却系统，由调节空间内的空气温度、相对湿度与CO₂水平控制。其运行性能已评估，发现有效且运行成本大大降低。然而，在本研究之前，它尚未安装于住宅建筑。上述两系统，即冷屋顶与带PCM蓄热的通风冷却，均适用于住宅建筑顶层安装并将降低能量需求；但哪一个性能更好？分析了两系统运行数据以评估其性能。亦使用动态热模拟分析以比较其对减少过热与冷负荷的影响。进行了成本估算。第2节介绍研究使用方法：干预的案例研究建筑、如何安装/测量及所进行的建模研究。第3节呈现两系统的测量性能以及基于模拟性能的结果。第4节比较其在改善过热、降低能耗与成本方面的性能。第5节呈现结论。方法：研究利用了一栋安装两系统的运行建筑数据。案例研究建筑见第2.1节。第2.2与2.3节描述两技术的安装，第2.4节描述为补充测量数据而进行的动态热模拟。案例研究建筑与监测：案例研究建筑位于英国伦敦西部布鲁内尔大学校园内。其为ReCO₂ST H2020项目的示范建筑。建于1979年，由六栋4层学生宿舍楼组成，每层/每栋平均42间房。图2显示外部照片与每栋典型平面图。案例研究建筑为1970年代典型空腔墙砌块建筑，配混凝土楼板与平保温屋顶。空间供暖与生活热水由中央燃气锅炉房与水力回路提供。建筑通过用户控制的手动开窗自然通风。选择建筑两个相同楼层的顶层进行更广泛干预部署，本案例中安装了冷屋顶与带PCM蓄热的通风冷却系统。案例研究建筑外部构件构造见表1。冷屋顶安装于一公寓屋顶，带PCM的通风冷却系统安装于另一公寓屋顶（图3）。地板特性相同，如图4所示。冷屋顶监测进行了两个夏季，包括屋顶表面温度。带PCM的通风冷却系统监测在控制调整前进行了一个夏季，控制调整后进行了一年。使用HOBO记录仪/传感器在走廊与卧室以及带PCM通风冷却系统集成传感器测量每小时值。本文仅使用系统传感器进行分析。HOBO安装于各卧室与走廊。走廊HOBO（位置见图4）用于确认系统读数。卧室HOBO用于其他与过热及居住者响应相关的研究。冷屋顶安装：对于本案例研究建筑，由欧洲冷屋顶委员会成员根据场址特定气候条件与建筑特性，基于初步模拟与市场经验确定了合适的屋顶涂料。选择了一种液体施涂的水基屋顶膜。该膜具有以下特性：太阳反射率：SR:0.84，红外发射率：IE:0.90，太阳反射指数：SRI:106；它是一种单组分、水基丙烯酸液体冷施工涂层，额外提供防水饰面、抗紫外线暴露并具有蒸汽渗透性，工作寿命预期10年。图5显示屋顶；一半涂覆，另一半作为对照。安装16个K型热电偶监测屋顶涂覆/未涂覆侧表面温度。热电偶连接至四个四通道数据记录仪并置于保护壳内。带PCM蓄热的通风冷却系统安装：安装了一种创新的PCM基调节与通风系统，以评估其改善住宅改造中热舒适与室内空气质量的适用性。该系统为Monodraught Ltd的商业产品Cool-Phase。系统由多速风扇段组成，从调节空间排风并将空气（与室外新风混合）通过相变材料（PCM）电池供应（图6）。所用PCM为Rubitherm的盐水合物PCM SP 21E（熔化：22-23°C；固化：21-19°C；热容：170 kJ/kg，温度范围13-28°C），适合所研究系统及其应用。盐水合物通过排列与破坏盐-水反应（水合-脱水）工作。它们具有高单位体积潜热、高导热率（为石蜡的两倍）及熔化时体积变化小。然而，盐密度高于水并停留于容器底部，使冻结过程更复杂。该单元根据实际室内条件按以下设置提供按需室外空气用于通风与空间冷却：• 当CO₂浓度>900ppm时通风开启• 当室内空气温度以下时冷却开启：- 夏季（5月1日–9月30日）>22°C- 春季（3月1日–4月30日）与秋季（10月1日–11月30日）>23°C- 冬季（12月1日–2月底）>24°C图7显示单元控制并指示温度测量位置；这些位置在第3.2节性能结果图表中提及。Cool-Phase单元最初设计为室内安装于吊顶。然而，住宅建筑中不建议此安装，原因有二：1）会降低地板至天花板高度，这在多数既有住宅建筑中不可行；2）夜间风扇噪音可能对居住者造成干扰。考虑这些，实施了一些改编以将Cool-Phase单元安装于案例研究建筑屋顶以服务顶层公寓。为防风雨，单元置于特殊保温外壳内，足够大以允许必要维护操作（图8）。屋顶安装还涉及在屋顶板开孔以向下方公寓供气；此操作需符合消防安全法规。此安装优点是最小化公寓内影响，唯一变化是天花板新送风与回风格栅及系统控制单元（图9）。系统由多速风扇段组成，从调节空间排风并将空气（与室外新风混合）通过成排相变材料（PCM）电池供应。PCM封装于铝板内。供应路径分为两段，每段配备三排18块PCM板，每板含2 kg PCM，提供88 Wh储能容量。案例研究建筑的安装对该系统而言是新颖的，该系统通常安装于办公室/学校，需对控制系统修改以适应住宅典型运行。将在第3.2节讨论，该节还概述与描述所进行的广泛热建模。模拟研究：使用动态热模拟（DTM）程序IESVE进行模拟。IESVE广泛使用且与其他动态热模拟（DTM）程序比较良好——它也是可根据英国建筑法规使用的合规工具之一。本研究选择其主要原因是它包含模拟Cool Phase单元的插件。使用竣工图创建dxf文件并导入IESVE。使用'model it'工具将构造层与U值分配给建筑模型。Cool Phase系统从IESVE导航选项卡导入并分配给系统。冷屋顶系统通过更改屋顶最外层反射率值模拟。对于能源与热舒适计算，占用时间表基于住宅公寓。这些包括占用时间、设备与居住者内部得热（包括湿气与代谢CO₂产生）、通风率与生活热水使用。还定义了使用时间表。通过比较模拟结果与测量数据校准完整模型。使用7月测量每小时空气温度数据校准模型，以聚焦测试两系统性能的年度时段。编辑Heathrow DSY气象年以包括校准期外部天气数据（空气温度、相对湿度、风速、风向与太阳辐射），这些数据从现场气象站收集。比较期间使用CIBSE following程序。为检查模型对数据的准确性，计算归一化平均偏差误差（NMBE %）与均方根误差变异系数（CV(RMSE)）；ASHRAE指南14建议当使用每小时数据计算时，若MBE<10%且CV(RMSE)<30%，模型可校准。用校准期当地天气数据修改Heathrow天气文件后，发现MBE为3.85%，CV(RMSE)等于22.6%。因此，模型被认为良好代表实际性能。结果：冷屋顶测量性能：检索表面温度数据包括两个夏季。图10与11显示两个典型晴天；还包括从现场气象站检索的全球太阳辐射。可见冷屋顶保持较低温度，差异高达20 K。太阳辐射影响清晰可见。表2显示测量表面温度（5月至9月）分为四个太阳辐射带（零-夜间、低、典型与高）。测量表面温度差异高达37.8°C，而典型与高太阳辐射水平平均约6°C。这些测量结果如预期，并与类似气候文献测量一致。温度差异显著但不如高气温与太阳辐射气候中高。然而，这些差异可为建筑顶层空间提供效益（减少过热与冷却能量需求），对保温不良屋顶更明显。模拟结果：使用DTM模型对建筑顶层冷屋顶性能进行全年模拟。模拟进行两次；第一次用原屋顶，第二次用冷屋顶；两次均在夏季自由浮动模式（冬季供暖开启）以计算夏季过热小时数。过热小时数或超出小时数是住宅建筑热不适与过热风险的广泛使用指标。模拟再重复两次，夏季设定点温度24°C、冬季21°C以计算供暖与制冷能量需求。模拟假设建筑优化供暖系统而非现有系统，以与带PCM蓄热通风冷却系统公平比较。分析基于机械通风建筑过热分析，再次与带PCM蓄热通风冷却系统公平比较。全年高于25.5°C的过热小时数为原屋顶302小时、冷屋顶137小时；因此，仅应用屋顶冷膜即使过热小时数减半以上。高于25.5°C的137小时为全年小时的1.6%，因此满足机械通风建筑高于26°C 3%截止标准。能量需求模拟月度结果见图12。能量需求模拟汇总结果见表3。模拟结果显示，尽管屋顶保温良好，建筑顶层冷屋顶实现12.4%能量需求节省，尽管有少量供暖损失。带PCM蓄热的通风冷却：默认控制测量性能：使用系统传感器通过各组件监测Cool Phase单元初始安装性能。夏季性能：图13显示7月一个中等温暖日系统运行。图中紫线指示一天中不同运行模式：夜间冲洗（午夜至01:00）：风扇以最大速度驱动以用新鲜室外空气替换室内空气。图表显示此运行模式下室内空气温度因高室外气流率而下降。PCM电池夏季夜间充能（01:00至07:00）：此模式下，风扇使通风室外空气通过热电池循环后再供应至房间。此过程中，通风空气通过吸收PCM电池热量而变暖，PCM固化。电池前后温差随时间减小，表明电池正在充能。此运行模式下，房间空气温度恢复夜间冲洗模式部分温降。此期后，PCM电池“充满”，意味着可在白天吸热并提供冷却。系统关闭（07:00至08:00）– 系统关闭时，空间不调节，室内空气温度（UI T）随室外温度（T1）与太阳辐射升高。夏季冷却（08:00至18:00）– 系统开启时，室内温度高于设定点（22°C），故启动冷却模式。只要室外空气低于冷却设定点温度，则旁通PCM电池供应。约9:30，室外温度达到冷却设定点，意味着不能再向空间提供冷却。因此，室内空气通过PCM电池以熔化PCM降低其温度，然后与所需最小量室外通风空气混合后再循环。实际上，图表显示PCM后空气温度（T7）低于室外及此期室内温度。此调节期约17:30结束时PCM完全熔化，PCM前后温度相似。内部温度因此开始上升。房间CO₂测量见图13棕线。可见因控制热条件的高通风率，CO₂浓度保持低于500 ppm。CO₂设定点900 ppm，在冬季运行控制IAQ有用，如图15所示。系统18:00关闭，图表清楚显示18:00后室内温度上升。这些结果表明单元控制设置可调整以通过设置夜间冲洗模式在晚间实现最佳环境条件。使用Cool-phase实现的室内夏季热条件改善从图14明显可见，报告一个夏季周监测数据。图表显示系统周末关闭时，室内空气温度可全天保持高于30°C，导致居住者显著热不适，尤其夜间。整个夏季CO₂水平保持相当低且一致值，表明提供冷却的高气流率也保证实现高室内空气质量。冬季性能：冬季运行预期较低通风率，因此系统主要工作在通风模式以保持CO₂水平低于900ppm；若内部空间超过24°C也将提供冷却以防过热。公寓设有与该系统无关的中央供暖系统，将空间加热至约23°C。图15显示监测公寓CO₂水平与空气温度。数据显示系统可在调节时段保持室温低于24°C且CO₂浓度低于阈值。CO₂浓度仅在未调节时段且有限时间超过阈值；事实上，系统开启后即恢复最佳CO₂水平。这些数据确认系统冬季对室内空气质量的积极影响，使其成为伦敦气候下全年改善住宅建筑室内环境条件的合适系统。系统住宅建筑适应与通过模拟优化性能：进行动态热模拟以优化系统住宅应用；通过改变系统运行时间、冷却设定点温度、走廊门开/关及卧室与走廊窗开/关考虑若干建模场景。计算不同场景过热小时数，可得出以下观察：1. 设定点温度不影响舒适度；模拟了22°C与24°C设定点温度。2. 系统运行时长不显著影响卧室热舒适；默认8:00至18:00时长与8:00至22:00及10:00至22:00比较。3. 周末运行改善热条件；当卧室门向走廊打开时更显著。4. 打开门与走廊窗进行夜间冷却改善热舒适。有系统卧室比无系统卧室实现双倍舒适小时数。5. 夜间打开卧室窗进一步改善两卧室舒适度。卧室最佳条件在以下场景实现：（a）白天门开，（b）夜间门关（实际原因，许多居住者偏好）及（c）夜间卧室与走廊窗开。因此：1. 带PCM通风冷却系统运行于8:00至18:00。2. 冷却设定点22°C。3. 白天门开，18:00至8:00门关。走廊与房间窗18:00至8:00开。4. 系统每周7天运行包括周末，因这是住宅建筑。系统修改后测量性能：基于建模结果更改系统运行。PCM系统修改如下：系统关闭（午夜至01:00）：系统关闭以备夜间充能。内部温度上升，故此期应尽可能短。PCM电池夏季夜间充能（01:00至08:00）：PCM电池充能延长1小时，与图13默认设置相比消除早晨温度上升。夏季冷却（08:00至18:00）– 冷却以相同控制工作保持内部设定点温度。夜间冲洗（18:00-午夜）夜间冲洗现于18:00开始并良好工作保持内部温度于舒适水平。（而非默认设置观察到的上升——与图13控制相比）。系统修改后典型夏季日测量见图16，包括周末的几天测量见图17。Cool Phase在其运行期间控制内部温度至设定点值，而夜间开窗提供夜间冷却；午夜至1:00am间可见室温小幅上升，因PCM系统冲洗——18:00系统关闭与夜间冲洗开始时同样出现。进一步调整系统以避免此可能，尽管温度上升小且时间短。安装系统测量结果表明，通过安装带PCM蓄热通风冷却系统，此自然通风建筑可实现改善的热舒适与IAQ。与冷屋顶类似，模拟了节能。模拟DX空调系统以设定点温度24°C提供热舒适。计算Cool Phase与DX系统电力使用并见表4。讨论——两系统比较：比较两系统提供的热舒适改善。以与无系统基准相比实现的过热小时数减少量化。还比较与配备典型空调系统基准相比实现的供暖/制冷能量需求减少。安装重要考虑是初始与维护成本；亦比较。过热小时数：图18呈现基准与两系统卧室高于25.5°C模拟过热小时数。本工作使用25.5°C阈值符合I类卧室考虑最严格标准。然而，近期研究建议可接受高达28°C更高阈值，与IV类一致。若选择更高阈值，两安装系统将在夏季提供增加热舒适。PCM减少住房过热影响此前已在英国研究，结果表明可实现减少，尽管幅度取决于许多因素如PCM位置、住房类型与英国位置。冷屋顶研究未确定英国住房证据，但GLA指南包括住宅应用。能量需求：图19显示四个月夏季冷却能量需求与累积总量。带PCM通风冷却与冷屋顶系统实现的总冷却能量减少相当。然而，如第3.1.2节讨论，冷屋顶在较冷时期可产生供暖能量损失，因其高太阳反射率减少有益太阳得热。冷屋顶此限制文献广泛报道。四个月夏季变化明显，冷屋顶7月冷却节能显著少。7月观察到的冷却节能减少表明冷却负荷日益由较高外部温度与其他得热主导，从而减少屋顶太阳反射率对总冷却能量需求相对贡献。先前研究表明冷屋顶有效性受气候条件、太阳辐照度与屋顶热特性影响，导致全年冷却节能变化。成本：模拟结果表明两技术均降低年冷却能量需求。冷屋顶减少冷却能量约21.5 kWh/m²/年，同时产生1.9 kWh/m²/年供暖能量损失。先前研究报告反射屋顶涂层冷却能量减少9–48 kWh/m²/年与供暖损失0.2–17 kWh/m²/年，表明模拟结果与已发表发现一致。带PCM通风冷却系统产生约1.5 kWh/m²/年与风扇及风门运行相关运行能量成本，导致两系统整体运行能量成本相似。带PCM通风冷却系统此值与PCM增强通风冷却系统报告的低辅助能量需求一致，其中电力消耗主要由于风扇与气流控制组件。此外，带PCM通风冷却系统通过基于CO₂需求控制的受控通风提供全年室内空气质量效益。因此，就能源运行成本而言两系统相似。就安装成本而言，冷屋顶范围￡50/m²-￡330/m²取决于现有屋顶状况与所用冷材料（涂料或瓦片）。社会住房冷涂料应用成本估计为￡13/m²。必要维护视为每年两次检查（雨季前与后于屋顶）。本案例研究安装成本在￡50/m²较低范围，75 m²（约￡4000包括材料）。带PCM通风冷却系统安装成本包括测试与调试范围￡20,000至￡27,000取决于容量。维护包括年度访问检查系统。本案例研究安装成本为￡12000加约￡8000用于平屋顶安装修改（主要为外部外壳单元如图8所示）。因此，带PCM通风冷却系统安装成本较高；然而，应注意通过CO₂传感器控制的调节空气全年改善IAQ的额外优势。应注意本案例研究带PCM通风冷却系统需在建筑屋顶安装设备外壳。此必要因屋顶/天花板下无空间安装设备于建筑内。故本案例平屋顶中外壳为合适解决方案。然而，坡屋顶公寓建筑中阁楼空间可能安装设备；这将使安装更容易且更便宜。结论：本文呈现伦敦一运行住宅建筑两干预研究。两系统安装于建筑屋顶以减少夏季过热从而降低冷却能量需求。系统为（a）平屋顶反射涂料形式冷屋顶与（b）带相变材料蓄热通风冷却系统。第二系统还通过监测建筑代谢CO₂作为需求控制机械通风系统改善室内空气质量。冷屋顶应用为常规干预，因系统已证明在住宅建筑提供效益。在伦敦温和气候中，它也产生供暖损失，因冬季有用太阳得热减少。带PCM蓄热通风冷却系统应用为新颖干预，因此类系统主要非住宅建筑测试，通常安装于吊顶。需修改以适应系统于屋顶外部外壳并更改控制以适应住宅使用模式。安装后测量确认两系统夏季减少过热效益。亦确认带通风冷却系统保持空气质量。动态热模拟确认与典型空调系统相比冷却能量需求减少。亦确认冷屋顶系统供暖能量损失，尽管全年供暖与制冷能量需求减少。就安装与维护成本而言，冷涂料与机械通风系统相比更具成本效益。因此，本文工作表明两系统均适用于减少顶层住宅公寓过热与冷却能量需求。冷屋顶是易于安装且低成本系统，特别适用于外部污染与噪音考虑允许自然通风维持室内空气质量的郊区建筑。在城市位置，带PCM蓄热通风冷却更合适，因其通过机械方式提供通风，从而维持公寓IAQ。然而，它比冷屋顶更昂贵。利益冲突声明：作者声明无潜在利益冲突。资金：作者披露收到以下研究、 authorship与/或文章发表财务支持：本工作由H2020 Energy；768576支持。ORCID iD Maria Kolokotroni https://orcid.org/0000-0003-4478-1868

研究背景方面，英国住宅存量老化且传统设计注重保温而非散热，叠加气候变化与城市热岛效应，顶层公寓因屋顶暴露和遮阳不足成为过热高发区域。英国住宅室内过热流行率已从2011年的20%攀升至2022年的82%，2022年夏季五次热事件关联约2,985例全因超额死亡，空调使用率亦从3%增至20%。既有改造政策与激励措施依赖可用技术，而不同技术适用于不同住房类型与位置，顶层公寓的过热缓解与冷却节能改造技术缺乏运行建筑中的直接对比证据。为此，研究人员在英国伦敦布鲁内尔大学校园内一栋1979年建成的4层学生公寓案例建筑中，于两个相同顶层公寓屋顶分别安装冷屋顶反射涂料与带相变材料（PCM）蓄热的通风冷却系统，通过一个夏季的现场测量与基于IESVE的全动态热模拟（DTM）校准模型，对两系统进行全年性能、过热改善、能耗与成本的系统比较，为顶层住宅改造决策提供依据。

关键技术方法包括：以运行建筑为案例开展现场监测，采用HOBO记录仪与系统集成传感器采集每小时室内外温度、屋顶表面温度及CO₂浓度；使用K型热电偶监测涂覆与未涂覆屋顶表面温度；采用IESVE动态热模拟软件建模，以7月实测逐时空气温度校准模型，依据ASHRAE Guideline 14以归一化平均偏差误差（NMBE）与均方根误差变异系数（CV(RMSE)）检验模型精度；通过自由浮动与设定点两类模拟场景计算过热小时数与供暖制冷能量需求；并开展安装与维护成本估算。

研究结果如下：冷屋顶测量性能方面，通过两个夏季屋顶表面温度监测得出，涂覆冷涂料侧温度显著低于未涂覆侧，典型与高太阳辐射水平下平均温差约6°C，最大温差达37.8°C，效果与类似气候文献一致。冷屋顶模拟结果方面，通过全年DTM模拟得出，高于25.5°C的过热小时数由原屋顶302小时降至137小时，减少一半以上，满足机械通风建筑过热标准；尽管存在供暖能量损失，顶层全年供暖与制冷总能量需求仍节省12.4%。带PCM蓄热通风冷却系统默认控制测量性能方面，通过夏季与冬季监测得出，系统按夜间冲洗、PCM夜间充能、白天冷却等模式运行，夏季可将室内温度维持在22°C设定点附近并将CO₂保持在500 ppm以下，冬季维持室温低于24°C且CO₂低于900 ppm阈值，验证其全年改善热舒适与室内空气质量（IAQ）的能力。系统住宅适应与模拟优化方面，通过多场景模拟得出设定点温度与运行时长对卧室舒适影响不显著，周末运行、白天开门、夜间开窗可改善舒适，据此将运行时间调整为8:00–18:00、设定点22°C并延长夜间充能1小时。修改后测量性能方面，通过修改后夏季监测得出系统可在运行时段稳定控制室温于设定点，夜间开窗提供夜间冷却，仅在模式切换时出现短时小幅温升。能耗模拟方面，通过与DX空调系统比较得出，PCM系统夏季四个月电力消耗27.07 kWh/m²，较DX系统的48.90 kWh/m²节省21.83 kWh/m²。

讨论部分总结：两系统在过热改善方面均有效，若采用28°C较高阈值则舒适效益更明显；在冷却能量需求方面两者减少量相当，但冷屋顶7月节能较少，反映高温与其他得热主导时屋顶反射率贡献下降，且冷屋顶存在供暖损失；运行能量成本两者相近，PCM系统风扇与风门辅助能耗约1.5 kWh/m²/年；安装成本冷屋顶约￡50/m²（本案例75 m²约￡4000），PCM系统约￡12000加约￡8000屋顶外壳改造费用，显著更高，但后者额外提供基于CO₂需求控制的全年IAQ改善。研究结论译为：本文呈现了伦敦一运行住宅建筑的两项干预研究，两系统安装于屋顶以减少夏季过热并降低冷却能量需求，即平屋顶反射涂料形式的冷屋顶与带相变材料蓄热的通风冷却系统，后者还通过监测代谢CO₂作为需求控制机械通风改善室内空气质量。冷屋顶应用属常规干预，在伦敦温和气候中因冬季有用太阳得热减少而产生供暖损失；带PCM蓄热通风冷却系统应用属新颖干预，因该类系统主要在非住宅建筑吊顶中测试，需改造以适应屋顶外部外壳并调整控制以适应住宅使用模式。安装后测量确认两系统夏季减少过热的效益，并确认通风冷却系统维持空气质量；动态热模拟确认与典型空调系统相比冷却能量需求降低，亦确认冷屋顶供暖能量损失，尽管全年供暖与制冷能量需求下降；就安装与维护成本而言，冷涂料较机械通风系统更具成本效益。因此，研究表明两系统均适用于减少顶层住宅公寓过热与冷却能量需求：冷屋顶易于安装且成本低，特别适用于外部污染与噪音允许自然通风维持室内空气质量的郊区建筑；城市位置则带PCM蓄热通风冷却更合适，因其以机械方式通风维持公寓IAQ，但成本高于冷屋顶。