冷屋顶对铁路客运站用能特性的影响

李立清，程佳，马卫武，姚小龙

(中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：在定性分析冷屋顶对建筑物性能影响的基础上，以长沙某铁路客运站为原型，利用能耗模拟软件EnergyPlus建立模型，并运用实测数据对模型进行验证。以此模型对比分析冷屋顶屋面反射系数和天窗遮阳反射系数对客运站空调机组装机容量、空调和照明能耗、室内热舒适性的影响，并探讨冷屋顶技术在不同建筑围护结构、不同气候条件下应用的差异性。研究结果表明：对于我国大部分地区，冷屋顶技术能有效减少空调制冷机组的装机容量和制冷能耗，改善夏季室内热舒适性，但对冬季供暖能耗、照明能耗和冬季室内舒适性的影响却因不同类型的冷屋顶而有所区别，因此冷屋顶技术需与当地客观自然条件相结合才能有效发挥效果。

关键词：冷屋顶；反射系数；建筑能耗；EnergyPlus；铁路客运站

中图分类号：TU83           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)11-4726-10

Impact of cool roof on properties in energy consumption at railway station

LI Liqing, CHENG Jia, MA Weiwu, YAO Xiaolong

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: In order to analyse the influence of cool roof on the performance of building, a railway station model was built by using the software EnergyPlus and was adjusted with the measured data. The model was used to simulate the energy consumption characteristics of the railway station with different kinds of reflectivity of the cool roof and the climates in China. The result shows that different kinds of reflectivity of cool roof have different influences on the required capacity of air conditioner, the energy consumption of air conditioning and lighting, and the number of comfortable hours. With the increase of the roof reflectivity, the required capacity and energy consumption of air conditioner decrease in summer, but the result is opposite in winter, which results in more energy consumption in whole year. However, the high reflectivity of the shade not only saves the required capacity and energy consumption of air conditioner in summer, but also limits the increase of the energy consumption for heating and lighting, which saves amount energy in whole year. So the cool roof will be a powerful technology for energy conservation with appropriate designing.

Key words: cool roof; reflectivity; energy consumption; EnergyPlus; railway station

夏季通过屋顶进入室内的热量是建筑物空调能耗的重要组成部分。对于铁路客运站这类屋顶面积巨大的建筑，当有阳光直射时，屋顶表面温度会迅速上升，导致内外表面温差增大，传热量增加；同时，过热的屋顶会加热周围的空气，增强城市的热岛效应^[1]。针对这一问题，冷屋顶技术应运而生。冷屋顶是指外表面具有高日射反射性和红外发射性，能在日射下保持较低温升，从而减少夏季室内得热的屋顶结构^[2]。目前，国外研究者对该技术进行了深入研究。如Akbari等^[3]运用DOE-2能耗模拟软件对典型建筑应用冷屋顶技术前后的冷热能耗进行了量化分析，并估算出该技术可使美国1年节约电能10 TW·h和能源支出7.5亿美元。Romeo等^[4]根据实测数据采用软件TRNSYS建立冷屋顶建筑模型，对不同反射系数的冷屋顶节能性能进行对比。Suehrcke等^[5]的研究结果表明采用颜色较浅的屋顶能使房间得热量降低30%，更定性地给出评价冷屋顶性能的指标。Synnefa等^[6-7]研究了冷屋顶对建筑能耗和室内热舒适性的影响，结果表明：当屋顶日射反射系数升高0.65时，冷负荷减少了8~48 kW·h/m²，室内最高温度降低了1.2~3.7 ℃。Kolokotroni等^[8]将冷屋顶与建筑自然通风结合，通过现场数据采集和软件TRNSYS模拟，结果表明冷屋顶使夏季能耗减少，冬季能耗增加，全年能耗变化范围在1%~8.5%之间，并认为最合适的冷屋顶反射系数为0.6~0.7。上述研究证实了冷屋顶在改善夏季建筑室内环境，并降低空调夏季能耗等方面的优越性，但大多数仅是针对某一固定建筑，缺乏对不同气候和不同屋顶结构条件下冷屋顶性能的研究。而在国内，相关研究主要集中在高反射性涂料的热物理性能，以及天窗玻璃热性能和遮阳设施对建筑能耗的影响^[9-10]，对冷屋顶技术的性能和其对建筑用能特性的影响尚缺乏深入且量化研究。鉴于此，本文以带有天窗的铁路客运站建筑为例，以现场实测数据为验证，利用能耗模拟软件EnergyPlus建立模型，分析我国典型气象条件下2种冷屋顶结构的日射反射系数对客运站空调装机容量、空调和照明能耗以及室内舒适性的影响。

1  冷屋顶与建筑性能关系的定性分析

对于天窗建筑而言，屋顶结构分为非透明屋顶和天窗2个部分。影响非透明屋顶对太阳辐射吸收的主要是屋顶外表面的日射反射系数，本文称之为屋面反射系数，它主要影响建筑物的空调能耗。对于天窗结构，太阳辐射主要通过玻璃透射进入室内，会影响建筑物的空调能耗，也同时影响其照明能耗，其传热量和光通量会受到遮阳设施的外表面日射反射系数影响，本文称之为遮阳反射系数。

1.1  屋面反射系数对建筑性能的影响

根据稳态传热理论，通过非透明屋顶传入室内的热量为

   (1)

式中：q为屋面向室内传递的热量，W/m²；U为屋顶综合传热系数，W/(m²·K)；t_o为室外空气干球温度，℃；t_i为室内空气干球温度，℃；为屋面反射系数；I_b为太阳直接辐射强度，W/m²；I_s为天空散射辐射强度，W/m²；I_g为地面反射散射辐射强度，W/m²；f为太阳直射系数，其值由建筑物阴影计算得出；为太阳方位角，(°)；为太阳高度角，(°)；h_o为屋顶外表面综合换热系数，W/(m²·K)。

由式(1)可以看出：屋面传热过程具有以下特点：首先，该传热过程具有双向性，在日间t_o＞t，且I_b，I_s和I_g均大于0 W/m²时，q＞0，热量由室外传入室内；而夜间I_b，I_s和I_g均为0，且由于室内人员和设备散热的关系，会出现t_o＜t的情况，此时q＜0，室内热量可以通过屋顶传递到室外环境。其次，该传热过程还受到屋顶传热系数U的影响，这说明冷屋顶是一个完整结构，脱离其结构特性研究其对建筑物的影响是不全面的。

1.2  遮阳反射系数对建筑性能的影响

在某一时刻，入射到天窗上的太阳辐射分为直接辐射和散射辐射2部分，造成的透射得热量为

         (2)

        (3)

式中：为直接辐射得热，W/m²；为散射辐射得热，W/m²；为天窗平面法向太阳直接辐射值，W/m²；为遮阳系统太阳直接辐射透射系数函数；为遮阳系统天空散射辐射透射系数；为遮阳系统地面反射辐射透射系数；为太阳辐射入射角，(°)；为太阳直接辐射剖面角，(°)；为天窗所在平面与水平面夹角，(°)。其中，和均随着遮阳反射系数增大而减小，因此提高遮阳反射系数能有效减少进入室内的太阳辐射透射得热量。

在某一时刻，建筑照明能耗主要随着工作面上定义的参考点照度值来变化，其计算式为：

           (4)

  (5)

式中：L_i为室内某一点照度，lux；L_w为某一窗户的发光亮度，cd/m²；为该点和窗户的空间角，球面度； 为参考点与窗户连线与工作面法向的夹角，(°)；为天空或地面反射发光亮度函数，cd/m²；为天窗遮阳系统透射系数函数；为天空或地面元素的方位角，(°)；为天空或地面元素的高度角，(°)；为光线入射角，(°)。其中随着遮阳反射系数增大而减小，从而减少入射的光通量，增大照明能耗。

从上述理论分析可以看出：冷屋顶对建筑物的影响是多因素共同作用的结果，是一个复杂的过程，因此，本研究选择计算机仿真模拟作为全面的分析这一过程的主要手段。

2  计算模型的建立与验证

研究采用的是美国能源部和劳伦斯贝克力实验室在DOE-2和BLAST的基础上发展起来的新一代模拟软件EnergyPlus，该软件具有众多的优越性^[11]，其计算准确性已被众多学者应用验证^[12-14]。研究以长沙南站为基础建立仿真模型，并依据文献[15]设定模型初始条件参数，如表1所示。

为了验证该模型的有效性，研究者以2011-09-07—2011-09-11长沙当地实测气象数据为输入项进行模拟计算，并以同时间在长沙南站高架候车厅内进行实地测量所取得的8:00—19:00时，共计48组逐时室内空气干球温度和0.85 m工作面上照度对计算结果进行验证，其结果如图1所示。

表1  模型初始设置参数

Table 1  Initial parameters set in model

从图1可以看出：该模型计算结果和实测的数据符合较好。对于室内空气干球温度，所有数据点计算值与实测值绝对误差均小于2.2 ℃，相对误差均小于9.2%；而对于室内照度，虽然11，23，35，40和47号数据点计算值和实测值差距较大，但其余数据的绝对误差均小于260 lux，相对误差也均小于9.9%。因此，以该模型为基础研究冷屋顶技术对建筑性能的影响，其结果可信。

图1  实测数据与模拟结果的对比

Fig.1  Comparison between measured data and simulated result

3  冷屋顶模拟结果解析

为了全面分析冷屋顶技术对建筑物能耗和室内舒适性的影响，分别研究了围护结构平均传热系数为2.43，0.65和0.35，屋面反射系数和遮阳反射系数为0，0.3，0.6和0.9时的冷屋顶对铁路客运站空调机组装机容量、空调和照明能耗以及室内热舒适性的影响，并以我国建筑气候区划^[16]和太阳能资源区划^[17]为指导，选择以下6种典型的气候与太阳能资源组合模式作为计算时的自然气象参数，分析探讨冷屋顶应用于我国不同自然条件下的差异性。

3.1  冷屋顶对空调机组装机容量的影响

空调机组根据功能不同分为供冷机组和供热机组，图2所示的是铁路客运站供冷机组装机容量随冷屋顶反射系数变化结果。

由图2可知：首先，将供冷机组装机容量由大到小排序可知南方城市比北方城市的大，而围护结构和冷屋顶性能并不影响这一排序，这说明决定装机容量的主要因素是当地的自然气候条件；其次，遮阳反射型冷屋顶与中等绝热性能的围护结构搭配，屋面反射型冷屋顶与绝热性能较高的围护结构搭配时机组装机容量普遍较低；再次，随着遮阳反射系数增大，装机容量均呈现明显下降趋势，且该趋势不受围护结构热绝缘性影响；而屋面反射系数对装机容量的影响与围护结构热绝缘性有关，热绝缘性低时反射系数升高装机容量变化明显，热绝缘性较高时屋面反射系数对装机容量影响减弱，结果趋于一致。分析原因在于遮阳反射型冷屋顶得热方式为太阳辐射透射，围护结构热绝缘性并不影响辐射进入室内的过程，因此，遮阳型冷屋顶在不同热绝缘性情况下均能发挥有效的作用，而与中等热绝缘性能的围护结构搭配时效果最佳。而屋面反射型冷屋顶传热方式为导热，热绝缘性高，室外因素的影响被有效隔绝，冷屋顶的实际作用被削弱了，因此，实际上提高围护结构热绝缘性比进行屋面冷屋顶改造在减少制冷机组装机容量上效果更好。

表2  所研究自然气象参数的种类

Table 2  Kinds of natural meteorological data in research

图2  冷屋顶对供冷机组装机容量的影响

Fig.2  Required cooling capacities at various cool roofs

由于确定供热机组装机容量时不考虑太阳辐射的影响，因此改变冷屋顶反射系数不会对供热机组装机容量造成影响，主要影响因素是围护结构的热绝缘性，图3所示为围护结构平均传热系数为2.43，0.65和0.35时供热机组装机容量的变化趋势。

图3  围护结构热绝缘性对供热机组装机容量的影响

Fig.3  Required heating capacity at various thermal insulation performance

分析图3可知：供热机组装机容量由大到小排序依次是F，B，D，A，E和C，北方城市其值大于南方城市，而围护结构的性能并不影响这一排序。这说明决定供热机组装机容量大小的首要因素是当地的自然气候条件。其次，随着围护结构热绝缘性能的增强，供热机组装机容量明显下降，且北方地区下降幅度大于南方。这说明提高围护结构热绝缘性能有效减少供热负荷，且负荷需求越大的地区，效果越明显。

3.2  冷屋顶对铁路客运站能耗的影响

3.2.1  冷屋顶对空调能耗的影响

为了详细解释所得结果，现提出建筑热容量的概念。建筑热容量是指建筑物在一定强度的外界热扰动作用下依然能保持其原有热环境状态不变的能力，主要由当地气象环境、围护结构热绝缘性能和空调负荷需求量决定。一般来说，室内外温差大，室外环境能迅速中和建筑物热扰动的作用；围护结构平均传热系数高，室内的热量可以迅速传递到室外；空调负荷需求量大，热扰动造成的影响相对较小，这3种情况下热扰动对最终空调负荷的影响都较小，从而认为建筑物的热容量越高，热稳定性好。

本研究发现遮阳反射系数对空调冬夏能耗值的影响呈现出4种类型，分别以A组、B组、D组和E组的结果为代表，如图4所示。

图4  遮阳反射系数对空调冬夏能耗的影响

Fig.4  Annual energy consumption of air conditioning at various shade reflectivities

由图4可知：影响空调供热能耗的因素主要是气候条件和围护结构热绝缘性能，而因为天窗遮阳设施在冬季白天保持关闭状态，并不影响太阳辐射入射，所以，遮阳反射系数变化对空调供热能耗影响不大。

而供冷能耗变化规律则呈现出4种类型：(1) 以A组和C组为代表，遮阳反射系数为0~0.6时供冷能耗略有减少，0.6~0.9时绝热性能较好的2组客运站供冷能耗大幅下降；(2) 以B组和F组为代表，遮阳反射系数为0~0.6时供冷能耗均有所减少，0.6~0.9时绝热性能最好的客运站供冷能耗大幅下降；(3) 以D组为代表，随着遮阳反射系数增大，供冷能耗均迅速减小，围护结构热绝缘性对其影响较小；(4) 以E组为代表，遮阳反射系数为0~0.6时供冷能耗均有所减少，0.6~0.9时客运站供冷能耗均大幅下降。分析原因在于围护结构热绝缘性越低，客运站热容量越高，遮阳反射系数变化造成的热扰动迅速平衡扩散至室外，对供冷负荷的影响较小，如图3中遮阳反射系数为0~0.6时，大多数地区客运站供冷能耗没有明显变化，而当该遮阳反射系数为0.6~0.9时供冷能耗才会迅速下降。而在夏季，室内外温差大有助于提高建筑热容量，所以，即使此时围护结构热绝缘性较高也依然能保证建筑物的热稳定，如A，B和E 3组结果所示。对于D组代表地区，夏季供冷需求非常小，太阳入射辐射的变化对供冷负荷的影响很大，因此随着遮阳反射系数的增大，供冷能耗呈现出近似线性的变化。由上述结果可知：对于天窗结构，较高的遮阳反射系数和围护结构热绝缘性能够有效减少客运站空调夏季能耗。

而屋顶非透明结构传热过程比天窗透射得热过程复杂，屋面反射系数对客运站空调冬夏能耗的影响也各有不同，其结果如图5所示。

图5  屋面反射系数对空调冬夏能耗的影响

Fig.5  Annual energy consumption of air conditioning at various roof reflectivities

分析图5可知：随着屋面反射系数增加，各城市客运站供热能耗逐步增加，且绝热性能较差的客运站供热能耗增幅越大。但供冷能耗的变化却因为各地气候条件不同而呈现出多样的变化结果。这说明屋面反射系数增加，虽然在夏季能减少屋面向室内的传热量，但由于受到当地气候条件、围护结构热绝缘性等因素的影响，同时屋面传热是一个双向过程，因此，结果呈现出多种情况。

3.2.2  冷屋顶对照明能耗的影响

如前所述，提高天窗遮阳反射系数会减少进入室内的自然光光通量，从而增大照明需求和能耗。图6所示为3种围护结构类型的天窗玻璃与遮阳反射系数对照明能耗影响的结果。

分析图6可知：影响客运站照明能耗的因素是全年日照时间、天窗玻璃的光透射率和遮阳反射系数。首先，按照全年日照时间排序依次是D(3 973 h)，B(3 747 h)，F(3 574 h)，A(3 392 h)，E(3 383 h)，C(3 192 h)。但由于北方城市纬度高，阳光入射角偏小，进入室内的光通量实际较小，因此，B组和F组的全年照明能耗反而比A组和E组的高。其次，天窗玻璃透射系数较高，使得进入室内的光通量增大，因此，照明能耗较小。最后，提高遮阳反射系数减少了进入室内的光通量，使得各城市客运站的照明能耗均有所升高，而各城市照明能耗变化趋势与天窗玻璃透射系数无关，这说明遮阳设施和天窗玻璃是2个相对独立的构件，它们之间的内反射现象对照明能耗的影响很小，在工程应用中可以忽略不计。

3.2.3  冷屋顶对建筑总能耗的影响

在铁路客运站全年能耗中，空调能耗占40%~ 60%，照明能耗约占10%，根据上述研究，冷屋顶对铁路客运站空调和照明能耗之和的影响如图7所示。

分析图7可知：随着遮阳反射系数的增加，尽管围护结构热绝缘性能有所不同，大多数城市客运站总能耗呈现下降趋势，尤其是遮阳反射系数越高，热绝缘性能越好，供冷能耗越大的客运站，降幅最为明显。这说明提高遮阳反射系数减少的供冷能耗远大于增加的供热能耗和照明能耗，且与热绝缘性较好的围护结构搭配时具有巨大的节能潜力。而热绝缘性较差时，供冷能耗有时不会减少，或者只有遮阳反射系数较高时，供冷能耗才会减少，这意味着热容量大的客运站，遮阳型冷屋顶的作用非常有限。而随着屋面反射系数增加，客运站总能耗大多呈现上升的趋势，供热能耗越大的客运站增幅较大，但随着围护结构热绝缘性能的提高增幅逐渐下降。这说明提高屋面反射系数大多数情况下会增加建筑物总能耗，在应用该技术时需要结合实际情况进行合理设计。

3.3  冷屋顶对室内舒适性的影响

屋顶反射系数增加使得建筑物得热量减少，减少屋顶内壁面向室内的红外辐射，在夏季有利于使室内人员感到凉爽舒适，冬季则会让人感觉寒冷。研究采用Fanger的 PMV-PPD指标^[18]作为评价室内舒适性的参数，我国学者认为在我国可接受的舒适热环境的PMV区间为：-1＜PMV＜1，相应的PPD为：PPD＜26%^[19]，以此为基准定义室内偏冷不舒适环境为PMV＜-1和-1≤PMV＜0，PPD≥26%这2种情况，相应的室内偏热不舒适环境为PMV＞1和0＜PMV≤1，PPD≥26%。通过模拟计算，全年6:00~24:00内室内环境不舒适时间得到4种类型的结果(如图8所示)：(1) A组；(2) B和E组；(3) C组；(4) D和F组。

由图8可以看出：对于B组这样冬季供热需求较大的地区，围护结构热绝缘性较好的客运站冬季偏冷的时间较低，而像C组这样供冷需求很大的地区，热绝缘性较小的围护结构有助于充分利用室外较温暖的气候条件，较高的热绝缘性则能很好地抑制室内热量向外散失，都有利于减少室内偏冷不舒适的时间。另外，随着遮阳反射系数的增大，偏冷时间会略有增加，这表明虽然遮阳设施在日间处于关闭状态，却还是阻止了部分太阳辐射进入室内，但这部分辐射所占比例不大，影响并不明显。

图6  冷屋顶对全年照明能耗的影响

Fig.6  Annual energy consumption of lighting at various shade reflectivities

图7  冷屋顶对全年总能耗的影响

Fig.7  Total annual energy consumption at various cool roofs

图8  遮阳反射系数对不舒适时间的影响

Fig.8  Uncomfortable time at various shade reflectivities

而偏热时间则随着遮阳反射系数的上升而下降，但由于天窗所占面积有限，造成的热扰动较小，其值变化在100 h以内。针对类型(1)和(2)，围护结构热绝缘性越好，偏热时间越大，而B组地区夏季室外温度比A组低，建筑物热稳定性好，因此，为0.65和0.35时结果差距不大，而A组的结果则在较高的热绝缘性差异性较小。对于C组这样夏季负荷偏大的地区，围护结构热绝缘性低，夜间室内热量能迅速向外散发，围护结构热绝缘性高，日间能隔绝室外高温环境向内传热，因此，平均传热系数居中时C组客运站的夏季舒适性降低。F组则正相反，围护结构热绝缘性高，不利于利用较低的室外环境温度降温，围护结构热绝缘性低；当室外温度上升或是有太阳直射建筑时，无法抑制由外向内的传热，因此，居中时F组客运站的夏季舒适性最好。

如图9所示：屋面反射系数对室内不舒适时间的影响与遮阳反射系数作用的结果类似，不同之处表现在：首先，变化的幅度增大，变化幅度大多在300 h以上，且供热或供冷需求越大的地区变化幅度越大，如D组客运站为2.43时偏冷时间增大了769 h，C组客运站为2.43时偏热时间减少了430 h。其次，不舒适时间在不同热绝缘性的客运站上随屋面反射系数变化的曲线有所改变，如C组为0.65时偏冷时间和为0.35时偏热时间的变化曲线，这可能是由于屋面昼夜传热方向改变的关系。

从全年角度考虑，随着遮阳反射系数和屋面反射系数的上升，不舒适时间大多呈现出上升的趋势，但是，增幅受到所处城市气象环境、围护结构热绝缘性能和客运站供热、供冷能耗的影响。对于遮阳反射型冷屋顶，当所处城市太阳能资源较为丰富和供热、供冷能耗较大时变化幅度大，当围护结构热绝缘性能居中时变化幅度较小。

图9  屋面反射系数对不舒适时间的影响

Fig.9  Uncomfortable time at various roof reflectivities

4  结论

(1) 对于透明的天窗屋顶，提高其遮阳反射系数不仅能有效减少客运站供冷机组装机容量、空调供冷能耗，改善夏季室内舒适性，且不会增加供热机组装机容量，并保持空调供热能耗、室内照明能耗和冬季室内偏冷的时间增幅有限，因而，在保障旅客舒适性的同时使得客运站能耗得到了大幅削减。

(2) 对于非透明的冷屋顶，提高其屋面反射系数虽然减少了客运站供冷机组装机容量和改善了夏季室内舒适性，但供热机组装机容量、空调供热能耗增加，冬季室内舒适性变差，且由于受到屋顶热绝缘性能和双向传热这一特性的影响，空调供冷能耗并不一定减少，因此客运站总能耗大多有所增加。

(3) 冷屋顶技术在实际应用时应充分考虑当地的自然气候条件和固有的屋顶结构特性进行有针对性的设计才能发挥较好的效果。

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(编辑  何运斌)

收稿日期：2012-06-25；修回日期：2012-10-01

基金项目：铁道部科技研究开发重点项目(2010Z001-B)；中南大学博士后基金资助项目(2010年)

通信作者：马卫武(1974-)，男，湖南隆回人，博士后，副教授，从事建筑节能研究；电话：13974871366；E-mail: maweiwu@yahoo.com.cn