中国可持续能源项目 The China Sustainable Energy Program 能 源 基 金 会 The Energy Foundation 项目成果报告系列 Technical Report 中国冷屋面节能与碳减排效果研究 Research of Energy Efficiency and Carbon Emission Reduction of Cool Roof in China 广东省建筑科学研究院 2012 年 8 月 I 项目信息 项目资助号G-1108-14591 Grant NumberG-1108-14591 项目期8/1/2011 - 7/31/2012 Grant period8/1/2011 - 7/31/2012 所属领域建筑节能 Sectorenergy efficiency of building 项目概述项目旨在研究量化中国城市区域冷屋面节能和 CO 2 减排 的方法，对冷屋面在中国的推广应用提供理论和数据支持。 Project DiscriptionThe project aims at quantifying the of energy efficiency and CO 2emission reduction of cool roof in urban regional of China, and providing the theory and data support. 项目成员杨仕超，吴培浩，周荃，林长青，江飞飞，程瑞希，王 丽娟，张伟生，张庆波，刘轩，余凯伦 Project teamYang Shichao, Wu Peihao, Zhou Quan, Lin Changqing, Jiang Feifei, Cheng Ruixi, Wang Lijuan, Zhang Weisheng, Zhang Qingbo, Liu Xuan, Yu Kailun, 关键词冷屋面，节能，碳减排 Key Wordcool roof, energy efficiency, carbon emission reduction II 摘 要 本项目旨在研究量化中国城市区域冷屋面节能和 CO 2 减排的方 法，对冷屋面在中国的推广应用提供理论和数据支持。一是通过调 研分析获得国际广泛认可冷屋面节能和 CO 2 减排计算方法，糅合中 国的气候和环境等影响因素，探寻适合中国城市区域的计算方法。 二是计算典型城市的冷屋面节能和 CO 2 减排效果，与绿化屋面和太 阳能光伏屋顶对比，分析冷屋面在我国不同地区的推广价值。三是 编制我国主要城市冷屋面节能和 CO 2 减排效益计算软件，为推广冷 屋面提供计算工具。 （1）国外冷屋面 CO 2 减排计算原理和方法调研 国外冷屋面 CO 2 减排计算原理和方法调研方面，我们广泛搜集 整理了在正式学术刊物和学术会议上公开发表的相关论文和报告， 特别对美国劳伦斯国家实验室 Menon ，Akbari 等近年发表的相关论 文进行了全文翻译，对文中的引用的数据进行了认真考证，了解了 相关计算原理和方法。 冷屋面 CO 2 减排包括太阳反射比增强的等效 CO 2 减排和节能直 接 CO 2 减排两个方面。冷屋面的直接 CO 2 减排原理和方法比较简 单，是利用建筑能耗模拟手段，计算冷屋面降低的建筑能耗，根据 当地单位能源的 CO 2 排放水平换算减排的 CO 2 。 冷屋面等效 CO 2 减排的计算原理和方法则较为复杂，是基于人 类活动引起的地表太阳反射比降低和大气层温室气体浓度升高都使 地表辐射强迫升高，因此推论出增强地表太阳反射比引起的辐射强 迫降低就等效于抵消部分 CO 2 排放引起的辐射强度增加。基于相同 的辐射强迫变化，就可以建立地表太阳反射比增强与大气 CO 2 浓度 降低的等效关系，进而计算冷屋面的等效 CO 2 减排量。 （2）国内主要城市气候、能源构成、空气质量等基础数据调研 气候、能源构成、空气质量等数据是计算不同地区冷屋面 CO 2 减排能力的基础，为此我们向相关管理部门和科研单位咨询，现已 III 获取了我国主要城市，如北京市、上海市、重庆市、南京市、广州 市、沈阳市、福州市、武汉市、南宁市、昆明市、成都市、西安 市，拉萨、乌鲁木齐、海口市等 15 个城市典型年太阳辐射、温度、 降雨量、云量、能源生产、能源消费等统计数据。 （3）我国冷屋面综合 CO 2 减排计算方法 参照国外计算方法，我国冷屋面综合 CO 2 减排计算亦考虑等效 CO 2 减排和节能直接 CO 2 减排两个方面。冷屋面的直接 CO 2 减排利 用建筑能耗模拟手段，计算冷屋面降低的建筑能耗，根据当地单位 能源的 CO 2 排放水平换算减排的 CO 2 。 全国实现冷屋面的等效 CO 2 减排量根据国外大气环流模型模拟 确定地表太阳反射比与辐射强迫的变化关系进行计算。具体城市冷 屋面的等效 CO 2 减排量则根据 Akbari 等（2009）的经验公式确定 地表太阳反射比与辐射强迫的变化关系进行计算。 （4）我国城市建成区冷屋面等效 CO 2 减排潜力估算 根据2010 年中国统计年鉴城市建成区面积推算，目前我国 城市建成区建筑屋顶面积约为 810 9m 2 。我国城市区域屋顶的终饰 面多为深色，平均表面太阳反射比在 0.2 左右。通过在屋顶涂饰隔 热涂料进行屋顶改造，平均表面太阳反射比可以提高 0.6 左右。全 国城市建成区建筑屋面表面太阳反射比提高 0.6，等效于抵消大气层 中 8.8 亿 t 的 CO 2 ，相当于抵消排放 16 亿 t 的 CO 2 。按照欧盟现行 碳排放交易价格 16 欧元/t 计算，全国城市建成区建筑屋面表面太阳 反射比提高 0.6，等效碳减排环境效益为 256 亿欧元，折合人民币 2090 亿元。 （5）典型城市的冷屋面节能潜力模拟计算 选择北京、南京、广州三个典型城市，计算冷屋面（太阳辐射 吸收系数 0.2）与普通屋面（太阳辐射吸收系数 0.8）屋顶层的能耗 水平。结果表明在我国三个主要建筑气候区，对于建筑顶层，冷屋 面相比普通深色屋面能显著的降低制冷能耗（尽管冷屋面会使顶层 采暖能耗略有升高），从而使全年能耗显著下降，具有良好的节能 效果。北京、南京、上海冷屋面屋顶层全年单位面积能耗比普通屋 IV 面分别降低 7.5 KWh/㎡、6.7 KWh/㎡和 14.1 KWh/㎡。 （6）典型城市的 CO 2 减排潜力估算 仍然选择北京、南京、广州三个典型城市为例，根据能耗模拟 的结果计算三地每 1000 ㎡冷屋面直接 CO 2 减排量分别为 5.8 t/a、 5.2 t/a 和 11.0 t/a。根据 Akbari 等（2009）的经验公式分别确定三 个城市地表太阳反射比与辐射强迫的变化关系，然后计算得到三地 每 1000 ㎡冷屋面的等效 CO 2 减排量分别为 28 t、56 t 和 131 t。在冷 屋面的生命周期（暂估 10 年）里，北京、南京、广州每 1000 ㎡冷 屋面综合 CO 2 减排潜力分别为 86 t、108 t 和 241 t。 （7）冷屋面的推广价值分析 以北京、南京、广州三个典型城市为例，对比冷屋面与绿化屋 面和太阳能光伏屋顶的建造成本和节能减排效益，分析冷屋面在我 国不同地区的推广价值。结果表明相比光伏屋顶，冷屋面造价约为 光伏屋顶的 2，节能效益和碳减排效益则分别为光伏屋顶的 10 和 18；而相比种植屋顶，冷屋面造价为种植屋顶 2550，节能 效益和碳减排效益高于种植屋面，且施工和维护较为容易，因此冷 屋面在我国夏热冬暖、夏热冬冷和寒冷地区都具备极大的推广价 值。 （8）中国主要城市冷屋面节能和 CO 2 减排效益计算软件编制 中国地域广阔，气候复杂，不同地区冷屋面的节能减排效益各 异。为此项目编制了“中国主要城市冷屋面节能和 CO 2 减排效益计 算软件”，为促进各地区有效推广冷屋面提供了计算工具。 V Summary The project, Research of Energy Efficiency and Carbon Emission Reduction of Cool Roof in China, aims at quantifying the of calculating energy efficiency and CO 2emission reduction of cool roof in urban regional of China, and providing the theory and data support. Firstly, we plan to search for a which has been widely accepted through investigating and analyzing the existing calculation s of cool roof energy efficiency and CO 2 emission reduction in the world, and get one that is suitable for the urban regional conditions in China, considering the comprehensive effect of climatic and environmental factors in China. Secondly, we will uate the effect of energy efficiency and CO 2 emission reduction of existing practice in typical cities of China, and compare it with the green roof and solar photovoltaic roof, and also analyze the value of its popularization and application in various cities in China. Thirdly, we also want to draw up a calculation software of energy efficiency and carbon emission reduction, which can be applied for main cities in China and used as a calculation tool for popularizing the cool roof. （1） Investigation of calculation principle and of cool roof CO 2 emission reduction which used in foreign countries In the aspect of investigation of foreign calculation principle and , we widely collected data and gathered materials from papers and reports published in the academic journals and conferences. Especially, we carried out a full translation of papers which have been recently published by Menon and Akbari etc from Lawrence Berkeley National Laboratory, and a textual research into the data cited in these papers, and also we understood the related calculation principle and which has been used in these papers. VI Cool roof CO 2 emission reductions includes equivalent CO 2emission reductions that comes from enhanced solar reflectance and direct CO 2emission reduction that comes from energy savings. The principle and of direct CO 2emission reduction, that is computing the reduced building energy consumption through building energy consumption simulation according to the local CO 2emission level per unit energy consumption, are simple, while the principle and of cool roof equivalent CO 2emission reduction are relatively complex. This is based on the principle that both of decreasing of surface solar reflectance induced by human activities and the increasing of atmospheric greenhouse gas concentration can result in the increasing of surface. Consequently, we can deduce that increasing the surface solar reflectance will induce the decreasing of radiative forcing, and thus offset some increasing of radiation intensity resulted from CO 2emission. The relationship of surface solar reflectance and radiative forcing can be discovered by general circulation modelGCM simulation or empirical ula calculation. Study on the relationship of atmospheric CO 2concentration and radiative forcing has been mature, and there are accurate related data. So, in order to calculate the equivalent emission reduction of cool roof, we can establish the equivalent relationship of surface solar reflectance increase and atmospheric CO 2concentration decrease based on the same variation of radiative forcing. （2） Investigation of basic data of main cities in China, including climate, energy source composition and air quality etc. These data refers to climate, energy source composition and air quality etc, that are the base of computing CO 2emission reductions as a result of using cool roof. For this reason, we consulted the relative administrative departments and scientific research institutions, and got the statistical data of solar radiation, temperature, rainfall, cloudiness, energy production, energy consumption etc of 15 typical main cities in VII China, such as Beijing, Shanghai, Chongqing, Nanjing, Guangzhou, Shenyang, Fuzhou, Wuhan, Nanning, Kunming, Chengdu, Xian, Lhasa, Urumqi, Haikou etc. （3） The comprehensive calculation of CO 2emission reductions of cool roof Following the example of foreign countries, both of equivalent CO 2emission and direct CO 2emission are considered in China when computing the CO 2emission reductions of cool roof. And the building energy consumption simulation technology can be used to compute the reduced energy consumption of cool roof, thus the converted CO 2emission reduction can be got by reference to the local CO 2emission level per unit energy consumption. The equivalent CO 2emission reductions of regions where the cool roof has been realized in an all-round way can been computed by reference to the relationship of surface solar reflectance and radiative forcing that comes from the simulation of foreign general circulation modelGCM. The equivalent CO2 emission reductions of a specific city can be computed by reference to the relationship of surface solar reflectance and radiative forcing, that is a empirical ula proposed by Akbari etc. （4） The uation of equivalent CO 2emission reduction potential of cool roof in Urban Built-up Area of cities in China According to the Urban Built-up Area provided by China Statistical Yearbook 2010, we can estimate that the area of roof in Urban Built-up Area is about 810 9m 2 . The appearance color of roof in Urban Built-up Area of our country is mostly dark. The average surface solar reflectance is about 0.2. And the average surface solar reflectance can increase 0.6 by painting heat insulation coating on the roof. The surface solar reflectance increase 0.003, then the surface average radiation forcing will decrease 0.5 W/m 2 , and the equivalent relationship VIII of CO 2increasing in gas and surface radiation increasing will be 0.91 kW/ t CO 2 . Based on the data above, we can get a fact that the surface radiation will decrease 100 kW which offset 110 t CO 2in gas, as long as the surface solar reflectance of 1000 m 2cool roof increase 0.6. Because 55 of CO 2emission will remain in the gas, this equals to offset 200t CO 2emission. The increasing of surface solar reflectance of roof in Urban Built-up Area by 0.6 equals to offset 8.8 10 8 t CO 2 that remains in the gas and 1610 8 t CO 2emission. According to the existing EU CO 2emission trading price16￡/t, if the surface solar reflectance of all roof in Urban Built-up Area increase 0.6, we will get ￡256 or 2090 Yuan RMB environmental benefit of CO 2 emission reductions. （5） Energy-saving potential simulation of cool roof in typical cities We computed the energy consumption level of cool roof absorption coefficients of solar radiation is 0.2 and ordinary roof absorption coefficients of solar radiation is 0.8 in Beijing, Nanjing, Guangzhou, and the results show that compared the ordinary roof whose color is dark, the cool roof can reduce the energy consumption dramatically, although the heating energy consumption of roof increases slightly. Consequently, the energy-saving effect is good that the annual energy consumption will decrease dramatically. The decrement of annual energy consumption per unit area in Beijing, Nanjing, Shanghai are 7.5 KWh/m 2 , 6.7 KWh/m 2 , 14.1 KWh/m 2respectively, which resulted from the using of cool roof. （6） The uation of CO 2emission reduction potential in typical cities We still choose Beijing, Nanjing, and Guangzhou as the typical cities as typical examples. The direct CO 2emission reductions per 1000 m 2cool roof in three cities are 5.8 t/a, 5.2 t/a, 11.0 t/a, according to the simulation results of energy consumption. The relationship of surface solar reflectance and radiative forcing in three different cities can be determined by empirical ula which is proposed by Akbari etc in 2009. And the equivalent CO 2emission reductions per 1000 m 2cool roof IX in these three cities are 28t, 56t, 131t respectively. The comprehensive CO 2emission reduction potential per 1000m 2 cool roof in these there cities are 86t, 108 t, 241t during the entire life cycletentative estimation is 10 years of cool roof. （7） Analysis of promotion potential of cool roof in typical cities uate the environmental benefits of cool roof in the typical cities and compare the environmental benefits and costs of PV-roof, green roof and cool roof in the typical cities of different weather zone. Among the three kinds of roof, the cost of cool roof is lowest, about 2 of PV-roof and 2550 of green roof, but its environmental benefits is higher than green roof and about 1018 of PV-roof. So the cool roof has great promotion potential in main weather zone in China. （8） Development of environmental benefits calculation software of cool roof in China For the environmental benefits of cool roof in different weather zone in China, we have developed a software to calculate the environmental benefits of cool roof in China, providing a calculation tool for different cities to promote cool roof. 目 录 项目信息“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 摘 要“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ SUMMARY““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1 概述“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1.1冷屋面技术定义““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1.2 冷屋面技术研究历程“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 1.3 冷屋面节能减排的作用机理““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 2 国外冷屋面节能减排效益计算方法研究““““““““““““““““““““““““““““““ 2.1 增强地表反射率与辐射强迫变化的关系““““““““““““““““““““““““““““ 2.2 CO2浓度与辐射强迫变化的关系““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 2.3 增强地表反射率的等效 CO2减排量“““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3 中国冷屋面的节能潜力分析“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 3.1 模型基本情况“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 3.2 计算温度“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.3 围护结构热工参数“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.4 计算结果“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 3.5 结果分析“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““* 4 中国冷屋面的碳减排潜力分析“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 4.1 冷屋面等效 CO2减排潜力分析“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 4.2 冷屋面的直接 CO2减排潜力分析“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 4.3 冷屋面的综合 CO2减排潜力“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 4.4 全国城市建成区冷屋面的等效 CO2减排分析“““““““““““““““““““ 5 冷屋面推广价值分析“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 5.1 冷屋面产品“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 5.2 其他节能型屋面“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 5.3 冷屋面的推广价值分析“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 6 中国主要城市冷屋面节能和CO2减排效益计算软件“““““““““ 7、结束语“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 1 1 概述 1.1冷屋面技术定义 冷屋面（Cool Roof）技术最早由美国劳伦斯伯克利国家实验室 LBNL的能源和环境部提出，实质是使用具有较高太阳能反射率和 表面辐射率的材料（白色浅色涂料和面砖、热反射隔热涂料等）， 提高屋顶室外表面的太阳能反射率和表面辐射率，将太阳能反射回 天空，从而能够在降低屋顶温度和建筑顶层能耗的同时，减轻城市 热岛效应，缓解地球变暖的趋势。“冷屋面”中对于“冷“的定义， 至今尚没有明确的定义，在美国一般将“冷屋面”定义为太阳反射 率大于 0.65和表面辐射率大于 0.75的屋面。 1.2 冷屋面技术研究历程 20世纪 80、90 年代，劳伦斯伯克利国家实验室研究人员发现 城区要比周围乡村地区的温度高约 1.7～2.5 ℃。其主要原因一是 城区比周围乡村地区植被少，这一点对城区温度升高的贡献占 56％；二是城区黑色屋面的热辐射作用，其对温升的贡献占 38％， 其余为路面等占 6％。可见屋面是造成城市热岛效应的主要原因之 一。为此，城市热岛效应使美国一年多支出超过 20亿美元，相当于 整个美国峰电需要的 5％～10％。热岛效应可以使居民感到很不舒 服，增加了能源的费用，而且较高的温度会