Роль светоотражающей кровли на нижнем уровне городских тепловых островов и затраты на охлаждение зданий

Понимание эффекта острова тепла в городе

Городские районы регулярно фиксируют более высокие температуры, чем их сельское окружение, явление, известное как эффект городского теплового острова (UHI). Это неравенство температур возникает, потому что города построены с такими материалами, как асфальт, бетон и темная кровля, которые поглощают и сохраняют значительное количество солнечного излучения. Днем эти поверхности нагреваются, а ночью они медленно выделяют накопленное тепло, предотвращая охлаждение городской среды. Результатом является измеримая разница температур, которая может достигать 5-9 ° F (3-5 ° C) или более, особенно в вечерние часы.

Последствия УВИ далеко идущие. Повышенные температуры повышают пиковую потребность в энергии для кондиционирования воздуха, напрягают электрическую сеть, повышают выбросы парниковых газов и ухудшают образование озона на уровне земли, что усугубляет респираторные заболевания. Тепловой стресс также становится проблемой общественного здравоохранения для уязвимых групп населения, включая пожилых людей и тех, кто не имеет доступа к охлаждению. УВИ усугубляет последствия тепловых волн, делая города непропорционально жарче во время экстремальных климатических явлений.

Отражающая кровля, которую часто называют прохладной кровлей, является одной из наиболее экономически эффективных и непосредственно эффективных стратегий снижения температуры UHI и снижения охлаждающей нагрузки на здания.Изменяя оптические и тепловые свойства самой большой площади поверхности, подверженной воздействию солнца (крыша), владельцы зданий и градостроители могут напрямую устранить первопричину поглощения тепла.

Что такое отражающая крыша?

Отражающая кровля относится к системе крыши, предназначенной для отражения высокой доли солнечного света и эффективного выделения поглощенного тепла. Производительность прохладной крыши измеряется двумя ключевыми показателями: солнечное отражение (SR) и тепловое излучение (TE). Солнечное отражение указывает на долю общей солнечной энергии, отраженной от поверхности крыши, в то время как тепловое излучение измеряет способность крыши излучать любое поглощенное тепло обратно в атмосферу. Вместе эти свойства поддерживают поверхность крыши значительно холоднее, чем обычные темные крыши под тем же солнечным воздействием.

Многие современные прохладные кровельные изделия оцениваются Советом по оценке прохладной крыши (CRRC), который присваивает индекс солнечного отражения (SRI), который объединяет как SR, так и TE в одно число от 0 до 100. SRI 100 представляет собой высоко отражающую, высокоэмиссивную поверхность. Общие варианты прохладной кровли включают белые однослойные мембраны (TPO, PVC), металлические панели с заводским покрытием, холодные покрытия крыши, нанесенные на существующую асфальтовую черепицу или навесные крыши, глиняную плитку с отражающими глазурями и специально разработанную асфальтовую черепицу со светлыми гранулами.

Типы отражающих кровельных материалов

Как рефлекторная кровля смягчает городские тепловые острова

Отражающие крыши непосредственно уменьшают количество солнечной энергии, поглощаемой городской поверхностью. Когда большая часть крыш города заменяется прохладными поверхностями, общее альбедо (т.е. отражательная способность) городского ландшафта увеличивается. Это уменьшает чувствительный тепловой поток - тепло, которое нагревает окружающий воздух - что приводит к снижению температуры окружающей среды на уровне улицы.

Исследования, проведенные Национальной лабораторией Лоуренса Беркли и Агентством по охране окружающей среды США, показали, что широкое внедрение прохладной кровли может снизить пиковые летние температуры в городах на 1-2°F во всем мире, с еще большим локализованным снижением в плотных районах центра города. В Лос-Анджелесе смоделированный сценарий повышения альбедо крыши в масштабах города предсказал среднее охлаждение на 1,4°F, что приводит к экономии энергии на миллионы долларов и позволяет избежать расходов на здравоохранение.

Более низкие температуры в городах также замедляют фотохимические реакции, которые образуют озон на уровне земли (смог). Образование озона ускоряется выше 90 ° F (32 ° C), поэтому даже скромное снижение пиковой температуры может снизить концентрацию озона, улучшить качество воздуха и уменьшить приступы астмы и другие респираторные госпитализации. Кроме того, более холодные крыши снижают спрос на кондиционирование воздуха, что, в свою очередь, снижает выбросы загрязняющих веществ от электростанций — петля обратной связи, которая еще больше приносит пользу городскому воздуху.

Общинные выгоды

Экономические выгоды для владельцев зданий

Наиболее непосредственным экономическим преимуществом отражающей крыши является снижение затрат на охлаждение. Поскольку поверхность крыши остается более прохладной - обычно на 50-60 ° F холоднее, чем черная крыша - меньше тепла мигрирует в интерьер здания. Это снижает нагрузку на системы HVAC, что приводит к прямой экономии электроэнергии и природного газа. По оценкам Министерства энергетики США, правильно подобранные холодные крыши могут сократить ежегодное использование энергии кондиционирования воздуха на 10-15% в теплом климате. Для коммерческого здания площадью 10 000 квадратных футов в Фениксе это может означать экономию в 2000-3000 долларов в год.

Помимо снижения затрат на энергию, светоотражающая кровля продлевает срок службы самой мембраны крыши. Высокие температуры поверхности ускоряют химическую деградацию традиционных кровельных материалов, особенно продуктов на основе асфальта. Сохраняя крышу более прохладной, прохладные крыши могут прослужить на 5-10 лет дольше, чем темные эквиваленты, откладывая существенную стоимость замены крыши. Многие светоотражающие кровельные продукты также поставляются с расширенными гарантиями, которые вознаграждают более низкий тепловой стресс.

В новых конструкциях оборудование для ОВК может также быть уменьшено при задании прохладной крыши. Поскольку охлаждающая нагрузка меньше, требуемая мощность кондиционеров ниже, что снижает первоначальные капитальные затраты. Для существующих зданий модернизация с помощью холодного покрытия крыши может фактически улучшить производительность систем охлаждения с малым размером или старением за счет снижения их рабочей нагрузки.

Анализ затрат и период окупаемости

Повышенная стоимость отражающей крыши по сравнению с обычной варьируется в зависимости от продукта. Для новой малой коммерческой крыши, модернизация от темной мембраны до белого TPO обычно добавляет $0,10-$0,25 за квадратный фут. Для модернизированных покрытий стоимость составляет $1,00-2,00 за квадратный фут в зависимости от состояния существующей крыши и от того, требует ли она очистки или незначительного ремонта. Периоды окупаемости варьируются от 2 до 7 лет в теплом климате, что обусловлено экономией энергии и потенциальным долголетием крыши. Когда доступны коммунальные скидки на прохладные крыши - многие муниципалитеты и энергетические компании предлагают стимулы - окупаемость может сократиться до 1-3 лет.

Анализ стоимости жизненного цикла последовательно показывает положительную чистую приведенную стоимость прохладных крыш в регионах с высоким спросом на охлаждение.[1] Национальная лаборатория Ок-Ридж и Совет по оценке прохладной крыши предоставляют интерактивные калькуляторы, которые позволяют владельцам зданий оценивать свою конкретную экономию на основе местоположения, типа крыши и коммунальных ставок.

Экологические преимущества и углеродный след

Отражающие крыши напрямую способствуют смягчению последствий изменения климата за счет сокращения потребления энергии. Каждый киловатт-час сэкономленной электроэнергии позволяет избежать выбросов примерно 0,9-1,2 фунта CO2 (в зависимости от местной сети). Для среднего коммерческого здания ежегодное сокращение выбросов углерода может составлять 10-20 метрических тонн. При масштабировании по городу или региону совокупный эффект является существенным.

Кроме того, холодные крыши предлагают вариант модернизации с «отрицательным углеродом» - они недороги в установке, не требуют топлива или электричества для работы и имеют очень низкий углеродный след по сравнению с добавлением изоляции или заменой окон. Многие отражающие покрытия могут применяться без удаления существующей крыши, избегая выбросов отходов и транспортных выбросов, связанных с срывом и захоронением отходов.

Помимо сокращения выбросов парниковых газов, отражающие крыши помогают городским экосистемам адаптироваться к потеплению климата. Понижая местные температуры, они снижают тепловую нагрузку на инфраструктуру (подземные пути, электрические трансформаторы, водопроводные трубы) и на городскую растительность, потенциально снижая спрос на воду для орошения. Прохладные крыши признаны Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) в качестве краткосрочной стратегии адаптации, поскольку они могут быть быстро реализованы при низких затратах.

Рассмотрение осуществления

Пригодность к климату — Прохладные крыши наиболее полезны в регионах с долгим жарким летом и высоким спросом на охлаждение. В климате с преобладанием тепла (например, в северной Канаде или Скандинавии), ежегодное сокращение энергии отопления из-за более низкого увеличения солнечного тепла зимой может частично компенсировать экономию на охлаждении. Однако, поскольку зимние дни короче, солнце ниже в небе, и снег может покрыть крышу, штраф часто невелик (< 5% от общей энергии отопления). Умеренный климат со значительной нагрузкой на охлаждение по-прежнему см. чистые положительные исследования производительности показывают, что прохладные крыши в Чикаго, Нью-Йорке и даже Торонто дают положительные результаты жизненного цикла.

Аттическая и кровеизоляция — Эффективность отражающей крыши несколько зависит от уровня изоляции здания. Для хорошо изолированных крыш прирост тепла от поглощения солнечной энергии в любом случае минимизирован, но прохладные крыши все еще уменьшают тепловой градиент по кровельной мембране, продлевая ее жизнь. Для плохо изолированных зданий холодные крыши обеспечивают более значительную экономию энергии, блокируя тепло в источнике.

Существующее состояние крыши — Перед нанесением холодного покрытия существующая крыша должна быть конструктивно прочной, чистой и должным образом подготовленной. Для сильно выдержанных крыш замена прохладной мембраной может быть более рентабельной, чем покрытие. Всегда консультируйтесь с профессиональным консультантом по крыше для оценки пригодности.

Зимний штраф за отопление — В холодном климате отражающая крыша может увеличить энергию отопления, потому что в здание поступает меньше свободного солнечного тепла. Этот эффект обычно невелик (увеличение годового нагрева на 0,5-1,5%), но его следует учитывать в полной круглогодичной энергетической модели. Аналитические инструменты, предоставляемые симуляцией EnergyPlus Министерства энергетики, могут точно оценить этот компромисс.

Строительные кодексы и стимулы

Несколько строительных норм теперь требуют или поощряют отражающую кровлю. В разделе 24 Калифорнии предусмотрены минимальные солнечные отражения и тепловые излучения как для низкосклонных, так и для крутых крыш в большинстве климатических зон. Стандарт ASHRAE 90.1 (энергетический код для коммерческих зданий) включает предписывающие требования для прохладных крыш в климатических зонах с высоким спросом на охлаждение. LEED v4.1 Присуждает до 2 баллов за сокращение теплового острова с использованием холодных крыш. Многие муниципалитеты также предлагают бонусы за плотность, ускоренные разрешения или налоговые льготы для проектов, которые включают отражающую кровлю.

Программа Energy Star Агентства по охране окружающей среды США предоставляет список квалифицированных продуктов с прохладной крышей, которые отвечают минимальным требованиям к отражению. Многие энергетические компании предлагают скидки на квадратный фут установленной прохладной крыши, что делает инвестиции еще более привлекательными. Владельцы зданий должны искать местные программы через Базу данных государственных стимулов для возобновляемых источников энергии и эффективности DSIRE.

Заключение

Отражающая кровля является проверенным, экономически эффективным и масштабируемым решением для борьбы с эффектом городского теплового острова при непосредственном снижении затрат на охлаждение для владельцев зданий. Выбирая материалы с высокой солнечной отражательной способностью и тепловым излучением, города могут снизить температуру окружающей среды, улучшить качество воздуха, снизить спрос на энергию и продлить срок службы кровельных активов. Технология является зрелой, широко доступной и поддерживается строительными нормами и финансовыми стимулами во многих регионах.

Для градостроителей, политиков и владельцев зданий приоритет прохладных крыш является одним из самых эффективных действий, которые они могут предпринять для создания более устойчивой, устойчивой и комфортной среды. Поскольку изменение климата приносит более частые и интенсивные тепловые явления, отражающая кровля обеспечивает немедленную, измеримую выгоду, которая окупается в течение нескольких лет.

Чтобы узнать больше о выборе и определении прохладных крыш, обратитесь к продуктам для крыш Energy Star Roof Products и EPA Heat Island Reduction Program. Для моделирования производительности используйте калькулятор прохладной крыши из Национальной лаборатории Ок-Риджа.