對“白屋頂計劃”節(jié)能減排效果的評估及推廣

羅 成

（山東大學(xué)（威海），山東 威海 264200）

一、問題的分析

節(jié)能減排 （energy conservation and emission reduction），就是節(jié)約能源、降低能源消耗、減少污染物排放。節(jié)能減排包括節(jié)能和減排兩大技術(shù)領(lǐng)域，二者有聯(lián)系，又有區(qū)別。

然而減排卻未必節(jié)能，所以減排項目必須加強節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，以避免因片面追求減排結(jié)果而造成的能耗激增，注重社會效益和環(huán)境效益均衡。白屋頂計劃并不是適于所有國家和地區(qū)所以，實施白屋頂計劃在不同地區(qū)應(yīng)區(qū)別對待。

所以本文建立相關(guān)模型定性地衡量白屋頂與節(jié)能減排和抑制溫室效應(yīng)之間的關(guān)系，從節(jié)約能量、減少廢物排放量、節(jié)約資金三個方面評估“白屋頂計劃”。然后再以中國南北方為代表進行對比分析，并初步確立影響“白屋頂計劃”效果的顯著性因素。同時需確定合理的影響因素，進而將全球的城市分類。然后選擇具體代表城市說明不同因素是如何作用于該計劃的，并以此制定出“白屋頂計劃”是否施行的判斷準(zhǔn)則，進而通過合理的運算結(jié)果得到合適的評價機制，來確定一個城市實行白屋頂計劃的使用價值。

對于以上問題，我們進行以下假設(shè)：

1、屋頂反射率是在理想情況下進行設(shè)定的，即忽略了老化、障礙物和屋頂上的表面開口（如加熱和冷卻通風(fēng)口）等各種因素的影響。

2、假設(shè)居民其他生活基本不變，制冷度日數(shù)的用電差值就大致為空調(diào)的用電量。

3、將屋頂面積約等于建筑面積。

4、忽略光污染、鳥群飛行等方面的負(fù)面指標(biāo)。

二、符號說明

基于對“白屋頂計劃”在物理原理等方面的了解以及對節(jié)能減排的影響因素等知識的解和認(rèn)知，我們對以下問題作出討論：

2.1 我們通過查找資料所得到的官方資料對于白屋頂?shù)臏p排效果進行定性、定量分析；白屋頂多反射的太陽能會由于建筑材料或結(jié)構(gòu)的不同而產(chǎn)生不同的溫度差，這些溫差可在夏天減少相應(yīng)的供電量，而在冬天增加相應(yīng)的供熱量。而在這些能源提供的過程中，能源燃燒過程中向大氣中排放大量的會對大氣產(chǎn)生影響的氣體，如二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等的質(zhì)量自然也會發(fā)生變化。而考慮省下的能源錢和需開銷的粉刷錢，則可從經(jīng)濟角度決定該計劃的可行性。同時進行舉例，反應(yīng)不同地區(qū)“白屋頂計劃”的不同效果。從而得出該計劃的推廣評判準(zhǔn)則。適合白屋頂并可以得到最大節(jié)能減排效益的地區(qū)及其特征。

三、模型的建立與求解

3.1

在這項研究中，一個有涼爽功效的白屋頂 (下稱白屋頂)，在比較了普通屋頂與此種特殊屋頂之后，他的節(jié)能效果被量化?，F(xiàn)在，我們在把一個普通屋頂用一個具有陽光反射的涼爽白屋頂替換之后，有如下變化：

（1）減少屋頂對太陽能的吸收量：

（2）同時，每年當(dāng)?shù)乩湄?fù)荷的減少值為：

（3）那么，每年當(dāng)?shù)責(zé)嶝?fù)荷的增加值為：

現(xiàn)在，構(gòu)造比率來衡量冷、熱負(fù)荷的效果，即負(fù)荷轉(zhuǎn)換率，那么

如果用e1(x,y)表示在中國每個白屋頂?shù)姆课菹奶旃?jié)約的制冷時能量（用煤炭發(fā)電產(chǎn)生）的使用量減少的部分，即減少的制冷負(fù)荷，單位是kwh/area

用表示e2(x,y)在中國每個白屋頂?shù)姆课荻煸黾拥闹茻釙r能量（用煤炭發(fā)電產(chǎn)生）的使用量增加的部分，即增加的采暖負(fù)荷，單位是kwh/area

用表示e3(x,y)在美國每個白屋頂?shù)姆课菹奶旃?jié)約的制冷時能量（用電產(chǎn)生）的使用量增加的部分，即減少的制冷負(fù)荷，單位是kwh/area

用表示g(x,y)在美國每個白屋頂?shù)姆课荻煸黾拥闹茻釙r能量（用天然氣產(chǎn)生）的使用量增加△ρ*A*R-x,y)*C(x,y)的部分，即增加的采暖負(fù)荷，單位是kwh/area

由于每個國家技術(shù)、資源擁有結(jié)構(gòu)不同，造成電力發(fā)電方式不同，所以，我們現(xiàn)在以中國為例進行實際分析，以美國為例進行參照說明。

對于中國：

中國電力發(fā)電結(jié)構(gòu)為

制冷時能量的使用量減少的部分:

制熱時能量的使用量增加的部分:

其中，

（1）城市溫度降低量與“燃煤發(fā)電”耗煤量之間的關(guān)系：

則：城市溫度每降低一攝氏度導(dǎo)致用電量的減少量為

（2）全社會用電主要分為工業(yè)等社會事業(yè)用電以及居民用電，那么，居民用電所占全社會用電的比例為

（3）機組在以熱電聯(lián)產(chǎn)模式運行時，以輸入的燃煤所含熱量作為100%的輸入，其發(fā)電效率為η120%～25%，產(chǎn)熱效率為 η260%～55%

（4）城市溫度升高量與“燃煤發(fā)電”耗煤量之間的關(guān)系：

采暖能耗：ε 采暖度日數(shù)：H

則：城市溫度每降低一攝氏度導(dǎo)致用電量的減少量為

（5）在運輸過程中，會發(fā)生損耗，其中，電網(wǎng)損耗為 γ1，管網(wǎng)損耗為 γ2。 則有效傳輸效率分別為（1-γ1）和（1-γ2）。

那么，對于中國負(fù)荷轉(zhuǎn)換率是：

對于美國：

符合轉(zhuǎn)化率為

現(xiàn)在，讓我們再來看一下節(jié)省的能源煤：

中國：

由資料得，1Kg原煤可以折合成0.7143Kg標(biāo)準(zhǔn)煤，1Kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為29.3076MJ，故1Kg原煤能產(chǎn)生20.9344MJ，即5.815kwh的能量，令轉(zhuǎn)化所得數(shù)值為μ=5.185kwh/Kg

一年所節(jié)約的煤炭資源為：

相對應(yīng)的，由于煤炭資源的節(jié)約，所節(jié)約的費用為：

其中ω1是每千克煤炭的價格，有數(shù)據(jù)得ω1=1.38元/Kg。

美國：

美國主要以天然氣和煤炭為主，那么，美國一年節(jié)約的費用為：

其中，ωe是美國煤炭價格，ωe=1.33 元/Kg；ωg是美國天然氣價格，ωg=0.44元/Kg。

白屋頂?shù)氖褂檬怯幸粋€有效周期的。令此周期為年。那么總節(jié)約的費用還要再乘以T。

對于廢棄物排放問題：

我們得知對于煤的燃燒，會排放一系列的大氣污染物，下表顯示了排放的污染物以及其相應(yīng)的質(zhì)量

對于中國：相應(yīng)物質(zhì)的排放量：

其中i表示物質(zhì)co2，NOx，so2。表示每千克煤炭所釋放出的污染物質(zhì)量。

對于美國：相應(yīng)物質(zhì)的排放量：

下面以中國的南北方為例進行定量計算并進行比較：

全國全社會用電量35157億千瓦時，城鄉(xiāng)居民生活用電量4282億千瓦時。居民用電比值就是4282/35157。代入公式，計算后整理得：

一方面，因為我國目前北方（黃河流域以北地區(qū)包括黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙、新疆、青海、甘肅、寧夏、山西、北京、天津、河北這些省市自治區(qū)的全部城鎮(zhèn)及陜西北部、山東北部、河南北部的部分城鎮(zhèn)。這些省份70%以上的建筑采用不同規(guī)模的集中供熱進行采暖，剩余部分則采用各類不同的分散采暖方式）城鎮(zhèn)采暖建筑屋頂覆蓋面積約為64億平米，因此以北京為例計算全北方：全年節(jié)省245.952萬噸煤/年，因為我國目前北方城鎮(zhèn)采暖能耗折合約為1.3億噸標(biāo)煤/年，130000000/2459520=52.8558，也就是說，由于中國北方的整體能耗太大，雖然每年節(jié)省的數(shù)量很可觀，但是節(jié)省52年才頂現(xiàn)在一年。

整個北方減排：

co2：644.416 萬 噸/年 ，NOx：1.792 萬 噸/年 ，so2：2.112 萬噸/年

另一方面，因為我國目前南方（包括山東、河南、陜西部分不屬于集中供熱的地區(qū)和上海、安徽、江蘇、浙江、江西、湖南、湖北、四川、重慶，以及福建部分需要采暖的地區(qū)）住宅或一般辦公建筑采用直接電熱或熱泵采暖時能耗都在4～8kWh/m2.年，這樣，盡管這一帶住宅屋頂覆蓋面積為40億平米，但冬季采暖用能僅210億度電，折合標(biāo)準(zhǔn)煤不超過800萬噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于北方采暖能耗，轉(zhuǎn)換之后即效率為4kwh/kg。以上海為例計算全南方，全年節(jié)省82.6萬噸煤/年。

整個南方減排：

co2：216.440 萬 噸/年 ，NOx：0.600 萬 噸/年 ，so2：0.720 萬噸/年

考慮費用：假設(shè)屋頂刷最普通的白漆，其價格為0.75元/平米，壽命2年，煤的價格是1.38元/kg，所以北方省下0.53元煤錢/平米，兩年省下1.06元/平米，節(jié)省0.31元/平米，共19.84億元；南方省下0.29元煤錢/平米，兩年省下0.58元/平米，需投入0.17元/平米，共6.8億元。

整理成表格形式：

所以綜合看來，中國的北方比南方減排更多，但是南方比北方節(jié)能更多，且單從經(jīng)濟角度考慮北方適合施行“白屋頂計劃”而南方不適合。但是若全國均施行該計劃，可共節(jié)煤328.552萬噸/年， 減排 co2860.856萬噸/年、NOx2.392萬噸/年、so22.832萬噸/年，一個周期節(jié)約資金13.04億元。

因此，從中國的南北方的比較中可以初步判定，太陽輻射量、制冷度日數(shù)、采暖度日數(shù)和能源結(jié)構(gòu)對該計劃的評估影響巨大，而經(jīng)濟條件則從一定角度上決定了該計劃施行與否。

3.2 對抑制全球變暖所起到的作用

3.2.1.計算全球城市面積

全球有1.28億平方千米的農(nóng)村和0.035億平方千米的城市面積 。同時根據(jù)GRUMP所給出的城市人口數(shù)量（App（i））和平均每人所擁有的城市面積（Aca（i））我們有公式：

得出城市占陸地面積比例為2.4%，占全球總面積的0.7%。然而McGranahan所給出的比率為2.8%，我們認(rèn)為通過GRUMP所得到的數(shù)值更加接近真實值因為在100個最大城市中人口密度高于其他城市地區(qū)如下圖所示。

3.2.2.反射率改變量的計算

通過查詢資料ROSE對美國多個城市屋頂?shù)姆瓷渎实难芯坎⒔Y(jié)合Akbari和 Konopacki對屋頂反射率的研究，我們得到數(shù)據(jù)未使用白屋頂計劃的城市屋頂反射率約為10%到25% 。同時結(jié)合Akbari和Konopacki的研究與之前的成果，使用白色屋頂可使折射率增加至0.55到0.60 。同時Rose的研究也給出，城市屋頂所占的面積占城市總面積的25%。

對于斜屋頂而言，可用的高效反射材料非常少，正在研究的白色丙烯酸材料和熱塑性塑料膜反射率可提高至0.6。所以使用白屋頂可增加0.25*0.25=0.0625的反射率

同時由Rose所得到的數(shù)據(jù) 我們可以計算得到每增加0.1的城市屋頂反射率可增加3*10-4的地球反射率。

3.2.3.反射率對輻射的影響

我們再次假設(shè)

使用已有的短波輻射平衡模型

不考慮海洋上的云層較多使得所以海洋中大氣輻射吸收率較低，同時由于城市中氣溶膠等其他物質(zhì)的存在是的吸收率較高這個因素。

(1)估計每增加一頓二氧化碳所產(chǎn)生的輻射強迫（RF）

由Hansen所得出的研究結(jié)果 我們可以得到結(jié)論，大氣頂層的RF為4.19 W m-2，由Myhre所得出的結(jié)論 當(dāng)前的二氧化碳濃度為385 ppmv且

所以本小組計算RF值為

同時Myhre還計算過每增加1Gt的CO2會增加0.128ppmv的二氧化碳含量。

同時我們還加入了碳循環(huán)的對輻射強迫的影響，Matthews和Caldeira所做的研究中指出最終結(jié)果應(yīng)有5%，這個系數(shù)。 計算為 5%×3.7W·m-2×5.1×1014m2/(100GtC)=0.26kW/t。同時不是所有的CO2都會留在大氣中，根據(jù)IPCC的結(jié)論，只有55%的CO2會留在大氣中，所以最終這個值變?yōu)?.26/0.55=0.47kW/t

(2)改變城市反射率對全球輻射強迫的影響

Hansen曾經(jīng)提出熱帶地區(qū)占全球的22%，同時每增加0.01的反射率就會在熱帶地區(qū)增加-2.92W·m-2的RF值，同時Kiehl和Trenberth提出，在總共的342W·m-2的輻射中有77W·m-2(22.5%)被大氣反射，有 168W·m-2（49.1）被地表吸收，如下圖所示。

為了驗證相關(guān)結(jié)論，設(shè)f被大氣吸收的部分的比率，則可得265f為總吸收能量，30f（1-f）是吸收的反射能量這兩者之和為大氣吸收的能量即：

最終計算得到f=0.221

這一值在Hatzianastassiou根據(jù)相關(guān)研究所得到的數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)，然后計算反射率沒改變0.01，RF的變化值，其中由 Hatzianastassiou 的結(jié)論可得 (1-f)×172/100=-1.27W·m-2，我們注意到我們的計算使用了平均得云量覆蓋。然而Hatzianastassiou的結(jié)論可得，云量越大，RF值越小。

3.2.4.將CO2排放量與RF值結(jié)合

經(jīng)查閱，IPCC指出每平米屋頂每增加0.25的反射率就會減少-64kg的CO2。同時經(jīng)查閱資料，城市面積至少占陸地面積的1%，可使用白色屋頂或道路的面積達9*1011m2，之前計算了白色屋頂可以減少RF4.4×10-2Wm-2，若全部采用白屋頂計劃就會減少20Gt到24Gt的二氧化碳排放。

3.2.5 舉例

3.2.5.1 對于海洋性氣候較強的冰島的雷克雅未克該地區(qū)，地區(qū)取暖度日高達3572然而該地的制冷度日卻很低如圖所示，因此該地區(qū)不適合使用白屋頂，應(yīng)采取措施增加吸收率，本地地?zé)豳Y源豐富，雷克雅未克的能源主要以溫泉的地?zé)崮転橹?，溫泉水即使?jīng)過管道輸送后，水溫仍高達攝氏90度以上，故此，雷克雅未克極少使用石油、煤等資源產(chǎn)生能量，所以使用白屋頂會加重能源消耗。

3.2.5.2 在亞熱帶季風(fēng)氣候的美國邁阿密，其溫度較高

我們發(fā)現(xiàn)邁阿密的制冷度日是3619℃日然而制熱度日卻很少，所以很明顯該地區(qū)適合采用白屋頂，并且邁阿密市世界上的富有城市，白屋頂?shù)闹С霾⒉粫Ξ?dāng)?shù)厝松钣绊懜?，況且以美國的技術(shù)實力，每個白屋頂?shù)氖褂脮r間可以達到三年，這筆支出可以再使用白屋頂?shù)囊坏絻赡陜?nèi)收回。然后我們進行定量分析：

經(jīng)過查閱資料取邁阿密的太陽輻射量為1744KWh/年，R值取0.35，同時取美國的火力發(fā)電效率為38%，單位原煤所產(chǎn)生的熱量為29307kJ即8.14Kwh，同時取C值為0.53有公式

最后可以節(jié)約煤炭112496噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

因此有評判準(zhǔn)則：

中國南北方的比較很好的反映了不同地區(qū) “白屋頂計劃”的效果不同。南北方的夏天供電模式相同，但冬天的采暖模式有很大不同，能源種類的使用不同導(dǎo)致南方可比北方節(jié)省更多的能量，但是又由于采暖度日數(shù)和供暖效率的不同導(dǎo)致北方可比南方減少更多的廢氣排放。且北方通過該計劃可節(jié)約資金，相反，南方卻需要投入資金。因此，太陽輻射量、制冷度日數(shù)、采暖度日數(shù)和能源結(jié)構(gòu)無疑是影響該計劃效果的顯著因素。

因此，節(jié)約能耗、減少排放、節(jié)約資金這三個要素對于不同國情的國家和不同情況的城市就構(gòu)成了不同的權(quán)重比。氣候穩(wěn)定、太陽輻射強、制冷度日數(shù)高、冬天所用采暖能源效率較高的地區(qū)適合推行“白屋頂計劃”（如中國北京，英國和美國個別城鎮(zhèn)）；另一方面，結(jié)合能源政策的角度，日本是何樂而不為；而夏天氣候宜人、冬季采暖度日數(shù)過高的國家則不適合，如法國。能源結(jié)構(gòu)角度講，充分使用太陽能的奧地利當(dāng)然不適合。而個別經(jīng)濟水平較高的地區(qū)可酌情處理自己地區(qū)的環(huán)境情況，如為了改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境和從長遠(yuǎn)角度出發(fā)，可在投入資金的情況下仍然推行 “白屋頂計劃”。而經(jīng)濟水平落后、能源結(jié)構(gòu)單一、能源利用效率低下的地區(qū)則不適合推行此計劃。因此，廣泛說，氣候穩(wěn)定、制冷度日數(shù)高、采暖度日數(shù)低、經(jīng)濟水平較高、冬季采用天然氣能源供暖的城市適合推行此“白屋頂計劃”。當(dāng)然，各個地區(qū)是需要根據(jù)自己的權(quán)重比計算推廣該計劃的得失。

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