Введение
Отражающие поверхности, или наземное изменение альбедо (GBAM), — это метод управления солнечной радиацией, направленный на повышение альбедо Земли (способности отражать видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый спектры солнечного излучения, уменьшая тем самым передачу тепла на поверхность). МГЭИК описала этот метод как "осветление крыш, изменения в управлении земельными ресурсами (например, безотвальная обработка почвы), изменение альбедо в большем масштабе (покрытие ледников или пустынь отражающими материалами и изменение альбедо океана)". Наиболее известный тип отражающей поверхности — это тип крыши, называемый "холодной крышей". Хотя "холодные крыши" чаще всего ассоциируются с белыми крышами, они выпускаются в различных цветах и из разных материалов и доступны как для коммерческих, так и для жилых зданий.
Метод
В качестве метода борьбы с глобальным потеплением доклад МГЭИК 2018 года показал, что потенциал глобального снижения температуры "невелик", однако наблюдается высокий уровень согласия относительно признания изменений температуры в диапазоне 1–3 °C в региональном масштабе. Отражающие поверхности могут быть использованы для изменения альбедо сельскохозяйственных и городских территорий, при этом изменение альбедо на 0,04–0,1 в городских и сельскохозяйственных районах потенциально может снизить глобальную температуру, предотвращая превышение порога в 1,0 °C.
Белые прохладные крыши
Белые термопластичные мембранные крыши (ПВХ и ТПО) по своей сути обладают высокой отражающей способностью, достигая одних из самых высоких показателей отражения и излучения, которых могут достичь кровельные материалы. Например, крыша из белого термопластика может отражать 80% и более солнечных лучей и излучать не менее 70% солнечной радиации, которую она поглощает. Асфальтовая крыша отражает всего от 6 до 26% солнечной радиации. Помимо белых термопластичных мембран ПВХ и ТПО, используемых во многих коммерческих системах "холодной крыши", ведутся исследования в области "холодной" асфальтовой черепицы. Асфальтовая черепица занимает большую часть рынка жилых крыш в Северной Америке, и потребительские предпочтения в пользу более темных цветов создают определенные трудности при создании черепицы, отражающей солнечный свет, в результате чего показатель отражения асфальтовой черепицы составляет всего от 4% до 26%. Когда такие крыши спроектированы для отражения большего количества солнечной радиации, эффект "городского теплового острова" можно уменьшить за счет снижения затрат на охлаждение летом. Хотя более отражающая крыша может привести к увеличению затрат на отопление в холодные месяцы, исследования показали, что увеличение зимних затрат на отопление все равно ниже, чем экономия на охлаждении летом. Для удовлетворения потребительского спроса на более темные цвета, которые при этом отражают значительное количество солнечного света, используются различные материалы, процессы покрытия и пигменты. Поскольку только 43% света приходится на видимый спектр, отражающую способность можно улучшить, не влияя на цвет, путем увеличения отражения ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Высокая шероховатость поверхности также может способствовать низкой отражающей способности асфальтовой черепицы, поскольку она состоит из множества мелких, приблизительно сферических гранул с высокой шероховатостью поверхности. Для уменьшения этого изучаются другие материалы для гранул, такие как плоские каменные хлопья, которые могут снизить потери отражения из-за шероховатости поверхности. Другой вариант – покрытие гранул двухслойным методом: внешний слой будет иметь желаемый цветной пигмент, хотя он может быть не очень отражающим, а внутренний слой – высокоотражающее покрытие из диоксида титана. Естественная белая гравийная отсыпка может рассматриваться как альтернативный способ создания "холодных" крыш и покрытий. Наивысший рейтинг SRI и самые "холодные" крыши – это крыши из нержавеющей стали, температура которых всего на несколько градусов выше температуры окружающей среды при умеренных ветровых условиях. Их рейтинг SRI варьируется от 100 до 115. Некоторые из них также гидрофобны, поэтому они остаются очень чистыми и сохраняют свой первоначальный рейтинг SRI даже в загрязненной среде. [А]
Покрытые крышами
Существующую (или новую) крышу можно сделать отражающей, нанеся на ее поверхность солнечноотражающее покрытие. Данные об отражательной способности и излучательной способности более чем 500 отражающих покрытий можно найти в Совете по рейтингам «холодных крыш» (Cool Roofs Rating Council).
Синие и красные крыши
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли установили, что пигмент, использовавшийся древними египтянами и известный как "египетский синий", поглощает видимый свет и излучает свет в ближнем инфракрасном диапазоне. Он может оказаться полезным в строительных материалах для поддержания прохлады крыш и стен. Кроме того, они разработали флуоресцентные рубиново-красные покрытия, обладающие отражающими свойствами, схожими с белыми крышами.
Зеленые крыши
Зеленые крыши обеспечивают слой тепловой массы, который помогает снизить приток тепла в здание. Отражательная способность зеленых крыш варьируется в зависимости от видов растений (обычно 0,3–0,5). Зеленые крыши могут отражать меньше, чем "холодные" крыши, но обладают и другими преимуществами, такими как транспирация, которая охлаждает растения и прилегающую к ним территорию, способствуя снижению температуры кровли, но при этом повышая влажность естественным образом. Кроме того, некоторые зеленые крыши требуют ухода, например, регулярного полива.
Калькулятор экономии на крыше
Калькулятор экономии на крыше (RSC) – это инструмент, разработанный Национальной лабораторией Оук-Ридж Министерства энергетики США, который оценивает экономию энергии на охлаждении и отоплении при использовании крыш с небольшим уклоном и белыми или черными поверхностями. Этот инструмент был создан в результате сотрудничества Национальной лаборатории Оук-Ридж и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли с целью достижения единого мнения в отрасли относительно экономии энергии за счет использования крыш для жилых и коммерческих зданий. Он предоставляет данные о чистой годовой экономии энергии (разница между экономией энергии на охлаждении и увеличением затрат на отопление) и, следовательно, применим только к зданиям, оборудованным системами отопления и/или охлаждения.
Автомобили
Солнечноотражающие автомобили, или «холодные» автомобили, отражают больше солнечного света, чем тёмные, что снижает количество тепла, проникающего в салон. Это помогает уменьшить потребность в кондиционировании воздуха, расход топлива и выбросы парниковых газов и загрязняющих веществ в атмосферу городов.
Прохладные тротуары
Парковки с холодными цветами – это парковки, изготовленные с использованием отражающего слоя краски. Прохладные покрытия, разработанные для отражения солнечной радиации, могут включать модифицированные смеси, отражающие покрытия, водопроницаемые покрытия и покрытия с растительностью.
Зеркала
Зеркала исследуются как отражающая поверхность для отражения солнечного излучения и снижения температуры. MEER – некоммерческая организация, использующая переработанные материалы для производства зеркал и полимерных отражающих пленок с целью их потенциального широкого применения на крышах и в открытых пространствах, таких как сельскохозяйственные земли. Испытания были проведены в Калифорнии, а возможности для дальнейшего применения разрабатываются в Нью-Гэмпшире, Индии и Африке.
Холодные крыши
В некоторых климатических условиях, где количество дней с отоплением превышает количество дней с охлаждением, белые отражающие крыши могут оказаться неэффективными с точки зрения энергоэффективности или экономии, поскольку экономия энергии на охлаждении может быть нивелирована увеличением затрат на отопление зимой. Согласно данным Управления энергетической информации США, полученным в ходе обследования потребления энергии в коммерческих зданиях в 2003 году, на отопление приходится 36% годового потребления энергии коммерческими зданиями, в то время как на кондиционирование воздуха – всего 8% в Соединенных Штатах. Энергетические калькуляторы обычно показывают годовую чистую экономию при использовании темных кровельных систем в прохладном климате. Идеальная крыша не должна поглощать тепло летом и терять его зимой. Для этого ей потребуется очень высокий показатель SRI, чтобы полностью исключить радиационный теплоприток летом и теплопотери зимой. Крыши с высоким SRI действуют как радиационный барьер, создавая эффект термоса. Высокоэмиссионные "холодные" крыши несут климатические потери из-за радиационного тепловыделения зимой, в отличие от отражающих цельнометаллических крыш, таких как крыши из нержавеющей стали.
Холодные крыши
В федеральном исследовании 2001 года Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (LBNL) измерила и рассчитала снижение пиковой нагрузки на энергосистему, связанное с отражающей способностью поверхности "прохладной" крыши. LBNL установила, что по сравнению с оригинальной черной резиновой мембраной крыши исследуемого торгового здания в Техасе, модернизированная виниловая мембрана обеспечила среднее снижение температуры поверхности, уменьшение совокупного потребления энергии кондиционерами на 11% и соответствующее снижение пикового спроса на 14%. Средняя дневная температура черной крыши летом составляла , но после установки белой отражающей поверхности она составила . Без учета налоговых льгот или других коммунальных сборов, годовые затраты на энергию были снижены на 7200 долларов США или 0,07 доллара США за квадратный фут (эта цифра включает в себя как плату за энергию, так и плату за пиковую нагрузку). Приборы измеряли погодные условия на крыше, температуру внутри здания и во всех слоях крыши, а также потребление энергии кондиционерами и общую мощность, потребляемую зданием. Измерения проводились с использованием оригинальной черной резиновой мембраны крыши, а затем после ее замены на белую виниловую крышу при сохранении той же изоляции и систем ОВКВ. Хотя был собран годовой объем фактических данных, из-за аномалий в данных был исключен один месяц данных, а также несколько других дней, не соответствующих параметрам исследования. Для периода до модернизации было использовано только 36 непрерывных дней, а для периода после модернизации – только 28 рабочих дней.
В федеральном правительстве США
В июле 2010 года Министерство энергетики США объявило о серии инициатив по более широкому внедрению технологий «холодных крыш» на объектах и в зданиях Министерства энергетики по всей стране. В рамках этих новых усилий, DOE будет устанавливать «холодную крышу» при строительстве новой или замене старой крыши на объекте DOE, если это экономически целесообразно в течение всего срока службы крыши. В октябре 2013 года Министерство энергетики США оценило «холодные крыши» в 53 балла из 100 (взвешенное среднее от 0 до 100) как экономически эффективную энергетическую стратегию. «Климатические условия могут влиять на эффективность «холодных крыш». Они наиболее эффективны в теплом климате и могут привести к увеличению энергопотребления на отопление в холодном климате. Влияние «холодных крыш» снижается при использовании более эффективной теплоизоляции. Секретарь энергетики поручил всем офисам Министерства энергетики США (DOE) устанавливать «холодные крыши» при строительстве новых или замене старых крыш на объектах DOE, если доказана экономическая целесообразность в течение жизненного цикла. Другим федеральным агентствам также было рекомендовано сделать то же самое». Гарантии на светоотражающие кровельные материалы должны быть во всех существенных аспектах эквивалентны гарантиям, предлагаемым на сопоставимые не светоотражающие кровельные материалы, либо от данной компании, либо в соответствии с отраслевыми стандартами. В отличие от других продуктов с рейтингом Energy Star, таких как бытовая техника, эта система оценки рассматривает только внешнюю поверхность крыши, а не всю конструкцию. Потребители (то есть владельцы зданий) могут полагать, что маркировка Energy Star означает, что их крыша энергоэффективна; однако тестирование не такое строгое, как для бытовой техники, и не включает в себя дополнительные компоненты крыши (то есть конструкцию крыши, огнезащитные барьеры, теплоизоляцию, клеи, крепежные элементы и т. д.). На их веб-сайте размещено следующее заявление об отказе от ответственности: «Несмотря на очевидные преимущества использования светоотражающих крыш, перед выбором кровельного продукта на основе ожидаемой экономии энергии потребителям следует изучить ожидаемые расчетные результаты, которые можно найти на веб-сайте Министерства энергетики «Калькулятор экономии на крыше» по адресу www.roofcalc.com. Помните, что экономия энергии, достижимая с помощью светоотражающей крыши, сильно зависит от конструкции объекта, используемой теплоизоляции, климатических условий, местоположения здания и энергоэффективности здания». (CRRC) разработала систему оценки для измерения и представления данных о солнечной отражательной способности и тепловом излучении кровельных материалов. Эта система включена в онлайн-каталог, содержащий информацию о более чем 850 кровельных продуктах, и доступна поставщикам энергетических услуг, органам строительного надзора, архитекторам и проектировщикам, владельцам недвижимости и градостроителям. CRRC ежегодно проводит выборочные испытания для обеспечения достоверности своего каталога рейтингов. Программа оценки CRRC позволяет производителям и продавцам правильно маркировать свои кровельные материалы в соответствии с конкретными свойствами, измеренными CRRC. Однако программа не устанавливает минимальные требования к солнечной отражательной способности или тепловому излучению.
Зеленые шары
Система Green Globe используется в Канаде и Соединенных Штатах. В США Green Globes принадлежит и управляется Green Building Initiative (GBI). В Канаде версия для существующих зданий принадлежит и эксплуатируется BOMA Canada под торговой маркой "Go Green" (Visez vert). Green Globe использует критерии эталонной производительности для оценки ожидаемого энергопотребления здания, сравнивая проект здания с данными, полученными с помощью Target Finder от EPA, отражающими фактическую производительность зданий. Здания могут получить рейтинг от одного до четырех глобусов. Это онлайн-система; информация о здании проверяется лицензированным инженером или архитектором, одобренным и прошедшим обучение по программе Green Globes. Для получения рейтинга кровельные материалы должны иметь коэффициент солнечного отражения не менее 0,65 и тепловое излучение не менее 0,90. До 10 баллов могут быть начислены за покрытие крыши растительностью, высокоотражающими материалами или их комбинацией в диапазоне от 1 до 100 процентов. Физическое обоснование высокой излучательной способности весьма сомнительно, поскольку она лишь описывает материал, который легко излучает тепло в инфракрасном диапазоне в окружающую среду, способствуя парниковому эффекту. Материалы с высокой отражающей способностью и низкой излучательной способностью гораздо эффективнее снижают энергопотребление.
LEED
Система рейтингов LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) Совета по экологическому строительству США является добровольным, постоянно развивающимся национальным стандартом для создания высокоэффективных и устойчивых зданий. LEED предоставляет стандарты для выбора продуктов при проектировании зданий, но не сертифицирует сами продукты. В отличие от строительных норм, таких как Международный строительный кодекс, только члены USGBC и специализированные "внутренние" комитеты могут добавлять, удалять или редактировать стандарт на основе внутреннего процесса рассмотрения. Модельные строительные нормы утверждаются членами и "внутренними" комитетами, но допускают комментарии и выступления представителей общественности на каждом этапе разработки норм в ходе общественных слушаний, которые обычно проводятся несколько раз в год. В соответствии с версией LEED 2009, для получения кредита 7.2 «Устойчивые площадки» – «Эффект теплового острова» на крыше, не менее 75% поверхности крыши должны быть покрыты материалами с индексом солнечного отражения (SRI) не менее 78. Этот критерий также может быть выполнен путем установки озелененной крыши на не менее 50% площади крыши, или установки крыши с высоким альбедо и озелененной крыши в комбинации, соответствующей следующей формуле: (Площадь крыши, соответствующая минимальному SRI/0,75) + (Площадь озелененной крыши/0,5) ≥ Общая площадь крыши. Ниже приведены примеры зданий, сертифицированных по стандарту LEED, с белыми отражающими крышами.
Название здания | Владелец | Местоположение | Уровень LEED
---|---|---|---
Wildomar Service Center | Southern California Edison | Уайльдомар, Калифорния | Платина
Donald Bren School of Environmental Science & Management | University of California, Santa Barbara | Санта-Барбара, Калифорния | Платина
Frito Lay Jim Rich Service Center | Frito Lay, Inc. | Рочестер, Нью-Йорк | Золото
Edifice Multifonction Travaux Publics et Services Gouvernementaux | Canada | Монреаль, Квебек | Золото
Seattle Central Library | City of Seattle | Сиэтл, штат Вашингтон | Серебро
National Geographic Society Headquarters Complex | National Geographic Society | Вашингтон, округ Колумбия | Серебро
Utah Olympic Oval | Salt Lake City Olympic Winter Games 2002 Organizing Committee | Солт-Лейк-Сити, штат Юта | Сертифицированный
Premier Automotive Group North American Headquarters | Ford Motor Company | Ирвин, Калифорния | Сертифицированный
Cool Roofs Europe и другие страны
Этот проект софинансируется Европейским Союзом в рамках программы «Интеллектуальная энергия для Европы». Целью предлагаемого мероприятия является разработка и внедрение Плана действий по применению «холодных» крыш в ЕС. Конкретные задачи: поддержка разработки политики путем обмена опытом и повышения понимания реального и потенциального вклада «холодных» крыш в снижение потребления энергии на отопление и охлаждение в ЕС; упрощение и устранение препятствий для интеграции «холодных» крыш в строительство и существующий строительный фонд; изменение отношения лиц, принимающих решения, и заинтересованных сторон для повышения признания и востребованности «холодных» крыш; распространение и стимулирование разработки инновационного законодательства, кодексов, разрешений и стандартов, включая процедуры подачи заявок, разрешения на строительство и градостроительные нормы, касающиеся «холодных» крыш. Работа будет вестись по четырем основным направлениям: техническому, рыночному, политическому и направленному на конечных пользователей. В тропической Австралии цинкование (серебристый) листового металла (обычно гофрированного) отражает тепло хуже, чем действительно «холодный» белый цвет, особенно из-за того, что металлические поверхности не излучают инфракрасное излучение обратно в небо. В Европе в настоящее время наблюдается тенденция использования более темных алюминиевых кровельных материалов, чтобы соответствовать потребительским предпочтениям.
NYC °CoolRoofs
NYC °CoolRoofs – это инициатива города Нью-Йорк по покраске крыш в белый цвет с привлечением волонтеров. Программа началась в 2009 году в рамках PlaNYC и позволила покрыть белой краской более 5 миллионов квадратных футов крыш в Нью-Йорке. В среду, 25 сентября 2013 года, мэр Майкл Р. Блумберг объявил 25 сентября "Днем NYC °CoolRoofs" в Нью-Йорке, в связи с покраской 500-го здания и сокращением выбросов углекислого газа более чем на 2000 тонн. Волонтеры используют кисти и валики для нанесения на кровельное покрытие акрилового эластомерного состава. Исследование, проведенное Колумбийским университетом в 2011 году, показало, что белые крыши, обработанные в рамках программы, демонстрируют среднее снижение температуры на 43 градуса по Фаренгейту по сравнению с черными крышами.
Проект "Белая крыша"
Проект "Белая крыша" – это общенациональная инициатива в США, направленная на обучение и расширение возможностей людей по покрытию крыш белой краской. Благодаря усилиям программы, проекты по созданию белых крыш были реализованы в более чем 20 штатах США и пяти странах, в них приняли участие тысячи волонтеров, а также было профинансировано покрытие сотен крыш некоммерческих организаций и домов малообеспеченных граждан.
Эффект городского теплового острова
Городской тепловой остров возникает там, где сочетание теплопоглощающей инфраструктуры, такой как темные асфальтовые парковки и дорожное покрытие, а также обширные черные крыши, в сочетании с недостаточным количеством растительности, повышает температуру воздуха по сравнению с температурой в окружающей сельской местности. Программы экологического строительства рекомендуют использовать "холодные" крыши для смягчения эффекта городского теплового острова и ухудшения качества воздуха, которое он вызывает (в виде смога). Отражая солнечный свет, светлые крыши минимизируют повышение температуры, снижают энергопотребление на охлаждение и образование смога. Исследование, проведенное LBNL, показало, что широкое внедрение стратегий по смягчению этого эффекта, включая использование "холодных" крыш, позволило бы агломерации Большого Торонто ежегодно экономить более 11 миллионов долларов на затратах на электроэнергию.