南加州住宅社区的主动式与被动式冷却方法

《Advances in Applied Energy》：Active and Passive Cooling Approaches for a Southern California Residential Community

降低高温危害小时数的关键措施是热泵热水器（HPWH）与低透光率窗户、高反射屋顶涂料的组合，可减少95%-99%的危害。但总成本因设备费用和电费增加而上升20%-60%，需依赖联邦及加州激励计划（如IRA HOMES和TECH）降低成本。电力升级使年人均电费增加25-40美元，但结合被动措施可缓解电网压力。研究突显气候脆弱社区建筑基础设施改造的潜力与经济挑战。

　　在当前全球气候变暖和极端天气事件频繁发生的背景下，针对缺乏空调设施的低收入社区，冷却措施的有效性和可行性成为亟需解决的问题。本文以美国加利福尼亚州胡克顿海滩市的奥克维恩社区为研究对象，探讨了主动冷却和被动冷却策略对改善居民室内舒适度、减少高温和空气污染暴露的潜力，以及这些措施对总成本和碳排放的影响。奥克维恩社区的居民普遍面临一个两难选择：在高温天气中，要么通过通风降低室内温度，但可能增加空气污染暴露的风险；要么忍受不安全的室内高温。研究通过使用城市建筑能源模型和电力分配系统模型，评估了多种主动和被动冷却方案的实施效果。

### 冷却策略的综合评估

在评估过程中，研究发现，高效的空气源热泵（ASHP）、凉爽涂层、窗户膜以及利用热泵热水器的冷却效应，是当前最有效的空间冷却措施。这些措施的组合可以将建筑物的热指数危险小时数减少高达95%至99%。然而，这种高效率的冷却策略会显著增加总成本，其中最高可达60%，这包括设备成本和电力账单的变化。此外，这些措施在寒冷月份可能会增加空间加热的使用，以防止过度冷却。在研究中，替换传统加热设备为空气源热泵可以消除不安全的室内温度，同时降低总能耗，但成本增加幅度较大，可达125%至150%。

通过研究，我们发现热泵不仅用于空间加热，还可以作为空间冷却的工具。在没有传统空调的住宅中，使用热泵热水器能够显著减少热指数危险小时数，同时在总能耗方面带来可观的节省。然而，由于热泵的使用需要额外的电力输入，因此在实施过程中可能会面临更高的设备成本和电费增加的问题。值得注意的是，虽然这些措施的实施会增加一定的经济负担，但现有的激励和补贴计划，尤其是那些支持热泵系统的政策，可以有效缓解这一问题。

### 冷却策略的经济与环境影响

从经济角度来看，研究分析了各种冷却措施对总成本的影响。对于低收入家庭，尤其是那些符合联邦贫困线标准的居民，实施这些措施的总成本会增加13%至25%。然而，如果同时实施节能和电气化措施，例如更换为高效电器或升级照明系统，那么成本的增幅可能会有所减少。此外，对于那些已经进行电气化改造的住宅，例如安装电热器和电热水设备，成本增加幅度通常较小。值得注意的是，研究还发现，某些被动冷却措施，如使用凉爽涂层和窗户膜，虽然在减少热指数危险小时数方面效果显著，但可能会导致冬季空间加热需求的增加，从而在一定程度上抵消夏季的节能效益。

从环境角度来看，研究采用了“时间依赖的能源价值”（TDV）方法，用于评估不同冷却策略对碳排放的影响。这种方法考虑了从2022年到2052年之间每小时的电力和天然气的使用情况，并通过估算非可再生能源的能源含量来计算碳排放。研究发现，某些冷却措施，特别是那些结合高效电器和节能改造的方案，能够显著减少碳排放。例如，热泵热水器和窗户膜的组合可以将TDV能源消耗减少40%。然而，这些措施的实施需要考虑建筑物的电气基础设施是否能够支持新增的电力需求。

### 冷却策略的实施与成本平衡

为了更好地理解这些冷却措施的实际效果，研究还分析了它们对社区电气基础设施的影响。例如，安装热泵和高效电器可能会导致电力分配变压器的快速老化，这在一定程度上增加了电力基础设施的维护和升级成本。研究发现，这些升级的费用可能在每户每年增加25至40美元。尽管如此，通过结合多种冷却策略，例如使用窗户膜和凉爽涂层，可以有效降低电力需求，从而减少对电气基础设施的额外负担。

此外，研究还探讨了不同冷却措施的组合效果。例如，对于两层住宅，被动冷却措施的组合（如凉爽涂层、窗户膜、EStar窗户和热泵热水器）能够将热指数危险小时数减少95%至99%。然而，这些措施的实施会增加冬季的加热需求，从而影响总体的节能效果。因此，在选择冷却措施时，需要综合考虑季节性的影响，以确保在全年范围内实现最佳的节能和舒适度。

### 冷却策略的政策支持与未来展望

研究还强调了政策支持在推动这些冷却措施实施中的重要性。现有的激励和补贴计划，如联邦的《通胀削减法案》和加州的“低排放发展建筑倡议”（BUILD）和“清洁供暖技术与设备倡议”（TECH），为低收入家庭提供了重要的资金支持。这些政策不仅可以降低设备成本，还可以减少电力账单的增加。例如，通过这些激励措施，热泵热水器的安装成本可以大幅降低，从而提高其在低收入社区中的可行性。

然而，研究也指出了一些挑战。首先，低收入社区的居民往往是租户，而建筑物的所有者可能不愿意或无法承担这些冷却措施的实施成本。因此，解决这种“租户与所有者之间的激励差距”是推动这些措施普及的关键。其次，某些冷却措施的成本估计可能过于理想化，未能充分考虑实际施工中可能出现的额外费用和挑战。因此，未来的研究需要更加精确地评估各种措施的实际成本，以确保对居民的经济负担做出准确的预测。

### 未来研究方向

尽管本研究已经取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。首先，研究主要关注了特定的冷却措施，如凉爽涂层、窗户膜和热泵热水器，而忽略了其他可能的被动冷却方式，例如自然通风。此外，研究中未考虑个别房间空调设备（如窗式空调）的使用情况，而这些设备在某些低收入家庭中可能已经被采用。因此，未来的研究应涵盖更广泛的冷却措施，以更好地理解它们在不同气候条件下的适用性和效果。

其次，研究中的模拟采用了每小时的时间步长，这在一定程度上平滑了负荷变化，可能无法准确反映热泵等设备对电力分配系统的影响。因此，未来的模拟需要采用更精细的时间步长，以捕捉设备运行过程中可能产生的更复杂的影响。此外，研究中的数据主要基于现有的建筑信息和能源数据，而这些数据可能无法完全反映未来的气候变化和能源需求波动。因此，未来的分析应结合更全面的气候数据和建筑信息，以提高预测的准确性。

最后，研究指出，热泵热水器的空间冷却效果仍需进一步的实地验证。目前，对于温暖气候区的热泵热水器的冷却性能，缺乏足够的实证数据。因此，未来的研究应通过实地实验，验证这些设备在不同气候条件下的实际表现，以及它们在不同建筑布局和使用模式下的效果。此外，研究还建议，在实施热泵热水器时，应考虑如何管理其冷空气排放，以避免对建筑物的其他部分造成不必要的冷却，从而减少冬季的加热需求。

### 总结

本研究通过对奥克维恩社区的分析，揭示了在缺乏空调设施的低收入住宅中，采用高效的主动和被动冷却策略的潜力和挑战。研究发现，结合热泵热水器和窗户膜等措施，可以显著降低热指数危险小时数，但同时也需要考虑更高的设备成本和电力消耗。此外，研究强调了政策支持在推动这些措施实施中的重要性，特别是在低收入社区中，通过激励和补贴计划可以有效降低经济负担。然而，研究也指出了实施过程中的一些局限性和挑战，例如租户与所有者之间的激励差距、成本估算的不准确性以及气候变化对预测结果的影响。未来的研究应进一步探索这些措施在不同气候条件和建筑类型中的适用性，并通过实地实验和更精确的模型来验证其实际效果。