论文信息：
Q. Xuan, J. Lao, B. Zhao, G. Li, G. Pei, J. Niu, J. Dai. Experimental and numerical investigation on energy-saving performance of radiative cooling coating for metal container office, Energy & Buildings, 114084, 310(2024).
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.114084
研究背景
自亚环境日间辐射制冷概念首次被证明以来，许多种类的辐射制冷材料被开发出来。嵌入随机分布粒子的辐射制冷涂层(RCC)是一种可扩展、经济、可靠的材料，可以提高建筑围护结构的能源效率。近年来开发了许多具有优良冷却潜力的混凝土材料。然而，对混凝土在实际应用中的节能潜力，缺乏全面的实验和数值证明。为了填补上述知识空白，本研究对在用建筑RC涂层的节能性能进行了全面的实验和仿真研究。研究工作包括RC涂层的制备及其光学性能表征、长期温度监测和节电试验以及考虑涂层性能的不同气候区域的总体能源负荷分析。总的来说，本研究的实验和模拟研究表明，辐射制冷涂料在实际应用中具有很大的制冷节能潜力，但在某些地区，辐射制冷涂料也会给建筑增加额外的供热负担。
研究内容
图1(a)显示了两个金属集装箱办公室的照片，本研究采用的随机分布粒子辐射冷却涂层(RCC)采用常用建筑材料作为功能填料，即金红石型TiO2纳米粒子和玻璃微球，基体为聚苯乙烯。图1(b)为施加混凝土前后的外表面对比。
图1. (a)原址货柜办事处照片;(b)施加碾压混凝土前后的外表面对比。
图2(a)显示了RCC在玻璃基板上的照片。如图2(b)所示，RCC冷却物体的工作机制一方面是通过主要由功能性填料贡献的多层散射来拒绝太阳辐射;另一方面，依靠来自功能性填料和基质的大气窗口的透明度，将物体的热量倾倒到极冷的外层空间(~ 3k)。RCC和原始白色涂层的光学特性如图2(c)所示。RCC和原始白色涂层都具有非常高的宽带红外发射率，分别为0.948和0.89。原白色涂层的太阳反射率为73%，而混凝土能够反射85%的太阳辐射。
图2. (a) RCC在玻璃基板上的照片;(b)区域协调委员会的工作机制;(c)以AM 1.5G太阳光谱和大气透过曲线为参考，绘制RCC和集装箱原始白色涂层的实测太阳反射率和红外发射率。
2022年7月21日至8月3日(连续14个晴天)的长期监测结果，包括屋顶面、东面、西面和室内空气的日平均温差和最高温差如图3所示。14天的观测结果表明，经过大约两个月的雨水冲刷和半个多月的阳光直射，混凝土仍然保持了良好的制冷性能。图3为东立面对比。由于垂直表面对天空的视野因子有限，混凝土在东西表面的降温效果减弱。东西部地表温度最大降温幅度为2.5 ~ 4.2℃，平均降温幅度为1.7 ~ 2.9℃。
图3. 2022年7月21日至8月3日的长期监测结果，包括屋顶面、东面和室内空气的日平均和最高温差。
为了进行更全面的评价，7月22日屋顶内外表面和东墙内外表面的逐时温度如图4所示。从图4(a)中可以明显看出，虽然屋顶内外表面温差较小，但由于其结构薄，导热系数高，其变化趋势相当一致。当屋顶开始受到太阳直接辐射时，其温度急剧上升到一个非常高的值，而当屋顶被遮蔽时，其温度也会迅速下降。这表明热量很容易转移到建筑物内，使室内热舒适恶化。由于外部围护结构的热质量非常小，RCC对集装箱办公室有更多的好处，因为它可以显著减少太阳辐射的热量增益，并将热量倾倒到极冷的外部空间。试验结果表明，混凝土可使集装箱办公室的屋顶温度降低18℃。
图4. 围护结构对碾压混凝土冷却性能的影响。(a)天台内/外表面温度;(b) A组东西墙内外表面温度;(c)对照B的东西墙内外表面温度。
在实验测试中，还对集装箱办公室空调系统的用电量进行了测试，结果如图5所示。结果表明:与原商用白色涂料相比，RCC可分别节省23.1%和23.5%的空调系统用电量。
图5. 测量空调系统的用电量。消除空调系统可能引起的误差。在应用碾压混凝土之前，首先测量了两个空调系统的用电量。然后，在基线数据的基础上，对应用RCC后的两个空调系统的实际用电量进行归一化。
采用混凝土和原始白色涂层的经过验证的集装箱办公室模型，然后用于分析中国不同气候条件下碾压混凝土的整体能源性能。选取香港、昆明、合肥、北京、哈尔滨五个城市，在夏季设计日模拟A、B两个城市的屋顶表面和室内空气温度如图6所示。仿真结果表明，在5种不同的气候条件下，与原白色涂层相比，RCC可使集装箱办公室室内温度降低3.08℃、3.75℃、3.84℃、3.62℃和3.27℃。
图6. 不同气候区在夏季设计日模拟室内空气及屋顶温度:(a)香港;(b)昆明;合肥(c);北京(d);(e)哈尔滨。
原白色涂层的RCC金属集装箱办公楼月冷负荷如图7所示。在这五个城市中，碾压混凝土可以显著减少金属集装箱办公室的年冷负荷。将香港、昆明、合肥、北京和哈尔滨的年冷负荷从244.22 kWh/m2、56.22 kWh/m2、152.51 kWh/m2、109.75 kWh/m2和49.87 kWh/m2降低至189.43 kWh/m2、19.20 kWh/m2、114.73 kWh/m2、75.18 kWh/m2和31.40 kWh/m2，累计制冷节能54.79 kWh/m2(22.43%)、37.02 kWh/m2(65.85%)、37.79 kWh/m2(24.78%)、34.57 kWh/m2(31.50%)和18.47 kWh/m2(37.04%)。
图7. 不同气候区的模拟月冷负荷:(a)香港;(b)昆明;合肥(c);北京(d);(e)哈尔滨。
结论与展望
本研究通过将常用的功能性填料随机分布到聚合物基体中，开发了一种混凝土材料，并将其应用于香港某建筑工地的现役金属容器办公室。平行测试使用另一个相同的集装箱办公室与传统的白色涂层进行比较。测量和比较了两个集装箱办公室的内外表面温度、室内空气温度和空调系统的用电量。现场测试结果显示，在香港的气候条件下，混凝土比传统的白色涂层可使集装箱办公室的表面温度降低18℃，节省23.5%的用电量。在EnergyPlus中建立了金属集装箱办公室的数值模拟模型，并通过实验结果进行了验证。在此基础上，利用该模型对中国5个不同气候区考虑不同太阳反射率混凝土整体节能性能进行了评价。研究发现，在香港等热带或亚热带城市，随着混凝土的太阳反射率从85%提高到95%，年节能率从19.2%提高到30.9%。在其他气候区域，太阳反射率的增加将带来热负荷损失的显著增加，这将超过冷负荷节省。因此，在夏热冬冷地区，考虑冷负荷节约和超前采暖的抵消，优化混凝土的太阳反射率，以达到最佳的年度节能性能是非常可取的。
来源：热辐射与微纳光子学 作者： Radiation
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