金属集装箱辐射冷却涂料节能性能的实验与数值研究|反射率|太阳|涂层|涂料|节能性能|辐射|金属|集装箱

论文信息：

Q. Xuan, J. Lao, B. Zhao, G. Li, G. Pei, J. Niu and 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/10.1021/acsphotonics.4c00057

研究背景

全球建筑部门的能源消耗占总能源需求的40%以上，其中空间制冷的电力消耗占15%至17%，并且随着化石燃料的过度使用，全球变暖问题日益严重，建筑节能成为缓解这一问题的关键。辐射冷却技术作为一种无需能量输入的建筑节能方法，通过增强建筑物的热辐射性能来降低冷却负荷，尤其在夏日季节效果显著。尽管已有多种辐射冷却材料被开发，但对这些材料在实际应用中的节能潜力缺乏全面的实验和数值研究。此外，不同气候条件下，辐射冷却材料的性能表现可能有所不同，需要综合考虑不同季节的加热和冷却需求。嵌入随机分布颗粒的辐射冷却涂层（RCC）是一种可扩展、经济高效并且可靠的材料，可以提高建筑围护结构的能源效率。最近许多RCC材料已经开发出优异的冷却潜力。然而，大多都缺乏对RCC在实际应用中节能潜力的全面实验和数值证明。

研究内容

本研究旨在探索辐射冷却涂层（RCC）在实际建筑中的应用及其节能潜力。鉴于建筑部门在全球能源消耗中占有显著比例，尤其是在空间制冷方面，研究者们寻求通过被动方法减少建筑的冷却负荷，以实现节能与热舒适的平衡。辐射冷却技术作为一种无需能源的解决方案，通过利用太阳和外层空间作为加热和冷却源，依靠大气窗口的透明度，将热量直接排放到外层空间，从而实现冷却效果。研究中开发的RCC材料，采用了随机分散的颗粒结构，这些颗粒有效散射太阳光并增强材料的红外辐射能力。实验部分在香港一个施工现场进行，通过对比RCC和传统白色涂层的金属集装箱办公室，测量了表面温度、室内气温和空调系统的电力消耗。结果表明，RCC在香港气候条件下，能够显著降低集装箱办公室的表面温度高达18℃，并节约了23.5%的电力消耗。此外，研究者们还使用EnergyPlus软件进行了模拟，评估了RCC在中国五个不同气候区域的节能性能。模拟结果表明，RCC在这些区域的年冷却负荷节省率从22.43%到65.85%不等。然而，RCC的应用也带来了不同程度的供暖负荷损失，特别是在冬季寒冷地区。通过参数分析，研究发现在以冷却为主的地区，提高RCC的太阳反射率可以带来更多的年度能量节省；而在供暖需求较大的地区，更高的太阳反射率则会产生更多的供暖负荷损失。总体而言，研究表明RCC在建筑冷却节能方面具有巨大潜力，但在某些地区可能会增加建筑物的供暖负担。

图1.(a) 现场金属集装箱办公室的照片；(b) 应用辐射冷却涂料（RCC）前后外部表面的对比。

图2. (a) 辐射冷却涂料（RCC）在玻璃基板上的照片；(b) RCC的工作机理；(c) RCC和集装箱原始白色涂层的太阳反射率和长波红外辐射（LWIR）发射率的测量结果，以及作为参考的AM 1.5G太阳光谱和大气透过率曲线。

图3.图3.传感器安装和测量系统连接示意图。

图4. （a）EnergyPlus集装箱现场办公室建模示意图;（b）能量流经辐射冷却表面

图5.测量的温度结果包括屋顶内表面温度、室内气温，同时以不同日期的瞬时太阳辐照度和环境温度作为参考进行绘制。

图6. 2022 年 7 月 21 日至 8 月 3 日的长期监测结果，包括屋顶表面、东面和室内空气的日平均和最高温差。

图7. 外围结构对辐射冷却涂料（RCC）冷却性能的影响。

图8. 测量空调系统的耗电量。消除空调系统可能引起的错误。在应用RCC之前，首先测量两个空调系统的耗电量。然后，根据基线数据对应用RCC后两个空调系统的实际耗电量进行归一化。

图9. 在 EnergyPlus 中验证模拟程序。

图10. 模拟不同气候区域夏季设计日的室内空气及屋顶温度。

图3.

图11.模拟不同气候区的每月制冷负荷。

图12. 模拟不同气候区的每月供热负荷

图13. 不同气候区年能量负荷的比较

图14. 考虑RCC的不同太阳反射率，不同气候区域金属容器办公室的年能量负荷：（a）太阳反射率为90%;（b）太阳反射率为95%。

结论与展望

这项研究开发了一种辐射冷却涂层（RCC）材料，并将其应用于香港一个建筑工地上的金属集装箱办公室，以提高能源效率。研究通过实验和模拟相结合的方法，评估了RCC在不同气候条件下的节能效果。实验结果显示，与原始白色涂层相比，RCC在香港的气候下能够将集装箱办公室的表面温度降低多达18℃，节省23.5%的电力消耗。模拟研究进一步表明，RCC在不同地区的年度冷却负荷节省率从22.43%到65.85%不等，但同时也会带来不同程度的加热负荷增加，导致某些地区的总能量节省率下降。此外，研究还发现，RCC的太阳反射率越高，在冷却需求为主的地区可以带来更多的年度能量节省，而在加热需求较大的地区则会增加加热负荷。例如，当RCC的太阳反射率从85%提高到95%时，香港的总节能率从19.2%增加到30.93%，而其他四个城市则相反。总体而言，这项研究证实了RCC在建筑冷却节能方面的巨大潜力，同时也指出了其在某些地区可能带来的加热负担问题，这一问题需要在学术研究和实际应用中得到更多关注。

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