浙江大学范利武教授课题组Applied Energy：我国住宅建筑侧壁表面辐射冷却性能的现场试验与评价

近年来，许多研究已经开发出能够实现亚环境冷却的辐射冷却材料，其在建筑屋顶上的应用已经成功地降低了建筑的冷却负荷。然而，目前还缺乏对辐射冷却材料应用于建筑外表壁的冷却效果的研究。基于此，浙江大学范利武及其合作者选择浙江省一栋典型多层建筑的中间室和侧室作为对照组和实验组，通过测量壁面的热通量，计算出两套中间室的平均冷却功率分别为0.8 W/m2和1.0 W/m2，侧室的平均冷却功率为1.0 W/m2。然后使用EnergyPlus代码开发了一个住宅建筑的模型。通过“其他设备”模块将测量到的辐射冷却有效冷却功率嵌入模型中，解决了辐射冷却材料在不同角度的光谱选择性导致的节能效果预测的偏差问题。经测量结果验证后，利用该模型对辐射冷却的侧壁进行了节能性能评价。与传统的侧壁相比，中国“夏热冬冷”地区住宅建筑侧壁采用辐射降温时，降温季（5月至10月）的节能率高达1.5 %。该研究为辐射冷却技术在类似气候条件下的应用和推广提供了可靠的数据库和科学的理论依据。相关工作以A field test and evaluation of radiative cooling performance as applied on the sidewall surfaces of residential buildings in China发表在Applied Energy期刊。

2.1 建筑选择与试验规划

本文住宅楼如图1所示：建筑位于河流以东，与其他三栋同时向西、南和北建造的宿舍楼一起形成一个典型的住宅区。在实验期间，该建筑没有运行，整个建筑内没有一个房间有任何热源，如空调或照明。2楼房间作为实验组，3楼房间作为对照组。由于中间房间应用的辐射冷却材料面积小，因此选择两种类型的房间（R1和R4、R2和R5），以最大限度地减少外部干扰引起的误差。为了防止房间内部和外部之间的空气对流对测试结果产生重大影响，采用了与窗户尺寸相匹配的木板进行密封。鉴于木板的导热性低，本研究假设室内环境和外部环境之间的热交换主要通过墙壁进行，中间房间通过窗台墙传递热量，侧室通过侧墙和窗台墙传递热量。在这个实验中，集总参数法用于测量侧壁内侧和外侧的温度。在墙的内表面和外表面上选择了几个测量点，将PT100温度传感器安装在距离墙面5 cm的地方，以尽量减少空气对流的影响。

图1：住宅楼方位及施工测试图

2.2 辐射冷却材料的应用和表征

该涂料专为水泥外墙设计，采用轧制方法对建筑物的外部进行涂层。在施工期结束时，从R4、R5和R6壁的外表面采集样品，以测量辐射冷却材料的光学特性。这种辐射冷却材料在太阳光谱中的平均反射率为0.89，“大气窗口”范围内的平均发射率为0.95。随着实验的进行，辐射冷却材料受到太阳辐射和降水等自然因素的影响，导致其光学特性不可避免地下降。在测量结束时，材料的平均反射率记录为0.84，其平均发射率测量为0.93。实验前后的反射率和发射率光谱如图2所示。

图2：实验前后辐射冷却材料的光学特性

2.3 辐射冷却性能的现场测试结果

将中间房间分为两组进行比较分析：R1和R4（图3），以及R2和R5（图4）。实验期为2023年4月19日至2024年1月2日，共259天。R1和R4辐射冷却材料的冷却效果在冬季较高，在夏季较低。记录的最大冷却功率为12月中旬的11.9 W/m2。监测期间的平均冷却功率为0.8 W/m2，夏季的平均制冷功率为0.6 W/m2，R2和R5最大冷却功率为 9.4 W/m2，平均冷却功率为1.0 W/m2，夏季的平均制冷功率为0.6 W/m2。两组实验结果表现出一致性和最小差异，表明实验结果的可靠性。

图3：R1和R4的实测温度数据和有效冷却功率

图4：R2和R5的实测温度数据和有效冷却功率

与中间房间相比，侧室（R3、R6）表现出不同的几何尺寸，侧墙的结构与窗台墙的结构不同。但侧室的实验期与中间室的实验期相同。在实验过程中，侧室的整体冷却效果是窗台墙和侧壁同时作用的结果。R6的侧壁和窗台墙上都存在辐射冷却材料，相互作用下，窗台墙最初对室内冷却产生了负面影响。在实验过程中，侧墙的外侧没有保温，因此其对室内环境的影响很可能也影响了窗台墙的降温效果。侧室的两侧壁在测量期间都缺乏保温层，导致壁结构更薄，保温特性更差，从而表现出更好的导热性。夏季，墙体的最大降温功率为16.0 W/m2，平均冷却功率为1.9 W/m2，7月和8月的月平均值分别为2.2 W/m2和 2.8 W/m2。

图5：R3和R6的实测温度数据

图6：R3和R6的热流和平均冷却功率

2.4 测量性能与气象参数之间的相关性

本研究利用自动气象站以半小时为间隔记录室外气象参数，获得了从2023年4月19日00：00到2024年1月2日24：00的完整数据集（图7）。气象参数表现出明显的季节性变化。环境温度在夏季显著升高，在冬季达到最低点，在序列中间表现出较高值的时间趋势，两端均较低。夏季太阳辐射强度高，日照持续时间充裕;它在春季也有相当大的强度，但日照持续时间相对较短，导致曲线上的表示更稀疏。相反，太阳辐射强度在秋冬季节逐渐降低，在冬季达到最低水平。当地湿度全年保持相对较高，夏季始终超过60%。风速表现出一定程度的随机性，全年普遍较低。尽管分析过程中存在数值差异，但总体结论保持一致。辐射冷却材料的冷却效果与太阳辐射强度呈较强的正相关，与环境温度也呈一定程度的正相关，与环境湿度之间存在明显的负相关，与风速表现出相对较弱的相关性。

图7：当地气象数据和相关矩阵

2.5 模型验证及潜力分析

为了验证模型的准确性，首先将R1-R6位置的窗户设置为涂有腻子或辐射冷却材料的木板覆盖，同时去除内部热源和人为移动等，只保留“其他设备”模块，以确保它与实际情况完美匹配。该模型的验证主要是通过比较测得的室内空气温度来进行的，以R1和R4为例，将测得的室内温度与模拟的室内温度进行对比（见图8）。室内空气温度显示出高度相似性，模拟值接近测量值，表明模拟结果与测量数据非常吻合。为了探索辐射冷却材料的最大节能潜力，模拟了目标建筑空调系统的最大负载条件。模型采用恒温活化方法，冷却活化温度为26°C，加热活化温度为18°C。在应用辐射冷却材料之前，目标建筑从5月到10月的空调能耗为387,182 kWh，应用后下降到381,471 kWh，导致制冷季节（5月至10月）的节能率为1.5%。这种节能在7月和8月尤为明显，这是制冷需求的高峰月份，分别可以节省约1314 kWh和1634 kWh的能源。数据表明，辐射冷却材料的应用可以在当地和类似的气候区域产生有效的节能效果，在7月和8月的高耗电量月份实现峰值节能。

图8：模拟值和测量值的比较

小结：本研究通过系统的实验测试、数据分析和能耗模拟技术，揭示了辐射冷却材料应用于中国“夏热冬寒”地区住宅建筑侧墙的冷却效果和节能潜力。本研究不仅为促进住宅建筑侧壁辐射冷却提供了实际数据支持，也为该技术应用于其他具有类似运营和气候条件的地区或国家的脱碳建筑提供了指导。

论文信息：Wang Z Y, Wu X, Qu M L, et al. A field test and evaluation of radiative cooling performance as applied on the sidewall surfaces of residential buildings in China[J]. Applied Energy, 2025, 379: 124961.

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