Applied Energy：光谱选择性节能窗的制冷效果研究

论文信息：

J. H. Pu, Y. X. Li, D. Xu, C. Shen, L. Lu, A quantitative investigation on the cooling benefits of retrofitting building skylights with broadband-spectrum selectivity in China, Applied Energy 381, 125101 (2025).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.125101

研究背景

光谱选择性设计为提高窗户的能源效率提供了一种有前景的解决方案。目前大多数光谱调节策略主要集中在建筑立面窗户上，追求高近红外（NIR）反射率和低红外（IR）发射率。然而，在天窗场景中，低红外发射率通常是不理想的，因为它会阻碍辐射天空制冷。本研究通过开发PDMS/ITO/PET柔性薄膜，提出了一种针对天窗的光谱调节策略。除了86%的高可见光透过率外，该聚合物薄膜可减少20%的室内太阳得热，并将辐射天空制冷性能提高16%。在香港进行的实验表明，用这种薄膜改造透明天窗可使室内空气温度降低4.7°C，证明了其在炎热地区的卓越节能潜力。为了进一步评估其在不同气候条件下的可行性，在中国371个城市开发并应用了一个瞬态模型。在中国不同气候区，用PDMS/ITO/PET薄膜改造透明天窗可使室内排热量达到0.61GJ/(m²・年)至1.34GJ/(m²・年)。鉴于其灵活性和节能潜力，预计PDMS/ITO/PET薄膜可为建筑天窗改造提供一种可持续的解决方案。

研究内容

目前，建筑中光谱调节策略的主要焦点集中在建筑立面窗户或不透明的建筑围护结构上。相反，透明天窗的精确光谱控制在研究中仍相对较少被探索。为了实现天窗的理想光学性能，本研究设计了一种PDMS/ITO/PET多层柔性薄膜。PDMS有助于实现高发射率，而ITO有助于实现高近红外反射率。这种柔性薄膜可用于改造现有的透明天窗或建造新的天窗，为节能建筑提供通用解决方案。在本研究中，为了探索光谱选择性设计的节能潜力，进行了户外实验演示，并在中国371个城市开发并应用了一个瞬态模型。通过对这种光谱选择性设计的深入研究，本研究旨在为建筑的未来可持续发展提供一些有用的线索。

图1.（a）PDMS/ITO/PET薄膜的示意图，（b）相同温度下不同表面的红外图像，（c）ITO薄膜的SEM图像，（d）不同光学材料的光谱透射率，（e）不同光学材料的MIR发射率，（f）和（g）不同发射角度的PDMS和透明玻璃的发射率。

图1a展示了PDMS/ITO/PET薄膜的示意图。为了展示PDMS/ITO/PET薄膜的发射率增强效果，图1b比较了在相同表面温度32.5°C下PDMS/ITO/PET薄膜、ITO/PET薄膜和透明玻璃的红外图像。红外图像中显示的不同颜色定性地表明，在这些样品PDMS/ITO/PET薄膜具有最高的发射率，因为它在屏幕上显示出最高的温度值。图1d显示了PDMS/ITO/EPT薄膜、300μm厚的PDMS层、ITO/PET薄膜和透明玻璃在太阳光谱中的透射率。PDMS中的化学键在NIR波段表现出轻微的吸收。然而，在可见光波段，PDMS表现出比透明玻璃更高的透射率，这主要是因为PDMS的折射率（约1.41）低于玻璃（约1.52）。PDMS的这种较低折射率使其能够用作玻璃上的抗反射层，将VIS反射率降低约1.2%。如图1d所示，PDMS/ITO/PET薄膜在整个太阳光谱中表现出比ITO/PET薄膜更高的透射率。透明玻璃的可见透射率约为91%，而使用PDMS/ITO/PET薄膜改造透明玻璃可以确保可见透射率在86%以上。另一方面，如图1e所示，PDMS层在中红外（MIR）波段也表现出很强的发射率。在大气窗口内，PDMS层的发射率范围约为0.9至0.96，而透明玻璃的发射率范围为0.45至0.96，ITO低于0.2。此外，如图1f和g所示，PDMS在不同发射角度下的红外发射率比标准玻璃具有显着优势。这些参数突出了PDMS卓越的天空辐射冷却潜力。通过将PDMS和ITO的光学特性结合在一起，可以预见PEMD/ITO/PET薄膜有望降低建筑空间的冷却能耗。

在晴朗的天空条件下，直射太阳辐射和漫射太阳辐射的SPD被视为太阳高度角的函数，如图2（a）和（b）所示。在多云条件下，太阳直射束和漫射太阳辐射的SPD被认为与太阳总辐射成正比，如图2（c）所示。

图2.（a）直接太阳辐射，（b）漫射太阳辐射和（c）由SMART模型计算的总太阳辐射[51]，（d）不同水平PWV的大气透射率的SPD。

图3.天窗传热路径的示意图。

图4.（a）传感器在实验室中的布局;（b）实验装置的图片;（c）晴天窗和光谱选择性天窗的室内温度;（d）晴朗天窗和光谱选择性天窗的室内太阳辐射水平。

图4（c）和（d）所示的比较显示室内空气温度和室内太阳辐射存在显著差异。带有PDMS/ITO/PET薄膜的腔室的室内空气温度显着降低了4.7°C，室内太阳辐射水平降低了约20.8%。这些结果强调了这种薄膜在减轻室内太阳热增益方面的潜力。

图3a显示了四种涂层的测量孔隙率。保持最低量的粘合剂会导致最高的孔隙率约为40%。然后测试了四种涂层在太阳光谱（0.25-2.5μm）的反射率，结果如图3b所示。可以观察到，反射率随着孔隙率的增加而增加，其Rs值分别为94.6%、87.3%、80.8%、70.7%（图3c）。此外，图3d表明，当厚度达到0.4mm时，透射率降低至0.015。随后增加涂层厚度并没有显著提高反射率，这表明0.4mm的涂层厚度是足够的。

图5.（a）测试和计算透明玻璃的室内水平太阳辐射，（b）测试和计算光谱选择性天窗的室内水平太阳辐射，（c）测试和计算的太阳辐射之间的比较，（d）测试和计算的透明玻璃的玻璃表面温度，（e）测试和计算的光谱选择性玻璃的玻璃表面温度，以及（f）测试和计算的玻璃表面温度之间的比较。

在图5中，对测量和计算的室内水平太阳辐射与天窗的表面温度进行了比较。图5中描述的结果证明了光学模型在预测太阳能透射方面的准确性，透明玻璃的相对误差为2.78%，PDMS/ITO/PET改造玻璃的相对误差为3.56%。此外，热模型表现出精确的温度预测，透明玻璃的平均偏差为1.67°C，PDMS/ITO/PET改造玻璃的平均偏差为1.47°C。这些模型为透明和光谱选择性天窗提供了可靠的性能预测，表明它们适用于广泛的仿真任务。

结论与展望

光谱选择性设计为窗户的节能增强提供了一种有前途的解决方案。而目前的光谱调节策略主要针对建筑物立面的窗户，旨在增强太阳近红外反射和降低MIR发射率。但是，在天空光照场景中，低IR发射率对于辐射天空冷却是负的。本研究提出了一种灵活的天窗光谱调节策略，使用PDMS/ITO/PET柔性薄膜来提高NIR反射率，同时提高MIR发射率。在这项研究中，在香港实验证明了使用薄膜改造透明天窗的节能性能，然后开发了一个瞬态模型来评估其在中国371个城市的性能。