综述：战略性地应用被动式日间辐射冷却技术以降低建筑制冷需求：一种兼顾成本与节能的多目标优化方法

《Energy and Buildings》：Strategic application of passive daytime radiative cooling to minimize building cooling demand: A multi-objective optimization balancing cost and energy savings

　　索阿德·阿博卡米斯·穆萨维，塞浦路斯吉尔尼阿尔金创意艺术与设计大学设计学院

摘要
在炎热气候条件下，降低建筑制冷需求是一项重要挑战，因为通过窗户进入的太阳热量占据了能源消耗的大部分。本研究探讨了在建筑垂直表面应用被动式日间辐射冷却材料作为一种具有成本效益的节能策略。首先建立了太阳辐射模型，以量化不同窗户朝向所受到的定向辐射，随后运用基于萤火虫算法的优化方法来确定最有效的覆盖策略。与依赖全表面覆盖的传统方法不同，本研究表明选择性定向应用的价值，发现朝南的表面是太阳热量吸收的主要来源。所提出的优化框架在节能与经济成本之间取得了平衡，表明无需全表面覆盖即可实现显著的制冷需求降低。基准配置下的年制冷需求高达4195.7千瓦时，而全表面覆盖虽可将需求降至897.5千瓦时，但成本却高达1260美元。优化后的配置则实现了1540.1千瓦时的制冷需求（相比基准水平节省63%），且投资成本仅为630美元。敏感性分析进一步证实了制冷系统效率及PDRC材料的反射率对整体性能的重要影响。本研究通过将太阳辐射建模与多目标优化相结合，为可持续建筑设计中先进辐射材料的战略部署提供了方法论与实践指导。

引言
实现建筑净零能耗是可持续发展的核心目标，因为建筑在全球能源消耗及相关的温室气体排放中占据着重要比例。零能耗建筑通过整合高效能设计、可再生能源以及先进的建筑技术，在保证居住舒适度的同时最小化运营能耗。在塞浦路斯这样的炎热地中海气候地区，高强度的太阳辐射以及漫长的制冷季节使得制冷需求成为建筑能耗的主要组成部分[1]、[2]。采用被动式策略可大幅减少对高能耗机械系统的依赖。在该地区推广零能耗建筑不仅能减轻环境影响，还能提升能源安全、降低公用事业成本，并推动可持续城市发展，因此成为建筑师、工程师和政策制定者亟需解决的重要问题。

被动式日间辐射冷却技术作为一种无需外部能量输入即可降低建筑制冷负荷的极具前景的策略，近年来逐渐受到重视[3]。与传统依赖电力且会增加峰值能耗的制冷技术不同，PDRC涂层能够被动反射入射的太阳辐射，同时通过大气透明窗口释放热能。这种双重作用使得涂有PDRC材料的表面即使在直射阳光下也能保持比环境温度低几度，从而降低室内热量吸收，减少对机械空调系统的依赖[4]。若能策略性地应用于建筑的外围结构，如屋顶、墙面和玻璃窗，PDRC可显著降低制冷能耗，因此在像塞浦路斯这样的炎热气候地区的可持续建筑设计中具有重要作用。

PDRC的有效性源于其独特的光谱特性：在紫外线和可见光波段（0.3–2.5微米）具有高太阳反射率，同时在中间红外大气透明窗口（8–13微米）内具有强热辐射率。通过反射大部分入射的太阳辐射，PDRC表面可最大限度地减少太阳热量吸收，同时将吸收的热量通过红外透明窗口辐射到外太空，因为该区域的大气吸收作用极弱[5]。这种辐射冷却机制使得表面即使在白天的最强光照条件下也能散热，从而实现低于环境温度的冷却效果。材料科学的进步，如基于聚合物的复合材料、光子结构以及纳米粒子涂层，进一步提升了这些光谱特性，增强了材料的耐用性、光学选择性和成本效益[6]、[7]、[8]。因此，PDRC代表了被动式热管理技术领域的重大创新。

尽管实验研究已显示出PDRC出色的制冷潜力，但将其实际应用于建筑过程中仍面临诸多挑战[9]。一个关键问题是确定应在哪些建筑表面上涂覆该材料以实现最大程度的节能效果，因为不同朝向的建筑物所受到的太阳辐射强度差异极大。在玻璃表面，减少太阳热量吸收的同时还需兼顾自然照明的需求，这引发了关于室内照明质量的担忧。此外，材料成本和规模化应用可行性也是重要考量因素，因为大规模应用PDRC涂层未必总是具有经济可行性。这些不确定性凸显了在将PDRC作为大规模制冷解决方案之前进行细致、针对具体场所的评估的重要性[10]。

为克服这些挑战，本研究采用了基于萤火虫算法的非线性多目标优化框架。该方法能够同时评估多个相互冲突的目标，如最小化制冷需求、最大化节能效果以及降低材料成本，同时还能考虑立面朝向和太阳辐射强度的变化。通过探索大量可能的PDRC应用策略，萤火虫算法能够找到超越传统试错方法的平衡解决方案。这种基于优化的思路为确定应在何处以及以何种程度应用PDRC覆盖提供了系统化的方法，从而确保建筑应用中的能源效率与成本效益。

在本研究中，所研究的PDRC材料属于一类基于硅酸钙（CaSiO3）或聚合物-陶瓷复合结构的先进辐射冷却涂层，相关研究成果已见近期文献报道。这类材料具有较高的太阳反射率（在0.3–2.5微米波段通常超过0.90），同时在中间红外大气透明窗口内具有强热辐射率，因而能够实现有效的被动式日间辐射冷却。对于窗户应用而言，PDRC层被设想为一种薄薄的、透明或半透明的涂层或薄膜，施加在玻璃窗的外表面，能够在太阳辐射进入建筑之前将其反射出去，同时仍保持一定的日光透过率。

从实际应用角度来看，根据基底材料和配方不同，可采用卷对卷复合膜、喷涂或浸涂等商业上可行的技术来安装PDRC层。该涂层可直接粘贴在现有玻璃表面，而不影响窗户的结构完整性，因此既适用于新建建筑，也适合改造项目。在本研究中，假设该材料会均匀地施加在每个窗户区域的可控比例上，这一比例即为优化框架中的决策变量。

向零能耗建筑的转型需要既有效又具有经济可行性的创新制冷策略，尤其是在塞浦路斯这样的炎热气候地区。PDRC被视为一种有前景的解决方案，但在其实际应用于建筑外围结构时，仍有若干基本问题尚未得到解答。本研究旨在解决以下研究问题：
- 为获得最大的制冷需求降低效果，应优先在哪些窗户朝向和表面上应用PDRC？
- 在玻璃立面上应用PDRC时，如何平衡制冷性能与自然日光透过率之间的关系？
- 当在不同窗户区域扩大PDRC材料的覆盖范围时，节能效果与投资成本之间应如何取得平衡？
- 像萤火虫算法这样的非线性优化算法，能否有效找到一种成本效益高的应用策略，在不过度增加材料投入的情况下实现最大的节能效果？

通过系统地研究这些问题，本研究旨在为在注重能源效率的建筑设计中战略性地整合PDRC技术提供方法论框架与实用指导。

近年来，无论是在材料科学还是系统级应用方面，PDRC技术都取得了显著进展。[3]中的研究对PDRC进行了基础性综述，详细阐述了其背后的辐射机制、光谱选择性要求以及新兴的材料结构。他们的研究强调了PDRC能够在大气透明窗口（8–13微米）内反射太阳辐射并释放热辐射的能力。重要的是，他们指出虽然实验室级别的材料已展现出低于环境温度的冷却效果，但大规模应用仍面临长期稳定性、光学退化以及表面朝向选择等方面的障碍。这凸显出需要开展研究，以弥合实验室性能与实际建筑应用之间的差距。除了材料本身，[11]中的研究还探讨了PDRC对可持续发展目标的贡献。他们的综述强调了PDRC在缓解城市热岛效应、保护农作物以及降低建筑制冷能耗方面的潜力。他们认为PDRC可以补充可持续城市环境中的现有被动式设计策略。然而，他们的讨论主要停留在概念层面，没有对建筑表面进行定量建模，也没有对应用成本进行经济评估，因此关于在现实场景中何处以及如何最有效地应用PDRC仍存在疑问。 [12]则着眼于材料性能，开发了一种基于硅酸钙的PDRC涂层，该涂层具有更高的太阳反射率以及在大气窗口内的高辐射率。实验结果证实，该涂层能够显著降低表面温度，显示出无机材料在制造耐用涂层方面的巨大潜力。尽管这些发现对材料设计具有重要意义，但该研究并未涉及建筑层面的系统性能分析，也未探讨在窗户等大面积表面应用此类涂层时成本因素与节能效果之间的相互作用。

已有多项研究探讨了PDRC在建筑模拟中的应用。[13]中的研究使用EnergyPlus软件评估了建筑屋顶上具有波长选择性的PDRC涂层。他们的模型表明，波长选择性直接影响节能效果，在炎热气候条件下有望降低制冷需求。类似地，[14]中的作者对建筑集成辐射冷却策略进行了全面综述，分析了相关案例研究及仿真工具。他们指出了将PDRC集成到建筑中的种种挑战，尤其是全年度的性能表现、与自然照明的相互作用以及舒适度问题。这些研究提供了重要见解，但大多集中在水平屋顶表面，对窗户等垂直表面的研究相对较少。

透明度是PDRC应用中的另一个关键因素。[15]中的研究探讨了一种用于屋顶玻璃的透明辐射冷却膜，发现其在不严重影响日光进入的情况下具有显著降低制冷需求的潜力。他们的仿真结果表明，这类膜能够兼顾热舒适性与视觉舒适性。此外，[16]还研究了温度适应性强的PDRC材料，指出能够对变化的气候条件做出动态响应，从而提升各类建筑的能量性能。这两项研究都表明，透明度与适应性对于窗户应用至关重要，但它们并未涉及成本效益问题，也未探讨哪些表面朝向能带来最大的收益。

也有研究提出了混合式解决方案。[17]、[18]中的研究介绍了一种将PDRC与太阳能加热相结合的系统，通过利用季节性变化实现全年节能。他们的研究展示了在单一建筑外围结构方案中结合被动式制冷与制热的潜力。[8]中的作者进一步推动了这一方向，他们将基于光谱特性的辐射冷却与建筑能源模拟相结合。他们的研究量化了光谱特性对建筑能源需求的影响，实现了从材料级光学数据到建筑整体性能的衔接。尽管取得了这些进展，但这些研究都忽略了经济因素，也没有对成本与节能效果之间的权衡进行优化。 [19]中的最新研究评估了将辐射冷却技术整合到建筑环境中的技术经济与环境影响。该研究强调了光谱选择性、大气条件以及非辐射热增益对制冷性能的关键影响，同时还介绍了各种材料选项。重要的是，除了技术层面，作者还评估了成本节约、投资回收期以及生命周期影响，表明辐射冷却技术有助于大幅减少温室气体排放。例如，案例研究显示，在牙买加等热带地区，20年内的全球变暖潜力可降低多达40,000千克二氧化碳。此外，研究还显示，每月的电能节约量从1月的2853千瓦时增加到8月的15,700千瓦时以上，进一步证明了辐射冷却性能的强烈季节性特征。

综上所述，现有文献充分证明了PDRC技术在降低建筑制冷需求方面的技术可行性和巨大潜力。然而，目前仍存在三个主要缺陷：首先，大多数研究集中在屋顶和一般建筑外围结构上，而那些在阳光直射下对制冷负荷起着重要作用的垂直窗户表面却鲜有研究。其次，以往的研究往往单独评估节能效果或材料的光学特性，而制冷需求降低、日光透过率与材料成本之间的平衡问题则几乎没有得到重视。第三，建筑能源研究中的优化研究多采用参数化或确定性方法，尚未运用萤火虫算法这类非线性多目标算法来决定如何在不同的立面朝向上以最具战略意义且成本最低的方式应用PDRC。为弥补这些不足，本研究提出了一种基于多目标萤火虫算法的优化框架，用于评估在塞浦路斯某案例建筑中垂直窗户上选择性应用PDRC涂层的效果。通过明确平衡节能与经济投资，本研究将现有关于PDRC的文献从材料科学和概念分析领域拓展到了实际、针对特定表面且以优化为驱动的建筑应用层面。该研究在节能建筑设计及被动冷却策略领域做出了多项重要贡献：

- 针对不同朝向的PDRC部署优化方案：虽然基于朝向的优化方法已应用于遮阳装置、低辐射涂层以及建筑一体化光伏等其他太阳控制技术，但其在PDRC材料上的应用仍鲜有研究。本研究提出了一个系统化的框架，用于有选择地、根据不同朝向在建筑立面部署PDRC材料，证明全覆盖并不总是最具经济性。研究还确定了能够实现显著节能效果的同时又能降低投资成本的朝向特定部署策略。

- 分段式太阳辐射建模的整合：研究者为垂直建筑表面开发了详细的太阳辐射模型，用以量化南、北、东、西四个朝向的辐射强度。这有助于准确估算冷却负荷，并确定最适合实施被动冷却措施的表面。

- 多目标优化框架：研究采用了萤火虫算法来平衡相互冲突的目标，从而找到最优配置，在降低年度冷却需求的同时最小化材料成本。该框架为被动冷却设计中的决策制定提供了系统化的方法。此外，本研究还运用改进版的萤火虫算法（IFA），以确定不同表面上PDRC材料的最佳覆盖率。

第2节介绍了所提出的方法论框架，包括基于萤火虫算法的非线性多目标优化方法，用于确定建筑窗户上PDRC涂层的最佳分布方式。第3节阐述了相关的数学模型，包括太阳辐射建模、可见光透射率计算，以及如何定义兼顾冷却需求降低与成本控制的多目标问题。第4节展示了模拟与优化结果，重点分析了最低成本、最大节能效果以及平衡型配置的案例。第5节对研究结果进行了技术层面的讨论，包括对冷却系统性能和材料反射率的敏感性分析，以及其对可持续建筑设计更广泛的启示。最后，第6节总结了本研究的主要贡献、实际建议以及未来的研究方向。

**方法论**
本节介绍了本研究采用的方法论框架。其目标是确定建筑窗户上PDRC材料的最佳覆盖比例，在实现节能效果的同时控制全生命周期成本。该方法结合了用于建模太阳辐射、冷却需求以及PDRC性能的结构化工作流程，以及基于改进版萤火虫算法的元启发式优化程序。2.1小节详细阐述了所提出的优化框架及其具体步骤。

**数学模型**
本节介绍了用于量化建筑窗户上的太阳辐射强度、评估应用PDRC材料后冷却需求降低程度的数学模型，同时还明确了用于平衡冷却需求降低与成本控制的多目标优化问题的构建方式。

**数值研究及结果**
本节介绍了为评估所提优化框架性能而进行的数值分析。内容分为两部分：输入数据，包括与塞浦路斯地区相关的太阳辐射数据、立面朝向、材料属性及系统参数；输出结果，则展示了通过萤火虫算法得出的优化后的冷却需求值、节能效果以及成本对比情况。分析中还包含了可视化结果。

**讨论**
实现零能耗建筑的目标需要创新的被动冷却解决方案，这类方案能在减少对机械系统依赖的同时保持经济可行性。PDRC材料被视为最具前景的解决方案之一，但其大规模应用却受到成本、材料性能以及不同地点太阳辐射条件的限制。本研究通过针对塞浦路斯一栋典型建筑应用多目标优化框架，解决了这些难题。

**结论**
本研究提出并应用了一种多目标优化框架，用于规划建筑表面PDRC材料的战略性部署，旨在在控制投资成本的同时降低冷却需求。通过塞浦路斯的一个典型案例，该方法结合了针对特定立面的太阳辐射建模、PDRC性能评估，以及以萤火虫算法作为优化工具。研究结果证实，朝南的立面起着至关重要的作用，仅这一朝向就占据了超过……

**作者贡献说明**
Soad Abokhamis Mousavi：论文撰写与修改、初稿撰写、研究指导、资源协调、方法设计、形式分析、数据整理、概念构建。

**利益冲突声明**
作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
无。