集成太阳能光热利用与辐射冷却的温度自适应热激活墙体的节能性能

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Energy-saving performance of a temperature-adaptive thermally activated wall integrated with solar photothermal utilization and radiative cooling

　　

# 摘要

建筑围护结构在调节室内外热交换方面起着至关重要的作用，这催生了对能够降低变化气候条件下能耗的自适应系统日益增长的需求。热激活墙体通过嵌入式水循环层来调节热量传递，但在快速变化的条件或高外部热负荷下，其热响应和散热能力可能仍然受限。为解决这一问题，本研究开发了一种温度自适应的热激活复合墙体，集成了太阳能光热利用、辐射冷却和水循环热交换功能。该系统由超疏水一体化加热与冷却（SAHC）涂层、多层墙体组件以及嵌入式水循环层组成。该涂层在低温下从太阳能吸收状态转变为高温下的高反射状态，同时在8-13 μm大气窗口中保持高发射率。通过光谱表征、24小时户外实验和EnergyPlus模拟，对其光学性能、瞬态热响应、模型精度、室内热性能和节能潜力进行了评估。在高温条件下，该涂层将外表面温度从48°C降至34°C；而在低温条件下，则将表面温度从7°C提升至55°C。该模型以2.84%的平均绝对百分比误差（MAPE）重现了墙体表面温度，尽管在水侧热传递预测中观察到较大的不确定性。除严寒和寒冷地区外，年室内热舒适度保持在可接受范围内，节能率超过90%。这些结果表明，所提出的墙体在不同气候条件下在自适应热调节和节能方面具有潜力。

# 引言

随着全球向碳中和过渡的加速以及可再生能源系统渗透率的不断提高，建筑行业正在经历从被动的能量消费者向整合能源系统中主动、自适应和能源灵活的组成部分的根本性转变[1,2,3]。在此背景下，提高建筑运行能效已成为实现低碳和净零能源目标的关键途径。然而，传统建筑围护结构主要依赖被动保温和固定的热阻，这限制了其有效应对动态内外边界条件的能力[4,5]。除可再生能源系统带来的运行波动外，天气变化和区域气候条件也是影响围护结构热行为的主要因素。室外空气温度、太阳辐射、风速、湿度、云量以及季节气候变化都可能显著改变围护结构的热交换以及建筑的供暖和制冷需求[6,7]。因此，越来越需要开发能够主动调节能量流的自适应建筑围护系统，通过协调太阳能热增益、辐射散热、蓄热、热传递路径和热量释放过程，以响应不断变化的环境条件。

热激活建筑围护技术（也称为主动保温技术）旨在通过主动改变围护结构保温层内的温度梯度，以低能耗维持室内温度[8]。该技术是基于利用建筑中的低品位能源以及建筑围护结构动态可调热物性概念的一种热工程尝试。通过在建筑围护结构内部嵌入水管并循环低温热水或其他低品位能源，形成热激活层。该热激活层将冷/热量传递到外部，从而干预建筑围护结构的温度，补偿热损失并减少建筑的热负荷[9,10]。热激活层的引入将建筑围护结构从传统的静态组件转变为具有动态可调热物性的系统[11]。与传统被动节能技术不同，热激活围护系统的关键优势在于其"动态热阻"，可根据室外气候条件进行调整[12]，从而使建筑围护结构的热性能从静态固定参数转变为动态可调模式。先前的研究表明，与传统被动保温技术相比，热激活围护系统通过调节循环流体的流量和温度，可以有效调节热流，从而显著降低建筑能耗并改善室内热舒适度[13]。

然而，热激活墙体主要通过水暖运行调节内部热传递，而其外表面通常仍然是一个被动边界。在强太阳辐射或高外部热负荷条件下，如果不引入额外的表面散热机制，其散热能力可能有限[14]。辐射冷却技术是一种被动冷却技术，通过长波热辐射将热量散发到冷天空或外太空，尤其是在大气窗口范围内[15]。其核心原理是利用地球大气层在特定波长（8-13 μm）下的红外辐射，以电磁波形式直接将热量散发到外太空，从而实现零能耗冷却[16,17,18]。由于其零能耗运行、性能稳定且环保，辐射冷却技术在建筑节能领域受到了越来越多的关注。目前，辐射冷却材料主要集成到建筑围护结构组件中，包括屋顶、墙体和窗户。通过增强围护结构外表面的长波辐射散热，这些材料可以有效降低围护结构表面温度和室内制冷负荷，从而减少暖通空调能耗[19,20,21,22,23,24]。在这些应用中，将相变材料（PCM）与热辐射散热技术相结合的辐射冷却墙体展现了良好的应用潜力[25,26]。在白天，相变材料的潜热储存能力有助于降低室内温度；而在夜间，储存的热量通过长波红外辐射释放到外太空，形成一个闭环热管理系统[27,28,29]。该技术可以显著降低建筑运行期间的能耗强度和碳排放水平，是被动冷却和改善建筑围护结构热管理能力的有效途径[30]。

近年来，辐射冷却技术在建筑节能领域受到了越来越多的关注。随着全球能源危机和气候变化的加剧，研究人员一直在积极探索高效环保的建筑冷却策略。目前，各种辐射冷却材料已被开发出来，其在建筑围护结构中的应用不断扩展，展现出巨大的潜力[31,32,33,34]。例如，Wang等人[35]研究了将日间辐射冷却材料应用于商业建筑屋顶的节能潜力。其模拟结果表明，由于高太阳反射率和高红外发射率的结合，辐射冷却屋顶可降低制冷能耗21.2%-65.2%，证明了将辐射冷却材料集成到建筑围护结构中的可行性。同样，Suhendri等人[36]使用CFD和EnergyPlus模拟研究了太阳能加热与辐射冷却（SHRC）混合系统的节能潜力，结果显示供暖和制冷的年节能率约为32.7%。

目前，建筑中辐射冷却的研究主要集中在材料创新、结构优化、智能控制和多技术耦合方面。通过提高辐射冷却材料的太阳反射率和红外发射率，可以持续改进辐射冷却系统的性能，并逐步推动其在零能耗建筑和绿色建筑中的应用。具体而言：(1) 材料创新，包括开发多层薄膜、纳米材料和光子结构以实现高太阳反射率和强红外发射率，以及低成本聚合物和复合材料；(2) 结构优化，通过多层薄膜结构设计和纳米表面结构调控，优化材料在太阳光谱和中红外波段的谱响应特性，从而提高辐射冷却能力；(3) 智能控制，涉及结合环境温度、太阳辐射强度等开发自适应调节策略，并与建筑管理系统（BMS）集成，实现建筑能耗的智能管理；(4) 多技术耦合，将辐射冷却与太阳能光热系统和相变材料（PCM）结合，通过蓄能和散热的协同效应增强热调节，从而提高建筑能源利用效率[37,38,39]。在这些研究方向中，辐射冷却与蓄热以及自适应光学调节的集成对于克服静态材料的局限性、提高建筑围护结构的全年热性能尤为重要。

先前的研究将辐射冷却材料与相变材料（PCM）耦合，以增强蓄热并调节夜间放热，展示了表面辐射热交换与建筑围护结构热惯性相结合的可能性。然而，这些系统主要依赖于潜热储存和释放，通常缺乏直接调节太阳光学性能以响应温度变化的能力。本研究采用了一种不同的自适应调节机制，通过将热致变色温度自适应涂层与热激活墙体相结合。温度自适应辐射材料近年来因其动态调节建筑表面与室外环境之间辐射热交换的能力而受到越来越多的关注。其中，热致变色材料在自适应太阳控制方面尤为 promising，因为其光学性能可随温度可逆变化。此类材料可在低温条件下增强太阳能吸收，在高温条件下增加太阳反射率。当与大气窗口内的高中红外发射率相结合时，热致变色辐射涂层可以同时提供寒冷条件下的太阳能辅助加热和炎热条件下的辐射冷却[40,41,42]。与传统的静态辐射冷却材料相比，热致变色涂层提供了更强的季节适应性，有助于缓解夏季制冷需求与冬季供暖需求之间的不匹配。

然而，仅靠材料层面的光谱自适应无法完全调节通过建筑围护结构的热传递，这凸显了需要将自适应表面控制与主动内部热传递机制相结合的必要性。尽管热激活建筑围护结构和辐射冷却技术取得了重大进展，但其单独应用仍面临一些局限性。辐射冷却性能高度依赖于气象条件，而热激活墙体主要依靠内部水暖热传递和蓄热，这可能导致对室外条件快速变化和建筑热负荷的响应延迟。此外，传统辐射冷却表面通常具有固定的光学性能，在寒冷条件下可能引起过度的辐射热损失。基于相变材料的系统虽然能有效增强蓄热，但无法直接调节太阳热增益。为克服这些局限性，本研究开发了一种温度自适应热激活复合墙体，由两个关键组件组成。第一个是热致变色超疏水一体化加热与冷却（SAHC）涂层，能够根据温度自适应调节太阳吸收和反射，同时在大气窗口中保持高发射率。在低温条件下，该涂层增强太阳能吸收以促进光热加热；而在高温条件下，它增加太阳反射率并促进辐射散热。第二个组件是热激活墙体，集成了嵌入式水循环层，通过水暖热交换和蓄热调节内部热传递。通过将SAHC涂层与水循环层相结合，所提出的墙体将外表面光谱调节与内部主动热传递耦合，从而实现对围护结构内太阳热增益、辐射散热和热量传递的协同控制，如图1所示。这种集成配置使墙体能够在低温条件下增强太阳能光热利用，在高温条件下促进辐射冷却，并通过水循环进一步调节围护结构的瞬态热响应。因此，本研究系统地调查了所提出的复合墙体的光学特性、瞬态热行为、室内热性能和节能潜力。首先，制备了SAHC涂层，并通过实验表征了其温度依赖的颜色转变、太阳光谱性能和中红外发射率。随后，在高温和低温条件下进行了24小时户外实验，以评估SAHC涂层与嵌入式水循环层的瞬态温度响应、热传递特性和协同效应。最后，建立了EnergyPlus模型并与实验结果进行了验证，然后应用于评估在不同运行模式和气候条件下所提出的墙体系统的室内热环境、热舒适度和年节能潜力。

# 方法

本研究的总体方法包括四个主要步骤。首先，开发了一种温度自适应超疏水一体化加热与冷却（SAHC）涂层。然后通过集成涂层层、多层墙体组件和嵌入式水循环层来构建热激活墙体。其次，通过实验表征了所提出系统的材料性能和热调节性能。

SAHC涂层的紫外-可见光谱特征如图8所示。在紫外区和可见光区（300–780 nm）内，SAHC涂层的吸收率保持在75%以上。由于纳米颗粒的存在，其近红外区（780–2500 nm）的吸收率为22.18%–29.66%。该紫外-可见光高吸收率特性表明该涂层具有良好的制冷辐射能力，能够以辐射方式高效地向外层空间耗散热量，从而实现制冷效果。

SAHC涂层的外墙在户外环境下的实测热性能。室外环境条件如图9所示。室外环境温度、湿度和太阳辐射的实测值以及天气条件如表4所示。在整个测试期间，室外温度在31–36°C之间，太阳辐射在100–950 W/m2之间变化。室内环境参数如图9(c)所示，其中包含室内平均温度、湿度、空气流速和风速。室内平均温度从26.5–28.0°C（上午7点至下午6点）降至25.0–26.4°C（下午6点至次日上午7点），湿度范围为22.5–37.7%，室内平均空气流速保持在0.1 m/s左右。由于自然通风系统的应用，室内风速达到0.21–0.31 m/s。

为了评估SAHC涂层的实际节能潜力，本研究进行了实验测试以表征其热性能，同时采用建筑能耗模拟方法进行验证。模拟模型的准确性通过平均绝对百分比误差（MAPE）进行评价，该指标用于量化实验观测值与模拟值之间的相对偏差[44]。对于每个实验案例，MAPE根据以下公式计算。MAPE值越小，代表模拟结果与实测数据之间的吻合度越高，表明模型可靠性越强。

MAPE = (100% / n) × Σ(t=1到n) |At ? Ft| / At

其中：At为t时刻的实验值；Ft为t时刻的模拟值。

结论

本研究系统地对温度自适应超疏水一体化加热与制冷（SAHC）涂层的紫外-可见光谱特性进行了表征和分析，在户外条件下实验评估了复合墙体的实际热性能，并通过建筑能耗模拟进一步评估了其节能潜力。得出以下结论：

(1) 该复合墙体结构展现出优异的温度自适应热调节能力。