从光谱调控到建筑能源性能：协同优化动态辐射天空冷却与围护结构热响应

《Energy》：From spectral regulation to building energy performance: Co-optimizing dynamic radiative sky cooling and envelope thermal response

　　

摘要：动态辐射冷却（DRC）材料为自适应建筑围护结构提供了有前景的途径，但其节能潜力不仅取决于光谱切换能力，还取决于切换行为是否与特定气候条件下的供暖和制冷需求相匹配。一个关键且尚未解决的问题是：在不同建筑和气候条件下，DRC材料的光谱特性和转变温度应如何与围护结构的热传导系数进行耦合。为解决这一空白，本研究建立了一个气候自适应协同优化框架，将材料端的光谱调节与建筑端的热响应联系起来。基于两种DRC涂料，系统评估了光谱调节策略、转变温度、围护结构热传导系数、建筑形态和应用表面之间的耦合效应，覆盖了多个气候区。通过分析表面温度动态变化，阐明了DRC改变供暖和制冷需求的机制。此外，进一步比较了不同的光谱调节模式和控制策略，以明确材料设计优先级和部署路径。结果表明，DRC-I实现了更优越的年度节能性能，单层建筑的节能率最高达22.3%。在所研究的场景中，最小能耗通常在15–20°C的标称切换阈值下获得，且优选的围护结构热传导系数具有强烈的气候依赖性。然而，被动表面温度驱动的切换可能表现出过响应，从而限制了可实现的节能潜力，这凸显了自适应需求驱动策略在高效围护结构设计中的重要性。

引言：建筑运行约占全球最终能源消耗的30%，使建筑部门成为碳中和和能源转型战略的核心[1]。在建筑脱碳和季节性气候变化加剧的双重压力下，建筑围护结构越来越被视为一种自适应界面，可以调节室内空间与室外环境之间的热交换[2]，[3]。在此背景下，被动辐射天空冷却材料引起了广泛关注，因为它们可以在抑制太阳热增益的同时，通过大气窗口耗散长波热辐射[4]，[5]。现场研究表明，在峰值太阳辐射条件下，辐射天空冷却表面可使建筑外表面温度降低20–30°C，室内温度降低1.5–2.5°C[6]，[7]，[8]，[9]，节能率达14–42%[10]，[11]。

尽管具有这些优势，静态辐射天空冷却表面在应用于建筑围护结构时面临固有的季节性矛盾。其强大的冷却能力在冬季可能成为劣势，通过减少有益的太阳热增益并增加长波辐射热损失，导致额外的供暖负担[12]。这种季节性矛盾促使了动态辐射冷却（DRC）材料的开发，这些材料可以在冷却和加热状态之间切换（图1a）。DRC材料大致可分为主动型和被动型。主动型DRC材料依赖外部刺激，如手动重构[13]和电气控制[14]，以实现可调的光学特性。相比之下，被动型DRC材料利用固有的温度响应特性，自主地在加热和冷却模式之间切换[15]。理论上，Butt等人[16]证明，在供暖与制冷需求比为2:3的西班牙气候条件下，DRC涂料可为建筑实现2–13%的节能。Zhang等人[17]的实验表明，辐射冷却使夏季能耗降低29.1%，而太阳加热使冬季能耗降低15.6%，展示了其作为季节性自适应围护结构技术的潜力。

然而，从材料级的光谱切换到建筑级节能的转化仍然理解不足。现有的DRC研究大多由材料端指标驱动，如太阳反射率的调制幅度（）、中红外发射率（）和切换温度[18]。由于不同的材料结构和驱动机制，所报道的DRC材料表现出不同的光谱调制特征。例如，Hu等人[19]开发了一种自自适应辐射冷却器，其随温度变化的为约0.3；而Chai等人[20]设计了一种多层DRC结构，通过温度诱导的表面暴露实现了约0.7的变化和0.8的变化。Zhao等人[21]使用水凝胶开发了温度响应智能墙体和屋顶，其太阳吸收率从热态的0.29可逆变化到冷态的0.95。Lu等人[22]将水凝胶与Ti基选择性太阳吸收体和被动NiTi合金驱动器耦合，实现了0.56的太阳吸收率调制幅度和0.82的中红外发射率调制幅度。然而，更大的光谱调制范围并不一定保证更好的建筑能源性能。实际效益取决于切换后的光谱状态是否与特定气候条件下的供暖和制冷需求相匹配[23]。除了光谱调制幅度外，转变温度决定了不同DRC模式的年度运行时长。过低的转变温度可能在需要太阳热增益时使围护结构保持在冷却模式下，而过高的转变温度可能通过延迟冷却模式的激活来削弱夏季的排热效果。Sedaghat等人[24]表明，热致变色DRC材料可以增强对热浪的抵御能力，在炎热气候中在最优切换温度15°C时实现约20%的年度节能。Santos等人[25]发现，较低的切换温度更适合制冷主导的条件，而较高的切换温度有利于加热主导的场景。Yang等人[26]进一步指出，切换温度主要影响夏季制冷性能，而对冬季供暖负担的影响相对有限。这些发现表明，最优转变温度具有强烈的气候和建筑依赖性。

DRC涂料的有效性还与建筑围护结构的热传导系数（U值）耦合，后者直接影响室内外热传递。对于静态辐射天空冷却，较高的热传导系数可以增强表面冷却的利用率，特别是在外表面温度低于室内温度时[27]。Cui等人[28]发现，除了寒冷地区的低热密度通信基站外，较低的围护结构热阻通常更有利于最小化年度制冷需求。Li等人[29]进一步量化了较薄的保温层可以在制冷主导地区改善2.88–4.86 kWh/m2的节能效果。然而，这种设计逻辑不能直接转移到DRC围护结构上（图1b-c）。与静态辐射冷却表面不同，DRC围护结构需要在制冷条件下执行排热功能，在加热条件下执行保温功能[30]。在温和的炎热或寒冷条件下，较高的热传导系数可能有助于利用DRC诱导的表面冷却或太阳热增益。然而在极端炎热或寒冷条件下，它可能加剧热侵入或热损失，从而增加建筑负荷。因此，DRC围护结构是需要较高还是较低的热传导系数，仍然是实际围护结构设计中一个开放性问题。

此外，DRC的适用性受光谱调节策略、转变温度、围护结构热传导系数、建筑形态、应用表面以及气候依赖性供暖/制冷需求等耦合效应的影响。现有研究已单独考察了其中一些因素，但仍缺乏将材料特性与建筑围护结构设计联系起来的综合框架（表1）。然而，对于静态辐射冷却，已经建立了一个相对成熟的评价框架，涵盖围护结构热传导系数[27]和材料光谱特性[31]、建筑朝向和形态[32]、建筑间遮荫[33]以及应用表面[29]。相比之下，没有整合的材料-建筑评价框架，DRC材料优化可能与实际建筑能源需求脱节，而围护结构设计可能无法充分利用DRC效益或引入可避免的供暖负担。这种不匹配限制了DRC基不透明围护结构在多样化气候和建筑条件下可实现的节能潜力。

总体而言，要将DRC材料转化为建筑应用，仍需解决两个关键局限：（1）以往研究主要关注光谱特性和转变温度，而这些材料参数与围护结构热传导系数之间的耦合受到的关注有限。因此，它们应如何共同配置以最小化年度供暖和制冷能耗仍不清楚。（2）不同的光热性能组合在不同气候和建筑形态下的适用性尚未得到系统建立。解决这些空白对于将DRC从有前景的材料概念转化为有效的、场景自适应的建筑围护结构技术至关重要。

因此，本研究开发了一个DRC围护结构的气候自适应协同优化框架，将光谱特性、转变温度和围护结构热传导系数整合在统一的建筑性能分析中。该框架不是孤立地优化每个参数，而是在五个代表性气候区和多种建筑形态下评估它们的耦合效应，从而避免在某些条件下最优但在其他条件下无效或不利的解决方案。在此框架内，量化了DRC对外表面温度动态的影响，以明确光谱切换改变供暖和制冷需求的机制。然后系统分析了转变温度和围护结构热传导系数的影响，以识别不同气候和建筑条件下的最优参数组合。此外，比较了不同的光谱控制策略和应用表面，以明确材料设计优先级和部署路径。该框架为DRC材料开发提供了早期指导，识别了具有气候和形态特异性的围护结构配置，并为大规模实际应用之前的有效自适应围护结构设计奠定了基础。

技术框架
研究框架如图2所示，将材料特性与建筑级能源响应联系起来。本研究使用EnergyPlus[34]评估建筑供暖和制冷负荷。DRC涂料通过基于能源管理系统（EMS）的围护结构外表面光学特性控制[35]，被整合到建筑能源模拟中。具体而言，EMS监测外表面温度并切换有效的太阳吸收率和长波

表面温度
外表面围护结构的光谱特性直接影响传热过程和建筑能源需求。在相同的室内温度设定点下，外表面温度为围护结构系统的热响应提供了一个直观的指标。因此，首先比较了常规围护结构与采用不同DRC涂料的围护结构之间的小时屋顶和墙体表面温度（图7）。选择了代表性的高夏季和冬季

转变温度与围护结构热传导系数的耦合设计（1）最优参数组合
第3.2节转变温度的影响和第3.3节围护结构热传导系数对节能性能的影响中的分析表明，围护结构热传导系数和转变温度共同决定了DRC涂料的节能性能。因此，进一步进行了耦合优化，以识别不同气候区和建筑配置下的最优参数组合（表5）。总体而言，最优

结论：为了增强建筑围护结构的热适应性和节能性能，本研究为动态辐射冷却围护结构建立了一个气候自适应协同优化框架。基于两种文献衍生的DRC涂料，系统研究了光谱调节策略、转变温度和围护结构热传导系数在五个代表性城市（对应主要气候区）的耦合效应。结果阐明了气候的

CRediT作者贡献声明
Dongliang Zhao：监督、概念化。Mengfan Duan：撰写——初稿、方法论、调查、资金获取、数据管理。Zhiyue Sun：方法论、调查、形式化分析。Yutao Liu：撰写——初稿、可视化。Shuangjiang Feng：验证、方法论。Hongli Sun：可视化、概念化。Borong Lin：资金获取、概念化

利益冲突声明
? 作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。

致谢：本研究由国家自然科学基金（项目号52408102、52394223、52130803、52425801）、江苏省自然科学基金（BK20241348）、中国博士后科学基金（2026T190435、2024M750427）、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项基金（BT2025024）以及江苏省科协青年科技人才托举工程（JSTJ-2025-JS002）资助。

Mengfan Duan | Zhiyue Sun | Yutao Liu | Shuangjiang Feng | Hongli Sun | Borong Lin | Dongliang Zhao
东南大学能源与环境学院，南京 211189，中国