一种可行的解决方案？城市建成环境中应用热致变色涂料提高建筑能效的可行性：中国杭州案例

《ENERGY AND BUILDINGS》：A viable solution? Feasibility of applying thermochromic coatings to enhance building energy efficiency in urban built environments: Cases in Hangzhou, China

　　

- 开发了一种模拟变色（TC）涂层建筑能耗需求的高效方法。
- 用TC涂层替代深色涂层，可使建筑制冷负荷降低高达5.0%。
- 用TC涂层替代浅色涂层，可使建筑制热负荷降低高达1.6%。
- 评估了TC涂层在城市建成环境中的应用可行性。

**引言**

建筑能耗占全球能源消费的30%以上，其中近一半用于供暖和制冷[1]。外表面颜色影响其太阳反射率，从而影响建筑获得的太阳热量和能耗需求[2]。因此，许多研究提出了通过选择合适的涂层颜色来实现节能的策略。早在2009年，就有研究提出在美国推广浅色涂层可使建筑制冷能耗降低约20%[3]。更近期的研究表明，提高凤凰城和加尔各答外墙的反射率分别可使建筑得热减少高达31 W/m2和28 W/m2[4]。

然而，具有高太阳反射率的浅色涂层并不一定在所有天气条件下都能提高建筑能效。冬季时，反射更多的太阳辐射可能会增加建筑的制热能耗。在安克雷奇，一项高反射率屋顶策略据报告使建筑制热能耗增加了2.3 GJ/100 m2[5]。在温哥华、多伦多和蒙特利尔，提高建筑涂层的太阳反射率可能使制热未满足度数小时增加16%–46%[6]。在夏季炎热、冬季寒冷的地区，建筑既需要夏季制冷又需要冬季供暖。因此，根据季节性气候变化动态调节建筑围护结构的太阳反射率已成为一个重要的研究课题[7]。

热致变色（TC）材料能够根据温度变化改变其颜色状态，使其成为满足动态调节需求的潜在解决方案[8]。随着TC材料在建筑构件（如窗户[9]和光伏组件[10]）中的应用取得令人振奋的进展，TC涂层产品的研究也迅速增长[11]。从传热角度来看，涂层主要应用于不透明建筑围护结构，而后者通常占建筑围护结构面积的最大比例[12]。从应用角度来看，如图1(a)所示，涂层可以在建筑施工和翻新过程中轻松应用，且对建筑干预最小[13]。因此，通过应用TC涂层实现节能效益的可行性值得进一步研究。

如图1(b)所示，TC涂层能够根据温度变化自动调节其太阳反射率。夏季高温条件下，外表面呈现浅色，从而提高反射率，最大限度减少太阳热量获取。相反，冬季低温时，表面呈现深色，从而降低反射率，最大限度增加太阳热量获取[14]。Wang等[15]通过实验验证了一种TC微胶囊混合涂层的温度调节效果。在夏季期间，测试板的表面反射率从73%显著提高到92%。与厚度约为300 μm的商业隔热涂层相比，TC涂层使测试板背面温度在夏季降低了7.1 K，在冬季升高了6.0 K。Fabiani等[16]在佩鲁贾进行的一项实验表明，将TC涂层应用于外墙后，与常规深色和浅色涂层相比，夏季测试房间室内温度降低了0.5 K，冬季升高了0.6 K。

通过这种机制，TC涂层可以调节建筑的供暖和制冷能耗需求[17]。表1总结了自2020年以来发表的预测TC涂层节能效果的具有代表性的研究，包括15组预测结果。尽管研究区域、材料属性和对比基准存在差异，但大多数研究表明TC涂层具有提高建筑能效的潜力。

然而，尽管该研究领域关注度不断上升，TC涂层尚未被广泛认可为一种适用的节能措施[28]。我们将此归因于近期研究中发现的三个问题，这些问题使得设计师难以对TC涂层的应用价值形成明确的预期。

如表1所示，即使采用相同的预测方法和对比基准，TC涂层的节能效果在不同气候条件下也存在差异。这种差异引发了一个与TC涂层工作原理相关的问题：在实际应用中，TC涂层性能与当地气候的不匹配是否可能导致预期的节能效益无法实现？

如上所述，TC涂层建筑的关键优势在于其能够根据表面温度调节太阳反射率。然而，当转变温度过高（或过低）时，即使在建筑处于制冷（或制热）模式下，TC涂层表面可能仍然保持低（或高）太阳反射率状态，从而限制了其节能潜力。Butt等[20]发现，转变温度为25–35°C的TC涂层在意大利可以实现节能，而在西班牙较热的气候条件下，有效的转变温度低于20°C。Sedaghat等[24]预测了14个美国城市中不同转变温度TC涂层建筑的能耗需求。他们发现最佳转变温度根据气候不同在15到35°C之间变化。

因此，没有单一的一套TC性能参数适用于所有气候[24]。此外，建筑热过程的复杂性以及气候因素组合的多样性使得建立跨区域的通用参数选择标准变得困难[29]。在实践中，设计师需要根据当地气候确定合适的参数。

先前的研究表明，节能策略的有效性受建成环境空间特征的影响[30]。建成环境的空间特征既包括单体建筑的形态，也包括周围结构的布局。然而，如表1所示，很少有研究在复杂建成环境中考察TC涂层。一方面，TC涂层在高层、多分区建筑中的能效尚不充分理解。除了Berardi等[18]研究了一栋四层学校建筑外，现有研究主要集中在三层或更少的建筑上，且仅有少数热分区。另一方面，大多数研究仅考虑了独立建筑，忽略了周围障碍物对TC涂层建筑能效的影响。这些局限性使得现有研究结论难以推广到现实的城市环境，尤其是在高密度城市中。Rosado和Levinson[31]发现，提高太阳反射率使加州独栋住宅的能耗需求降低了4.0%–27.0%，但在较大规模建筑中降低幅度不超过3.8%。Levinson[32]进一步报告称，考虑周围建筑的遮挡效应后，提高太阳反射率的节能效益在弗雷斯诺减少了31%。

基于近期研究报告的预测方法，我们建议TC涂层在复杂建成环境中表现有限的证据，部分可归因于TC涂层建筑热过程模拟的高复杂性[33]。具体困难将在2.1节中介绍。随着热分区数量的增加，模型建立和参数配置的要求变得更加苛刻，提高了应用这些方法的门槛。

除了节能效益之外，在评估节能技术的适用性时，还必须考虑其实施成本。一般来说，TC材料可大致分为无机和有机两类[34]。无机TC材料，如源自VO?、TiO?和ZnO等化合物的材料，通常具有较高稳定性。然而，无机TC材料的转变温度通常高于大多数地区观测到的室外气温峰值[35]，使其难以满足1.3.1节中提到的气候匹配要求。有机TC材料，如水凝胶，转变温度较低，但在维持长期耐久性方面面临巨大挑战[36]。为呈现热致变色特性，水凝胶通过聚合物网络结构的可逆膨胀和收缩来动态调节光透过率。然而，暴露在室外环境条件下可在数小时内快速且永久地破坏聚合物网络结构[34]。因此，许多材料开发者添加了功能性添加剂，如纳米TiO?散射剂[37]和SiO?散射剂[38]，或采用SiO?外壳的微胶囊[39]来增强有机TC涂层的耐久性和环境稳定性。然而，这种耐久性优化过程不可避免地增加了TC涂层的制造成本[40]。

鉴于1.3.1问题1（哪种TC性能最匹配气候？）和1.3.2问题2（TC涂层在现实建成环境中能带来多少节能？）中确定的两项挑战，使得TC涂层应用效益的评估变得复杂，仍然难以确定与其应用相关的额外成本是否可接受。虽然先前的研究指出高成本可能阻碍TC涂层的广泛采用[11]，但TC涂层被认为适用于工程应用所需的成本水平和耐久水平仍不清楚。

第1.3节中确定的三个问题使TC涂层的应用可行性高度不确定。因此，本研究旨在提出一个决策支持框架，以回答一个关键问题：在特定的气候和建成环境条件下，如何判断TC涂层是否具有实际应用可行性？

所提出的框架包含三个步骤：TC性能参数选择、TC应用效益评估和成本效益分析。作为所提出框架的核心组件，基于Grasshopper平台中Ladybug & Honeybee插件和Python脚本开发了一种建筑围护结构"自适应"热过程模拟方法。该方法能够高效预测具有复杂空间配置的TC涂层建筑的能耗需求。基于预测结果，可以评估不同建成环境中应用不同转变温度的TC涂层的节能效益。此外，可以进行成本效益分析来确定TC涂层应用的回收期。除了评估TC涂层的适用性之外，该框架还能为优化TC材料性能提供需求导向的指导。本研究以中国杭州为例，展示了框架的完整实施。

**章节摘要**

**模拟方法开发**

作为一种预测建筑能源性能的常用方法[41]，本研究采用数值模拟来预测采用TC涂层和常规涂层建筑的供暖和制冷能耗需求。为了表征TC涂层表面温度与太阳反射率之间的动态耦合关系，所提出的模拟方法利用了EnergyPlus 9.5.0[42]中的能源管理系统（EMS）模块。通过定义外表面……

**转变温度选择的影响**

图10展示了不同城市地块中建筑R1–R8在采用TCM_30作为外墙涂层材料时的月累计单位面积供暖和制冷负荷。在寒冷月份（11月至3月）和炎热月份（6月至8月）分别观察到显著的供暖和制冷需求。在所有研究案例中，年供暖和制冷负荷分别介于49.0至80.5 kWh/m2和35.6至62.1 kWh/m2之间。

图11展示了变化……

**讨论**

本研究开发了一种在Grasshopper平台上调用EnergyPlus及其内置EMS模块的方法。利用该方法，设计师可以高效地定义太阳反射率对表面温度的动态响应，从而实现对包含多个热分区的TC涂层建筑的能耗需求模拟。作为一个实例，该方法被用于预测在杭州城市建成环境中应用TC涂层的节能效益。基于预测结果……

**结论与局限性**

本研究提出了一个集成TC性能参数选择、TC应用效益评估和成本效益分析的决策支持框架。遵循该框架，我们可以系统评估在现实场景中应用TC涂层的节能效益和实际可行性。我们在基于Ladybug & Honeybee插件的工作流中开发了TC涂层建筑热过程和能耗需求的模拟方法。具体而言，……

**CRediT作者贡献声明**

葛珺珺：写作——审阅与编辑、写作——初稿、方法论、调查研究、获取资金、数据整理、概念设计。郭叶：指导、项目管理、获取资金、概念设计。王吉城：指导、项目管理、获取资金、概念设计。王宇鹏：写作——审阅与编辑、指导、项目管理、获取资金、概念设计。

许铎：撰写——审阅与编辑、经费获取。利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢：本研究受中国博士后科学基金会资助［项目编号：2025M771599］及国家自然科学基金资助［项目编号：52350610262 和 52300236］。我们同样感谢康考迪亚大学的Hashem Akbari教授在本文修订过程中为本文所述思想的发展做出了宝贵贡献。葛岳俊｜郭业｜王吉程｜王宇鹏｜许铎