论文信息：
Quan Gong , Jianheng Chen , Lin Lu，Radiative cooling rooftop systems for energy-efficient temporary housing: A Hong Kong case study.Energy & Buildings 344 (2025) 116016.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2025.116016
研究背景
建筑围护结构的设计在构建节能建筑中起着至关重要的作用。然而，对于使用低热阻和低太阳反射率材料建造的建筑，如临时住房，为了保持室内舒适，空调能耗显著增加。建筑业的迅速发展，加上城市人口的不断扩张，给全球能源系统带来了前所未有的压力。目前，建筑物占全球能源消耗的20%到40%，其中仅供暖、通风和空调（HVAC）系统就占了超过65 %的需求。在香港，建筑物消耗了城市94 %的电力，其中29 %用于空调——这显著增加了温室气体排放。这一问题在隔热效果差的建筑中尤为突出，如老旧建筑和临时住房，这凸显了为实现碳中和目标而进行节能改造的紧迫性。临时住房对于灾害救援和建筑作业至关重要，为流离失所者和项目人员提供了必要的庇护。然而，在炎热的气候条件下，维持这些结构的热舒适度仍然面临挑战，这主要是由于传统建筑材料的固有限制。大多数临时住房，如改造后的集装箱，使用了金属材料。耐候钢或铝，具有低热阻和低太阳反射率。这些特性加剧了热带和亚热带地区的室内热量积聚，导致空调能耗需求不可持续。值得注意的是，空间冷却占香港总电力消耗的32 %以上，这凸显了对轻质、节能建筑围护结构改造的迫切需求。建筑屋顶作为太阳能管理的直接界面，已在多种节能应用中成功应用。成熟的光伏技术、太阳能热系统和辐射冷却材料已被证明能有效降低能源需求。特别是被动日间辐射制冷（ PDRC），它利用大气透明窗口（8-13微米）反射阳光，并将热量辐射到太空，无需额外能量输入即可实现低于环境温度的冷却效果。这种机制提供了持续的冷却能力，使PDRC成为可持续热管理的一个有前景的策略。然而，传统建筑围护结构由于其高热阻，常常阻碍热量向外部空间的传递，因此需要创新解决方案来利用辐射制冷。
研究内容
受到辐射制冷空调系统的启发，我们的研究将屋顶设计为“冷天花板”，通过在临时住房的屋顶上直接涂覆辐射冷却（RC）涂层（图1a)。为了指导RC诱导冷天花板的设计，我们研究了屋顶的净冷却功率与室内人员热辐射交换之间的关系，如图1b所示。该模型模拟了一个典型场景，其中室外温度为308 K，室内温度为297 K，而室内人员的温度为310 K，并考虑了RC涂层的光学特性(0.95太阳反射率，0.96热发射率（thermal emissivity）以及容器的建筑参数。
图1.建筑物辐射冷却冷顶空调系统概念。(a)光谱工程建筑屋顶示意图；(b)屋顶净冷却功率对室内天花板辐射功率的影响。
我们的热传递模型基于基本的热和辐射传输原理，为评估屋顶引起的冷却性能提供了一个全面的框架。该模型计算了通过屋顶结构的热流，同时考虑了涂层材料的光谱特性、瞬态热传递过程以及局部气候条件。如图2所示。
图2.辐射冷却屋顶应用性能工作流程图。
接着，使用UV-Vis-NIR光谱仪测量了0.3至2.5微米波长范围内的太阳反射率，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量了4至30微米波长范围内的涂层红外热发射率，如图3a所示。随后，首先在两个带有铝制屋顶的木制实验箱表面涂覆了RC涂层，作为测试室（图3b)。为了对比，其中一个箱子涂覆了辐射冷却涂料。这一对比旨在验证辐射冷却涂层对天花板温度的影响。此外，RC涂层还被用于临时现场办公室的实地试验。选择了两个具有锡板金属框架外壳的相同临时现场办公室，以比较使用和不使用开发的辐射冷却涂层后的热性能，如图3c所示。为了进行现场测量和热性能评估，数据收集系统安装在现场，如图3d所示。
图 3.现场实验示意图。(a)铝制屋顶与辐射冷却屋顶的光谱特性；(b)照片。(c)实验容器照片；(d)实验和气象数据采集系统。
一个月的测量结果（图4a-4d)证实了这些效果，表明我们的涂层在不同太阳条件下能保持比传统屋顶更低的表面温度。值得注意的是，温度降低与太阳强度密切相关，这突显了光学特性在白天冷却性能中的关键作用。我们的实验结果显示，辐射涂层的应用具有显著的冷却效果。在太阳辐射峰值条件下，与铝制屋顶相比，辐射冷却屋顶的天花板温度可降低高达40℃（~990 W/m2），晴天期间平均温度持续降低30℃（>900 W/m2）（见图4a）。在阴天条件下（太阳辐射< 250 W/m²），我们观察到温度下降约5℃（见图4c)。这些冷却效果直接提升了室内的热环境，如图4b所示，在我们的低热阻测试室内，测量到的空气温度降低了高达2.5℃。从热舒适的角度来看，这些温度调整带来了显著的好处：(1)在最热时段（11：00-15：00），即人们通常感到最不适的时间段，冷却效果最为明显；(2)系统避免了在夜间，即热应力最小的时候过度冷却。这种时间上的调整与人类的舒适需求高度契合，对于像香港这样的亚热带气候下的临时住房尤其有价值，因为常规空调可能不切实际。此外，无论天气如何变化，系统都能持续运行（见图4d)，确保在无需额外能源输入的情况下提供可靠的舒适度，这比传统冷却方法具有显著优势。这些发现证实了辐射冷却屋顶的有效性。为了评估实际性能，我们在香港的两个集装箱办公室中实施了RC涂层，一个使用RC涂层，另一个则使用商业白色涂层作为对照（图4e-4f)。
图4：腔室与容器的比较实验结果。(a)阳天时，比较不同天气条件下室顶温度；(b)阳天时，比较室内空气温度；(c)阴天时，比较室顶温度；(d)阴天时，比较室内空气温度；(e)每年白天集装箱屋顶温度的对比；(f)每年白天集装箱内部空气温度的对比。
同时，不同天花板温度引起的热增益变化如图5a至5c所示。季节分析显示，在夏季太阳能辐射强度达到峰值时，该涂层表现出特别显著的性能（图5d)。全年分析显示，太阳辐照度与热增益差异之间的相关性（图5e)，进一步验证了辐射冷却技术在降低热增益和提高建筑能源效率方面的有效性。
图5.屋顶热增的比较。(a)阳天时热增的比较；(b)阳天时热增的比较；(c)年度热增的比较；(d)日间容器热增益；(e)季节性分析；(f)热增益与太阳辐射强度的相关性。
我们通过分析RC屋顶每年累积的热量减少，评估了其电力节约潜力，这直接减少了空调系统的冷却负荷。使用空调系统的性能系数（COP）为3.1，我们量化了因屋顶结构减少热量传递而产生的能源节省。图6a展示了不同城市中不同屋顶材料引起的年累积热量增加情况。这一显著的能耗降低意味着每年可节省125.5 kWh/m²的电力（图6b)，比铝制屋顶节能85 %。此外，我们将分析范围扩展至中国371个城市，评估了不同地理和气候区域的潜在电力节约和二氧化碳减排效果（图6c-6d)。研究结果显示，与白色屋顶相比，将RC屋顶集成到中国各地的建筑中，可以实现每平方米82至216千瓦时的冷却能源节约。通过对比不同超冷屋顶类型的冷却电力节约，图6d展示了五种辐射冷却材料在冷却季节期间避免的净二氧化碳排放量。研究发现，冷天花板系统在高冷却需求和强烈太阳辐射的地区，如香港和台湾，具有显著优势。
图6.各城市节能潜力对比：(a)累计热增的比较；(b)电力节约与二氧化碳排放量减少的比较；(c) (d)中国各地区年度二氧化碳排放量减少情况。
结论与展望
本研究提出了一种通过将屋顶与开发的辐射冷却涂层结合的冷天花板，并在香港进行了为期12个月的现场测试，以验证其性能。我们研究了将传统临时屋顶改造成辐射冷却屋顶的可行性，分析了其作为辐射热交换空调系统的潜力，并展示了其应用前景。研究结果表明，在强太阳辐射（>900 W/m2）条件下，涂有RC涂层的屋顶与未涂层的屋顶相比，天花板表面平均温度降低了30℃，室内空气温度降低了2.5℃。此外，我们还评估了该技术在不同气候区域的节能潜力和碳排放减少效果。本研究强调了辐射冷却涂层在提高热舒适度和减少能源需求方面的有效性，提供了一种有前景的、低成本的改造策略，用于实现可持续和节能的建筑解决方案。尽管我们的研究证实了该技术在以冷却为主的地区具有巨大潜力，但也指出了两个关键限制：(1)不同天气条件下性能的波动性；(2)在供暖需求较高的地区存在过冷的风险。为了应对能源输出的固有波动并提升系统整体效率，未来的发展可以引入如冷水管道或相变材料等储能技术。这些技术的加入将使辐射冷却能量的有效存储和利用成为可能，作为辅助冷却手段。除了临时住房外，这项技术在数据中心冷却、冷链物流运输、粮食储存及其他工业应用中展现出巨大的潜力。