論文信息：

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.

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2025.116016

研究背景

建筑圍護結構的設計在構建節能建筑中起著至關重要的作用。然而，對于使用低熱阻和低太陽反射率材料建造的建筑，如臨時住房，為了保持室內舒適，空調能耗顯著增加。建筑業的迅速發展，加上城市人口的不斷擴張，給全球能源系統帶來了前所未有的壓力。目前，建筑物占全球能源消耗的20%到40%，其中僅供暖、通風和空調（HVAC）系統就占了超過65 %的需求。在香港，建筑物消耗了城市94 %的電力，其中29 %用于空調——這顯著增加了溫室氣體排放。這一問題在隔熱效果差的建筑中尤為突出，如老舊建筑和臨時住房，這凸顯了為實現碳中和目標而進行節能改造的緊迫性。臨時住房對于災害救援和建筑作業至關重要，為流離失所者和項目人員提供了必要的庇護。然而，在炎熱的氣候條件下，維持這些結構的熱舒適度仍然面臨挑戰，這主要是由于傳統建筑材料的固有限制。大多數臨時住房，如改造后的集裝箱，使用了金屬材料。耐候鋼或鋁，具有低熱阻和低太陽反射率。這些特性加劇了熱帶和亞熱帶地區的室內熱量積聚，導致空調能耗需求不可持續。值得注意的是，空間冷卻占香港總電力消耗的32 %以上，這凸顯了對輕質、節能建筑圍護結構改造的迫切需求。建筑屋頂作為太陽能管理的直接界面，已在多種節能應用中成功應用。成熟的光伏技術、太陽能熱系統和輻射冷卻材料已被證明能有效降低能源需求。特別是被動日間輻射制冷（ PDRC），它利用大氣透明窗口（8-13微米）反射陽光，并將熱量輻射到太空，無需額外能量輸入即可實現低于環境溫度的冷卻效果。這種機制提供了持續的冷卻能力，使PDRC成為可持續熱管理的一個有前景的策略。然而，傳統建筑圍護結構由于其高熱阻，常常阻礙熱量向外部空間的傳遞，因此需要創新解決方案來利用輻射制冷。

研究內容

受到輻射制冷空調系統的啟發，我們的研究將屋頂設計為“冷天花板”，通過在臨時住房的屋頂上直接涂覆輻射冷卻（RC）涂層（圖1a)。為了指導RC誘導冷天花板的設計，我們研究了屋頂的凈冷卻功率與室內人員熱輻射交換之間的關系，如圖1b所示。該模型模擬了一個典型場景，其中室外溫度為308 K，室內溫度為297 K，而室內人員的溫度為310 K，并考慮了RC涂層的光學特性(0.95太陽反射率，0.96熱發射率（thermal emissivity）以及容器的建筑參數。

圖1.建筑物輻射冷卻冷頂空調系統概念。(a)光譜工程建筑屋頂示意圖；(b)屋頂凈冷卻功率對室內天花板輻射功率的影響。

我們的熱傳遞模型基于基本的熱和輻射傳輸原理，為評估屋頂引起的冷卻性能提供了一個全面的框架。該模型計算了通過屋頂結構的熱流，同時考慮了涂層材料的光譜特性、瞬態熱傳遞過程以及局部氣候條件。如圖2所示。

圖2.輻射冷卻屋頂應用性能工作流程圖。

接著，使用UV-Vis-NIR光譜儀測量了0.3至2.5微米波長范圍內的太陽反射率，通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）測量了4至30微米波長范圍內的涂層紅外熱發射率，如圖3a所示。隨后，首先在兩個帶有鋁制屋頂的木制實驗箱表面涂覆了RC涂層，作為測試室（圖3b)。為了對比，其中一個箱子涂覆了輻射冷卻涂料。這一對比旨在驗證輻射冷卻涂層對天花板溫度的影響。此外，RC涂層還被用于臨時現場辦公室的實地試驗。選擇了兩個具有錫板金屬框架外殼的相同臨時現場辦公室，以比較使用和不使用開發的輻射冷卻涂層后的熱性能，如圖3c所示。為了進行現場測量和熱性能評估，數據收集系統安裝在現場，如圖3d所示。

圖 3.現場實驗示意圖。(a)鋁制屋頂與輻射冷卻屋頂的光譜特性；(b)照片。(c)實驗容器照片；(d)實驗和氣象數據采集系統。

一個月的測量結果（圖4a-4d)證實了這些效果，表明我們的涂層在不同太陽條件下能保持比傳統屋頂更低的表面溫度。值得注意的是，溫度降低與太陽強度密切相關，這突顯了光學特性在白天冷卻性能中的關鍵作用。我們的實驗結果顯示，輻射涂層的應用具有顯著的冷卻效果。在太陽輻射峰值條件下，與鋁制屋頂相比，輻射冷卻屋頂的天花板溫度可降低高達40℃（~990 W/m2），晴天期間平均溫度持續降低30℃（>900 W/m2）（見圖4a）。在陰天條件下（太陽輻射< 250 W/m2），我們觀察到溫度下降約5℃（見圖4c)。這些冷卻效果直接提升了室內的熱環境，如圖4b所示，在我們的低熱阻測試室內，測量到的空氣溫度降低了高達2.5℃。從熱舒適的角度來看，這些溫度調整帶來了顯著的好處：(1)在最熱時段（11：00-15：00），即人們通常感到最不適的時間段，冷卻效果最為明顯；(2)系統避免了在夜間，即熱應力最小的時候過度冷卻。這種時間上的調整與人類的舒適需求高度契合，對于像香港這樣的亞熱帶氣候下的臨時住房尤其有價值，因為常規空調可能不切實際。此外，無論天氣如何變化，系統都能持續運行（見圖4d)，確保在無需額外能源輸入的情況下提供可靠的舒適度，這比傳統冷卻方法具有顯著優勢。這些發現證實了輻射冷卻屋頂的有效性。為了評估實際性能，我們在香港的兩個集裝箱辦公室中實施了RC涂層，一個使用RC涂層，另一個則使用商業白色涂層作為對照（圖4e-4f)。

圖4：腔室與容器的比較實驗結果。(a)陽天時，比較不同天氣條件下室頂溫度；(b)陽天時，比較室內空氣溫度；(c)陰天時，比較室頂溫度；(d)陰天時，比較室內空氣溫度；(e)每年白天集裝箱屋頂溫度的對比；(f)每年白天集裝箱內部空氣溫度的對比。

同時，不同天花板溫度引起的熱增益變化如圖5a至5c所示。季節分析顯示，在夏季太陽能輻射強度達到峰值時，該涂層表現出特別顯著的性能（圖5d)。全年分析顯示，太陽輻照度與熱增益差異之間的相關性（圖5e)，進一步驗證了輻射冷卻技術在降低熱增益和提高建筑能源效率方面的有效性。

圖5.屋頂熱增的比較。(a)陽天時熱增的比較；(b)陽天時熱增的比較；(c)年度熱增的比較；(d)日間容器熱增益；(e)季節性分析；(f)熱增益與太陽輻射強度的相關性。

我們通過分析RC屋頂每年累積的熱量減少，評估了其電力節約潛力，這直接減少了空調系統的冷卻負荷。使用空調系統的性能系數（COP）為3.1，我們量化了因屋頂結構減少熱量傳遞而產生的能源節省。圖6a展示了不同城市中不同屋頂材料引起的年累積熱量增加情況。這一顯著的能耗降低意味著每年可節省125.5 kWh/m2的電力（圖6b)，比鋁制屋頂節能85 %。此外，我們將分析范圍擴展至中國371個城市，評估了不同地理和氣候區域的潛在電力節約和二氧化碳減排效果（圖6c-6d)。研究結果顯示，與白色屋頂相比，將RC屋頂集成到中國各地的建筑中，可以實現每平方米82至216千瓦時的冷卻能源節約。通過對比不同超冷屋頂類型的冷卻電力節約，圖6d展示了五種輻射冷卻材料在冷卻季節期間避免的凈二氧化碳排放量。研究發現，冷天花板系統在高冷卻需求和強烈太陽輻射的地區，如香港和臺灣，具有顯著優勢。

圖6.各城市節能潛力對比：(a)累計熱增的比較；(b)電力節約與二氧化碳排放量減少的比較；(c) (d)中國各地區年度二氧化碳排放量減少情況。

結論與展望

本研究提出了一種通過將屋頂與開發的輻射冷卻涂層結合的冷天花板，并在香港進行了為期12個月的現場測試，以驗證其性能。我們研究了將傳統臨時屋頂改造成輻射冷卻屋頂的可行性，分析了其作為輻射熱交換空調系統的潛力，并展示了其應用前景。研究結果表明，在強太陽輻射（>900 W/m2）條件下，涂有RC涂層的屋頂與未涂層的屋頂相比，天花板表面平均溫度降低了30℃，室內空氣溫度降低了2.5℃。此外，我們還評估了該技術在不同氣候區域的節能潛力和碳排放減少效果。本研究強調了輻射冷卻涂層在提高熱舒適度和減少能源需求方面的有效性，提供了一種有前景的、低成本的改造策略，用于實現可持續和節能的建筑解決方案。盡管我們的研究證實了該技術在以冷卻為主的地區具有巨大潛力，但也指出了兩個關鍵限制：(1)不同天氣條件下性能的波動性；(2)在供暖需求較高的地區存在過冷的風險。為了應對能源輸出的固有波動并提升系統整體效率，未來的發展可以引入如冷水管道或相變材料等儲能技術。這些技術的加入將使輻射冷卻能量的有效存儲和利用成為可能，作為輔助冷卻手段。除了臨時住房外，這項技術在數據中心冷卻、冷鏈物流運輸、糧食儲存及其他工業應用中展現出巨大的潛力。