《BUILDING AND ENVIRONMENT》：The impact of radiative cooling paint on a factory building in tropics
编辑推荐：
本研究通过实地测量和数值模拟，评估了被动辐射冷却（PRC）涂料在热带气候下工厂建筑的降温与节能效果。实验显示屋顶温度平均降低15.5℃，室内温度减少1.1℃，年节能达75.27 GJ（新加坡）和44.44 GJ（香港），但寒冷地区（如哈尔滨）可能增加能耗，表明PRC更适用于温暖气候。
作者：Di Han、Yongping Long、Man Pun Wan、Bing Feng Ng
南洋理工大学机械与航空航天工程学院，新加坡南洋大道50号，邮编639798
摘要
被动辐射冷却（PRC）是一种零能耗冷却技术，能够降低表面温度并节省建筑物的冷却能耗。许多研究已经证明了PRC材料的冷却潜力。然而，关于实际建筑物上的辐射冷却性能的详细研究仍然不足，尤其是在全年夏季炎热的热带地区。本研究通过现场测量和数值模拟，探讨了PRC涂料在工厂建筑（尺寸为75.6米×33.6米×16.8米）上的冷却效果。现场测试显示，在热带气候条件下，涂有PRC涂料的建筑室内温度峰值降低了1.1摄氏度，平均温差为0.95摄氏度。这一效果是由于屋顶表面温度降低了15.5摄氏度，以及热流密度从202瓦/平方米降至63.8瓦/平方米所致。为了量化节能潜力，在EnergyPlus环境中构建了一个仿真模型，并根据现场测量数据进行了验证。在新加坡和香港，模拟出的年节能量分别为75.27吉焦和44.44吉焦，这表明PRC涂料在热带和亚热带气候下具有巨大潜力。然而，在中国哈尔滨这样冬季寒冷的地区，PRC涂料反而导致年能耗增加了38.45吉焦。这说明，在温暖天气持续时间较长的地区，PRC涂料更为适用。总之，本研究为PRC涂料在实际建筑物上的性能提供了宝贵的见解，显示出其在冷却和节能方面的巨大潜力。
引言
为了经济增长而消耗化石燃料所导致的COx和NOx排放增加是全球变暖的主要驱动力。仅在美国，为了在室外温度上升的情况下保持舒适的室内温度，大约15%的能源被用于通过空调和机械通风系统进行空间冷却和室内温度调节[1]。在新加坡这种热带气候条件下，这一比例上升到20%[2]，因为环境温度和湿度更高。因此，近年来寻找通过被动方式减少建筑能耗的新解决方案变得十分紧迫。与传统的节能冷屋顶技术相比[3][4][5]，由于过去十年材料科学的进步[6][7][8][9]，日间辐射冷却已被证明是一种高效的被动冷却方法。
为了减少建筑物的冷却能耗，一种方法是通过绿色或冷屋顶[10]反射不需要的太阳热量（短波长范围：0.3-2.5微米），尤其是在亚热带和热带气候下受到强烈太阳辐射的低层建筑中[11]。另一种方法是通过中长波长（2.5-25微米）的红外辐射将多余的热量从建筑物表面散发出去，但这些热量会被由氮（N?）、氧气（O?）、二氧化碳（CO?）和水蒸气组成的地球大气层吸收[12]。然而，大气层对8-13微米波长的热辐射是透明的，使得地表能够被动地将热量辐射到寒冷的宇宙空间[13]。依靠这一机制，被动辐射冷却成为一种通过在大气窗口（8-13微米）将多余的热量辐射到寒冷太空中的节能冷却方法。通过进一步减少太阳辐射热的吸收，可以进一步提升冷却效果。
在2014年的一项开创性研究中，一种同时反射阳光和发射热辐射的双重过程使得一种光子多层结构的表面在正午时温度降低了4.9摄氏度[14]。随后开发了许多新材料，其中含有随机嵌入色素的涂料[15][16][17][18][19]和多孔聚合物涂层[20][21][22]是考虑制造成本、可扩展性和兼容性时的两个有前景的应用方向。一项研究表明，含有白色色素的廉价、耐用且可扩展的PRC涂料适用于建筑围护结构[23]。例如，一种新型PRC涂料通过将TiO?粉末嵌入聚苯乙烯丙烯酸酯中，在正午太阳辐射强度最大时能够使温度降低6摄氏度，具有84.2瓦/平方米的被动冷却潜力[24]。另一种含有分散在丙烯酸基质中的CaCO?色素的商用涂料在正午时温度降低了1.7摄氏度，测得的冷却功率密度为37瓦/平方米[15]。使用丙烯酸乳液制备的BaSO? PRC涂料在正午时温度降低了4.5摄氏度，测得的冷却功率为117瓦/平方米[18]。当结合BaSO?和SiO?颗粒时，辐射冷却涂料的表面温度可以降低8.1摄氏度，观察到的冷却潜力约为89.6瓦/平方米[25]。总体而言，具有良好可扩展性、耐用性、易于运输和施工特性的随机分布颗粒结构的PRC涂料更适用于建筑应用。
除了降低表面温度外，PRC涂料的冷却效果还包括降低室内空气温度，从而减少使用空调进行室内冷却的主动电能消耗。然而，这些性能评估通常基于小规模建筑模型的模拟或实验[25][26][27][28][29][30][31]。例如，一个尺寸为1×1×0.8米（长×宽×高）的房屋模型被涂上了PRC涂料以进行性能评估[28]。另一个尺寸为0.8×0.8×0.8米（长×宽×高）的缩小比例模型被用来研究PRC技术的日间辐射冷却效果[29]。然而，由于实际环境中的空气流动和热传递条件复杂，小规模实验中观察到的温度降低结果难以推广到实际建筑物。对实际建筑物上的PRC技术进行研究以评估其节能性能是非常必要的。此外，许多研究主要集中在分析PRC涂料的表面温度降低效果[32,33]，只有少数研究关注其在全尺寸建筑上的室内空气冷却性能[34,35]。
最近，一个尺寸为152米×54米×11.5米（长×宽×高）的仓库应用了PRC超材料薄膜来研究其冷却和节能性能[34]。一项研究使用尺寸为6.05×2.43×2.53米（长×宽×高）的金属容器办公室来研究PRC涂料的辐射冷却性能[35]。另一个研究在真实运行条件下研究了尺寸为2米×2.34米×2.37米（长×宽×高）的预制测试建筑的辐射冷却表面效果[36]。还详细研究了使用辐射冷却涂层的两层建筑的隔热和节能性能，该建筑的尺寸为5.2米×4.6米×3.0米[37]。直接在临时住房的屋顶上应用辐射冷却（RC）涂层，研究了高效临时住房的辐射冷却系统[38]。然而，这些案例研究都是在夏季炎热和冬季温暖的时期（合肥、广西和香港）进行的。对于全年夏季炎热的热带气候地区，关于实际建筑物上辐射冷却性能的详细研究仍然不足，而在这些地区被动冷却需求非常高。热带气候下辐射冷却的挑战在于其超过1000瓦/平方米的高太阳强度，以及由于高相对湿度和广泛的云层覆盖导致的大气透射率显著降低；这使得向下辐射的大气辐射量丰富（450-500瓦/平方米）[39][40][41][42][43][44]。据估计，即使在太阳吸收最小和红外辐射最大的情况下，热带气候下的辐射冷却功率也可能减半（约35瓦/平方米）。
为了研究全年夏季炎热的热带地区实际工厂建筑上的被动辐射冷却性能，进行了一项全面的实验和数值研究，分析了带有金属屋顶的工厂建筑（尺寸为75.6米×33.6米×16.8米（长×宽×高）上PRC涂料的辐射冷却和节能性能。进行了长期测量，包括室内空气温度、屋顶温度（内表面）和热流，以研究PRC涂料在新加坡建筑冷却中的效果。为了全面了解PRC涂料一年的被动辐射冷却性能，使用EnergyPlus软件进行了模拟，考虑了季节变化带来的不同加热和冷却需求。此外，还评估了不同气候区PRC涂料的年主动能耗，以建议适合应用辐射冷却涂料的区域。
PRC涂料的制备和光学分析
为了实现高效的辐射冷却效果，水性PRC涂料含有白色颗粒（TiO?）和玻璃空心微球，这些颗粒随机分布在丙烯酸乳胶中作为聚合物基质。通过均匀混合所有颗粒、乳胶、水和功能剂来制备这种涂料。充分搅拌后，可以使用刷子、滚筒或喷枪将PRC涂料涂覆在各种基材表面（金属、木材、混凝土等）上。如图1a所示，PRC涂料能够
实验测试
图4a和4b显示了在屋顶涂上PRC灰色涂料前后的工厂建筑图像。图4c和4d显示了相应的红外图像和热点温度。从结果来看，屋顶表面温度显著降低，从53.9摄氏度降至41摄氏度。这12.9摄氏度的温度降低表明，PRC涂料通过其高红外发射率和太阳反射率特性实现了高效的被动辐射冷却。
结论
本研究通过实验和模拟方法，研究了面积约为2540平方米的大规模工厂建筑上PRC涂料的辐射冷却效果。在典型的热带气候条件下，新加坡进行了全面实验，以评估涂上PRC涂料前后工厂建筑的屋顶表面温度和室内空气温度。涂上PRC涂料后，正午时的平均屋顶表面温度降低了15.5摄氏度
作者贡献声明
Di Han：概念化、调查、数据管理、撰写初稿。
Yongping Long：调查、数据管理。
Man Pun WanBing Feng Ng
