该文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的科学论文。以下是针对该研究的学术报告：

作者与机构
本研究由Manuel Koch（瑞士洛桑联邦理工学院EPFL及瑞士西北应用科学与艺术大学FHNW）、Parantapa Sawant（FHNW）、Ralph Eismann（FHNW）和Colin N. Jones（EPFL）合作完成，发表于2025年的期刊《Energy & Buildings》（卷343，文章编号115883）。

学术背景
研究领域聚焦于建筑能源系统，具体涉及辐射制冷（radiative cooling）、太阳能辅助供暖（solar-assisted heating）和模型预测控制（model predictive control, MPC）的交叉应用。全球建筑能耗中约15%用于供暖与制冷，而传统系统效率低下且依赖高碳能源。本研究旨在通过结合光伏-光热（PVT）集热器、可逆热泵（reversible heat pump）和MPC算法，开发一种多模态系统，以同时提升供暖、制冷及生活热水（domestic hot water, DHW）的能效。

研究核心背景包括：
1. 辐射制冷原理：物体通过大气窗口（8–13 μm波长）向低温宇宙空间辐射热量，实现被动降温。
2. PVT集热器的双重功能：白天发电，夜间作为辐射制冷表面。
3. MPC的优化潜力：通过预测天气与建筑热力学模型，动态调整系统运行策略以降低能耗。

研究目标包括：验证系统在温带气候下的全年性能，评估其相较于传统系统的节能潜力，并分析经济可行性。

研究流程与方法
研究分为五个主要步骤：

1. 建筑仿真模型构建

   • 对象：一栋140 m²的欧洲独户住宅，含双层混凝土辐射地板（8 cm厚）、外墙保温层（12–16 cm）和机械通风系统。
     
   • 工具：基于MATLAB ODE23t求解器开发动态热模型，集成PVT集热器（58.8 m²）、可逆热泵（COP 4.0）和 brine-water换热器。
     
   • 创新点：将辐射地板作为热储能介质，省去传统储水箱。
     

2. 数据驱动的系统辨识

   • 方法：通过全年随机化控制实验采集数据，建立简化热力学模型（2状态变量：区域温度T_zone和地板温度T_slab）。
     
   • 模型输入：环境温度、太阳辐射、控制变量（主动/被动制冷、主动供暖）。
     
   • 算法：基于Frobenius范数的最小二乘拟合，优化模型参数θ。
     

3. 模型预测控制设计

   • 控制器：混合整数线性规划（MILP）问题，目标为最小化电力消耗，约束包括舒适温度（21–24.5°C）和设备开关频率限制。
     
   • 创新点：
     
     • 分时控制策略：仅夜间启用辐射制冷，白天利用地板热惯性维持冷却。
       
     • 软约束处理：对温度越界施加安全裕度（0.5 K）。
       

4. 对比实验与性能评估

   • 对照组：传统空气源热泵系统（带外部风扇换热器）。
     
   • 指标：电能消耗、热性能系数（COP/EER）、温度越界时长（Kelvin-hours）。
     
   • 仿真条件：基于法国斯特拉斯堡气象数据，模拟全年运行。
     

5. 经济性分析

   • 成本估算：PVT集热器（25,000–35,000 CHF）、安装费（10,000–20,000 CHF）与电价情景（0.25–0.40 CHF/kWh）的敏感性分析。
     

主要结果
1. 能效提升
- 制冷：总节电39.0%，被动冷却贡献35.6%冷量且EER达27.68，主动冷却EER提升至6.02（传统系统为4.86）。
- 供暖：节电21.7%，COP从3.58提升至4.49。
- 生活热水：节电27.4%，但温度越界增加23.4%（因MPC预测误差）。

1. 热力学性能

   • 辐射制冷功率密度：夜间达100 W/m²（与马德里实验数据一致）。
     
   • 地板热惯性：成功实现昼夜负荷转移，无需额外储热装置。
     

2. 控制效果

   • MPC平均求解时间0.32秒（Intel i9-11900K），满足实时性需求。
     
   • 温度越界控制在6.6 K·h/年以内，符合舒适标准。
     

3. 经济性

   • 仅当电价高位（0.40 CHF/kWh）且安装成本低位（25,000 CHF）时，投资回收期<20年。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次将PVT集热器、可逆热泵与MPC结合，验证了多模态系统的技术可行性。
- 提出辐射地板作为热储能介质的创新设计，减少设备复杂度。

1. 应用价值

   • 为温带气候区住宅提供高能效解决方案，尤其适合屋顶面积充足的建筑。
     
   • MPC算法可推广至其他混合能源系统优化。
     

2. 局限性

   • 辐射制冷功率密度低，需大面积集热器；经济性依赖未来电价上涨或PVT成本下降。
     

研究亮点
1. 方法创新：融合辐射制冷与太阳能供暖的串行系统设计，兼顾昼夜能源需求。
2. 控制优化：数据驱动的MPC模型显著降低计算复杂度，适合嵌入式部署。
3. 跨学科贡献：为建筑物理、能源工程与自动控制的交叉研究提供范例。

其他发现
- 敏感性分析表明，天空温度模型偏差对总能耗影响%，系统鲁棒性较高。
- 在干燥炎热气候中，辐射制冷效率可能进一步提升，但需增加热存储容量。

（报告总字数：约1800字）