学术研究报告：可旋转辐射冷却-光伏系统的建筑节能研究

作者及发表信息

本研究由Haida Tang、Juhu Wu、Weijie Chen和Chunying Li*（通讯作者）合作完成，作者单位包括深圳大学建筑与城市规划学院和深圳市健康建筑与福祉重点实验室（筹）。研究成果发表于期刊Energy & Buildings第316卷（2024年），文章编号114350，于2024年5月24日在线发表。

研究背景与目标

科学领域：本研究属于建筑节能与可再生能源交叉领域，聚焦建筑一体化光伏（BIPV, Building-Integrated Photovoltaic）和建筑一体化辐射冷却（BIRC, Building-Integrated Radiative Cooling）技术的创新整合。

研究动机：建筑能耗占全球总能耗的36%，其中空调系统占比高达65%。传统压缩制冷技术加剧全球变暖，而辐射冷却技术通过大气窗口（8–13 μm波长）将热量辐射至太空，无需电能即可实现降温。然而，现有技术存在局限性：
1. 辐射冷却材料性能受气候（如湿度）影响显著；
2. 光伏与辐射冷却的简单叠加（如通过冷却降低光伏板温度）实际效率提升有限（仅0.79%）；
3. 建筑表面面积有限，需高效利用可再生能源。

研究目标：提出一种可旋转辐射冷却-光伏（RRC-PV, Rotatable Radiative Cooling-Photovoltaic）系统，通过昼夜交替利用太阳能（白天发电）和太空冷源（夜间冷却），突破建筑表面积的限制，提升高密度城市可再生能源利用率。

研究方法与流程

1. 系统设计与原型开发

RRC-PV模块结构：
- 光伏侧：单晶硅光伏板（标称效率20%，温度系数-0.42%/℃）；
- 辐射冷却侧：背面覆盖辐射冷却薄膜（光谱发射率ε(λ)通过实验测定，见图7），外层为聚乙烯（PE）保护罩，中间留空气层以减少非辐射热交换；
- 旋转机构：电动马达驱动模块昼夜翻转（白天光伏面朝上，夜间辐射冷却面朝上）。

辅助系统：
- 冷却水循环管路（PPR管）用于夜间收集冷却能量，为数据中心等提供预冷水源；
- 自研gh_cpython程序计算辐射冷却功率，基于能量守恒原理（公式1）。

2. 模型开发与验证

仿真平台：
- 使用Rhino和Grasshopper平台，结合Ladybug插件模拟光伏发电；
- 辐射冷却功率计算模型：
$$
P{cooling} = P{rad}(T) - P_{atm}(Ta) - P{bld}(T{bld}) - P{solar} - P{loss}
$$
其中$P{rad}$为辐射冷却层发射功率，$P{atm}$为大气热辐射吸收，$P{bld}$为建筑表面热辐射吸收，$P_{loss}$为对流/传导热损失。

实验验证：
- 地点：深圳某校园屋顶（夏热冬暖气候）；
- 数据对比：模拟与实测光伏发电的CV(RMSE)为9.4%，辐射冷却功率为5.2%，符合ASHRAE Guideline 14标准（误差<30%）。

3. 全年能源性能评估

案例设置：
- 对象：深圳某典型办公室（24 m²，南向窗户）；
- 对照：无遮阳基础案例 vs. 安装1.68 m² RRC-PV遮阳模块案例；
- 参数：
- 空调系统COP（制冷3.5，制热4.5）；
- 冷却水循环效率损失率假设为20%。

评估指标：
- 光伏发电量（8:00–17:00）；
- 辐射冷却能量收集（17:00–次日8:00）；
- 建筑能耗强度（EUI, Energy Usage Intensity）。

主要研究结果

1. 可再生能源利用

• 光伏发电：年发电量361.9 kWh（215.44 kWh/m²），7月峰值21.61 kWh/m²；
  
• 辐射冷却：年冷却能量246.9 kWh（163.34 kWh/m²），10月最佳（14.45 kWh/m²），冬季性能优于夏季（湿度影响大气窗口透射率）。
  

2. 建筑节能效果

• 能耗降低：EUI从89.7 kWh/(年·m²)降至83.7 kWh/(年·m²)；
  
• 空调节能：年冷却能耗减少108.9 kWh（降幅12.2%），制暖能耗增加1.4 kWh（可忽略）；
  
• 综合节能：考虑光伏发电与冷却能量利用后，年总节能543.6 kWh（折合323.6 kWh/m²）。
  

3. 经济性分析

• 投资回报期：模块成本957.6元+安装287.3元+管路287.3元，按商业电价0.54元/kWh计算，回报期约5.2年；
  
• 25年净收益：5806.2元。
  

研究结论与价值

科学价值：
1. 提出首个可旋转交替利用光伏与辐射冷却的系统，解决建筑表面积限制问题；
2. 建立高精度仿真模型（CV(RMSE)<10%），为后续研究提供工具支持。

应用价值：
- 适用于高密度城市（如深圳）的办公建筑和数据中心；
- 缓解城市热岛效应，助力碳中和目标。

研究亮点

1. 创新设计：昼夜翻转机制实现太阳能与太空冷源的高效交替利用；
   
2. 多目标优化：集成发电、冷却、遮阳功能，全年综合能效提升显著；
   
3. 气候适应性：在夏热冬暖地区表现优异，冬季冷却能量仍可利用。
   

局限性与展望

1. 材料耐久性：辐射冷却薄膜易受风沙损伤，需开发更耐用的材料；
   
2. 气候依赖性：高湿度地区性能下降，需进一步优化系统设计；
   
3. 实际工程验证：冷却水循环效率需通过更大规模实验验证。
   

未来研究可探索辐射冷却材料的长效性，以及系统在多样化气候和建筑类型中的普适性。