某工业建筑金属屋面辐射制冷技术应用探讨

辐射制冷技术在高效反射太阳辐射的同时，通过大气窗口波段将热量以热辐射的方式传递至2.7K的低温外太空，可以不消耗额外能量自发地使物体表面温度降低至环境温度以下。被认为是降低制冷能耗，尤其是降低建筑空调能耗的一种新型技术。该技术在工业建筑金属屋面板表面的广泛应用，将有力地缓减全球变暖问题，助力“碳达峰、碳中和”的目标早日实现。

●  工程概况

◆ 辐射制冷技术简介

辐射制冷技术研究成果于2017年发表在国际顶级科技杂志《Science》后，引起了全球的广泛关注，获得《物理世界》“2017年十大物理突破”之一、《经济学人》“2017年度十大新闻”之一等国际顶级荣誉，该技术对减缓全球变暖具有划时代的意义。根据此技术研发生产的应用于建筑金属屋面的辐射制膜及一体化辐射制冷金属压型板产品已量产并投入应用，辐射制冷薄膜是具有无能耗制冷功能的超材料薄膜，相关产品可广泛应用于绿色建筑、恒温仓储、冷链物流等对节能环保有需求的工业建筑。

辐射制冷薄膜由有机高分子材料和无机功能材料构成，通过其大气透射窗口波段内的高红外发射能力将热量源源不断向外太空冷源高效传递，同时利用其对太阳辐射能量的高反射作用将表面太阳热量吸收降到最低，达到显著降温的效果。

图1  辐射制冷薄膜降温原理示意图

图2  辐射制冷薄膜超低太阳吸收率和超高红外辐射率光谱图

辐射制冷膜包含的关键技术有：

（1）辐射制冷技术：热量透过大气透射窗口（8-13μm）以红外辐射方式向外太空低温源不断传递（见图1），无大气吸收。

（2）超材料设计技术：通过微纳结构设计与尺寸控制调控电磁波，红外发射率高（94%，近黑体，见图2），显著增加热辐射效率。

（3）精细表面处理技术：通过膜表面金属功能化处理，实现96%的太阳能反射率，增强降温效果。

（4）有机-无机复合技术：通过材料微观多相界面调控，获得稳定的材料结构，实现批量化生产。

应用辐射制冷膜的金属面板产品在建筑领域展示出了优秀的制冷功能。以辐射制冷压型钢板产品为例，将其与普通彩钢板同时置于阳光下对比测试，二者表面温差可达近20℃（见图3~4），降温效果异常显著。

图3  辐射制冷钢板表面温度测试图

图4  普通彩钢板表面温度测试图

◆ 项目背景和意义

某项目位于广西壮族自治区境内，夏季平均最高温度32℃，极端最高气温可达37℃。项目库房是典型的钢结构门式刚架结构工业建筑（见图5），主要用于存放红酒，为保证库存红酒的质量，需要长期维持内部温度20±2℃，为此要运行较大功率空调系统，从而带来较大的空调电耗。

图5  某项目现场实景图

辐射制冷技术具有无能耗持续制冷的特点，特别适合此类红酒库房工业建筑降低空调能耗的要求。此技术能够帮助这一项目明显降低能耗和二氧化碳排放量，获得很好的经济效益和环保效益。故针对客户需求，结合项目围护结构特点，进行辐射制冷技术的综合应用实施。

● 金属屋面辐射制冷膜应用方案

◆ 项目围护系统简介

项目库房建筑面积8,447.5㎡，为单层建筑，平均高度为9.3m，南北朝向墙面长约156m，东西朝向墙面长约54m（见图6、表1），屋顶面积8,644㎡。

图6  建筑屋顶平面图（单位：mm）

表1  建筑围护结构材料表

项目库房侧墙具有大面积的双层中空玻璃窗（见图7）。根据图纸测算，侧墙窗户中玻璃总面积约为480㎡。这些玻璃窗口将是较大的热交换通道，给建筑室内降温增加了大量的空调电力消耗。

图7  建筑立面图（单位：mm） 

◆ 辐射制冷技术总体应用方案

据项目所在地气象资料统计，夏季平均最高温度接近32℃，极端最高气温可达37℃。项目库房建筑内温度需控制在22~24℃范围内。由于气候炎热、红酒库温控要求严格，库内空间高度大，在强烈的太阳辐射下，库房室内外温差大，必然导致空调电耗高且易出现库内上部空间部分空气温度偏高、难以控制的现象。

根据表1所示项目库房屋面围护材料的特点，给出了此类屋顶热量流向示意图（图8）。由于夏季日照辐射强烈，太阳照射直接作用于屋顶，对于普通屋顶材料，大部分能量会被吸收导致建材升温，成为显著“热源”。一部分热量随着对流流失，或加热了周围空气；但大部分热量逐步向下传导，导致屋内空气温度上升，加剧了空调的冷负荷。

图8  现有屋面热量流向示意图

根据模拟计算分析，在现有彩钢板上铺设辐射制冷反射膜后的屋面，则展示了其完全不同于传统屋顶的热量流向（图9）。辐射制冷反射膜以其高达96%的太阳辐射反射率将绝大部分太阳能量反射，保证屋面基本不升温；同时以94%的红外发射率向外太空高效发射热量，从而实现屋顶辐射能量的净输出，达到给室内环境制冷的效果。

图9  应用辐射制冷膜后屋面热量流向示意图

项目四周外墙立面上的玻璃也将接收到不同程度的太阳辐射，进而引起室内升温，增加空调冷负荷。为获得最佳的制冷效果，外墙玻璃选择铺设辐射制冷透射膜，进一步达到节省空调电耗的效果（图10）。

图10  项目辐射制冷方案实施区域示意图

综上所述，项目库房整体应用辐射制冷技术方案区域汇总如表2所示。

表2  项目库房应用辐射制冷方案材料汇总表

◆ 辐射制冷应用效果计算分析

根据图11可知，项目所在地月平均气温波动于15℃至29℃之间，而夏季最高温度可达30℃以上。基本上从4月至11月都需要空调提供制冷能耗以维持库内适宜的红酒储存温度。

图11  项目所在地日均温度统计图

根据业主方要求，红酒的最佳储存温度为20±2℃。若严格维持在18~22℃，夏季空调制冷能耗将十分巨大。因此，在炎热的5~10月，库内温度将控制在22~24℃内；而在冬季，由于红酒储存温度波动幅度不宜太大，空调也将启动供暖功能使库内温度稳定在22℃左右。以下将继续模拟分析空调温度设定在22~24℃区间内对应的全年空调能耗情况。

模拟结果显示（图12）：应用辐射制冷产品前，项目库房全年总能耗约为364万kWh，制冷时间为3,474h/年，供暖时间为2,004h/年。应用辐射制冷产品后，总能耗降低至288万kWh/年，可节省约21%的空调用电量，同时制冷时间降低至2,747h，供暖时间则只略微增加至2,008h。

图12  本项目施工前后空调能耗模拟计算图（设定温度22~24℃）

基于Energyplus仿真模拟软件（图13）对于该项目库房内部能耗的模拟分析可以发现，在目前库内部空调设定温度22~24℃的情况下，应用辐射制冷反射膜与辐射制冷透射膜后：空调全年能耗可降低约76万kWh，节能约21%；制冷时间可减少约730h。这意味着应用辐射制冷薄膜后，能够在取得更大空调能耗节省的情况下，使用最优温控大大提升红酒的储存品质。

图13  Energyplus仿真模拟软件建模图

◆ 辐射制冷膜施工工艺

屋面辐射制冷反射膜在现有金属压型板面结构上进行铺设（图14），其主要工序依次为裁膜→屋面清理、清洗（图15）→对齐（图16）→粘贴（图17）→再处理→封边（图18）。

图14  屋面压型板面辐射制冷膜施工方案

图15  清理、清洗

图16  对齐

图17  粘贴

图18  封边

对于新建项目，可选用一体化辐射制冷金属压型板，是预先复合有辐射制冷反射膜的金属板建材，在工厂将金属板卷与膜材覆膜后成卷送至项目现场，采用面板压型设备完成加工后铺设。

● 结  语

某项目屋墙面应用辐射制冷技术后，通过对仓库的温度和能耗数据进行长期监测，并基于实测结果建立了建筑能耗模型。实测数据和计算结果均表明应用辐射制冷技术后不仅空调能耗大幅下降，而且建筑内不同高度的温度波动和温度分层现象得到缓解，分析结果表明在赤道附近区域应用后节能率可达21.2%-65.2%（见图19~22）。因此该技术有广阔的推广应用空间。

图19  某项目库房应用辐射制冷材料后的外观、机理及测试图

图20  某项目库房外观及屋面应用辐射制冷技术前后外观效果图（a）库房方位、周边环境及外观（红色框选区域为测试及模拟计算区域）；（b）应用辐射制冷技术前/后屋面外观。

图21  应用辐射制冷技术前/后项目库房实测温度数据（a）应用前屋面及室内温度；（b）应用前库房室内温度分层情况；（c）应用后屋面及室内温度；（d）应用后库房室内温度分层情况。

图22  应用辐射制冷技术前/后项目库房实测温度和模拟结果对比（a）应用前屋面温度实测与模拟结果；（b）~（e）分别为应用前室内距地面10m、7m、3.5m和1.5m高度处空气温度的实测和模拟结果；（f）应用前空调耗电实测与模拟结果；（g）应用后外顶温度实测与模拟结果；（h）~（k）分别为应用后室内距地面10m、7m、3.5m和1.5m高度处空气温度的实测和模拟结果；（l）应用后空调耗电实测与模拟结果。

* 注：部分内容和图片援引自Ronggui Yang等的Performance Evaluation of Radiative Cooling for Commercial-scale Warehouse一文，发表于Materials Today Energy杂志2022年第24期，部分内容参考浙江省品牌建设联合会团体标准《辐射致（制）冷膜》（T/ZZB 2304-2021）。