基于超材料光谱选择性膜的辐射致冷机理及其建筑集成机制研究

Metamaterial spectrum selective film (metamaterial film) provides a possibility for full-time radiative cooling, however, the lower diurnal radiative cooling power is still the bottleneck of restricting its application in the field of building energy saving. To achieve the building integration of metamaterial film based radiative cooling, not only the microstructure should be adjusted for improving the radiative cooling power of metamaterial film, but also the way of building integration should be optimized for the efficient utilization of radiative cooling. The primary challenges of current study are: (1) the influencing mechanism of the microstructure on the performance of radiative cooling is unknown; (2) the understanding of the heat transfer mechanism on the radiative cooling surface is insufficient, which leads to large calculation error of the heat transfer models; (3) the coupling mechanisms of radiative cooling with enclosures and air conditioning systems are unclear. To overcome above challenges, three studies will be carried out in this project, including the preparation and characterization of the metamaterial film, the mechanism of heat transfer on the radiative cooling surface of the metamaterial film, and the building integration mechanism of metamaterial film based radiative cooling. The project will further improve the diurnal radiative cooling power of the metamaterial film; solve the problem of large calculation error for the existing heat transfer models on the radiative cooling surface; reveal the mechanism of radiative cooling and its building integration mechanism based on the metamaterial film, and then provide the theoretical and technical support for building integration of metamaterial film based radiative cooling.

超材料光谱选择性膜（超材料膜）为全日性辐射致冷提供了可能，但现有超材料膜日间辐射致冷能力较低，仍然是制约其在建筑节能领域应用的瓶颈。实现超材料膜辐射致冷的建筑集成，既需要调整超材料膜的微结构以提升其辐射致冷能力，也需要优化建筑集成方式以实现对辐射致冷的高效利用。当前研究所面临的挑战主要有：(1)膜的微结构对辐射致冷性能的影响机制不明；(2)对辐射表面的传热机制的认识不足，并导致传热模型计算误差较大；(3)辐射致冷与围护结构及空调系统的耦合作用机制不清。针对上述挑战，本项目拟开展超材料膜的制备与表征，超材料膜辐射表面的传热机制，及超材料膜辐射致冷的建筑集成机制三项研究。项目研究将进一步提升超材料膜的日间辐射致冷能力；解决现有辐射表面传热模型误差较大的问题；揭示基于超材料膜的辐射致冷机理及其建筑集成机制，为推动超材料膜辐射致冷的建筑集成提供理论和技术支撑。

超材料光谱选择性膜（简称：超材料膜）的提出，虽然进一步推动了辐射致冷技术的发展，但其日间辐射致冷能力仍然较低，需要与空调系统联合或交替运行，以满足建筑冷负荷的实际需求。针对该问题，本项目从提升超材料膜的日间辐射致冷能力，以及实现辐射致冷在建筑集成中的高效利用两个角度出发，开展基于超材料膜的辐射致冷机理及其建筑集成机制的研究。本项目首先制备出超材料辐射致冷薄膜和日间辐射致冷涂料，并结合Mie理论和Monte Carlo方法对辐射致冷材料性能调控机制进行了研究。在此基础上，对辐射表面的传热机制进行研究，并针对建筑应用中的传热特征，建立简化传热模型（RTTV）。最后，针对我国气候特征，对超材料膜辐射致冷冷屋面（MFCR），超材料膜辐射致冷通风屋面（RCVR），热虹吸辐射致冷/蓄冷系统（STRC）在不同类型建筑中的节能潜力进行了研究。研究结果表明：所制备的日间辐射致冷材料在大气窗口波段的发射率均不低于0.91，在太阳热辐射波段的反射率均不低于0.92。其中，所制备的日间辐射致冷涂料以建筑基材为主要原料，其日间平均辐射致冷量约为46.8 W/m2，具有广泛的应用前景；所建立的RTTV模型的最大相对误差低于14%，不仅可以满足工程计算需要，而且极大的简化了计算过程；与采用沥青屋面的低层装配式建筑相比，位于我国气候区的MFCR集成建筑的年制冷耗电量可降低约28.9%-43.0%，其投资回收期不高于3年；与采用沥青屋面的低层办公建筑相比，位于我国气候区的MFCR集成建筑采用最优屋面配置后，即屋面热阻为R7、无量纲热阻为1.53、屋面坡度为20°时，全年供冷耗电量可降低约15.7%-25.0%；RCVR有效改善了MFCR在供热季节导致供热负荷增加的问题，与采用普通屋面和MFCR的建筑相比，RCVR集成建筑全年空调总耗电量（供冷+供热）可分别减少约16.9%和21.8%；当建筑采用优化后的STRC系统时，年供冷耗电量可降低约41%-56%，投资回收期约为8.4年-10.5年。本项目研究成果可为建筑节能减排提供一种新方法，为辐射致冷技术在建筑领域的应用提供理论支撑。