天空辐射制冷规模化应用对我国建筑的减碳作用研究

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来源 | 制冷学报

作者 | 徐第开1，盛茗峰1，杨荣贵2，赵东亮1

单位 | 1东南大学能源与环境学院；2华中科技大学能源与动力工程学院

摘要：建筑的节能和可再生能源利用是实现碳达峰、碳中和目标的关键一步。天空辐射制冷作为无需额外能耗、无需制冷剂的制冷技术，对于实现建筑节能、降低碳排放具有重要意义。为此，本文研究了天空辐射制冷技术应用于我国既有建筑后的减碳作用预期，即降低建筑运行阶段碳排放的潜力。以统计年鉴为依据，获得目前我国建筑总存量面积及各省不同建筑类型存量面积。对 9 种典型建筑类型分别按节能标准建模，并在我国各省分别选取气象站的典型气象年数据，利用建筑能耗模拟工具 EnergyPlus 计算获得各省不同建筑类型在建筑运行阶段的碳排放基准值及应用天空辐射制冷技术后的减碳量、减碳率，其中居住建筑和工业建筑具有较高的平均减碳率。分析了应用后减碳率的空间分布，结果表明按气候区划分的平均减碳率为严寒地区 4.92%，寒冷地区 8.11%，夏热冬冷地区 10.71%，夏热冬暖地区 10.92%，温和地区 16.77%。综合全国年总减碳量可达 2.30亿 t CO₂，占建筑运行碳排放的 10.90%，占能源总碳排放的 2.39%，对于我国实现双碳战略目标的预期贡献巨大。

关键词：减碳作用预期；天空辐射制冷；建筑节能；建筑碳中和

背景介绍

为实现《巴黎协定》将全球温升控制在1.5°C 以内的目标，我国于 2020 年提出力争2030 年前实现碳达峰，努力争取在 2060 年前实现碳中和。为此，住建部发布并于 2022 年 4月起强制实施《建筑节能与可再生能源利用通用规范》，表明建筑作为能源转型与减碳的重点领域，亟需低成本且可广泛应用的减碳技术。在我国建筑部门的碳中和路径中，降低建筑运行阶段的用电量是减少间接碳排放的重要任务之一。天空辐射制冷作为无额外能耗、无需制冷剂的利用外太空极冷环境的制冷技术，对于提升建筑可再生能源使用比例，缓解城市热岛效应以实现“双碳”目标具有重要的研究意义与应用价值。

天空辐射制冷现象普遍存在于自然界中，是沙漠夜间低温的重要原因，但直到 20世纪50 年代人们才开始深入研究辐射制冷并对其应用潜力开展较为系统的研究。尤其是近 10年来，随着纳米光学和超材料技术的发展，可以在白天实现低于环境温度的辐射制冷材料被制备出来。辐射制冷材料的深入研究也为大规模应用辐射制冷技术提供了可能。在碳中和大背景的推动下，辐射制冷巨大的节能减碳潜力受到研究者们的关注，周志华等分析了辐射制冷在建筑冷却、太阳能光伏冷却、辅助冷源等方面的节能减排潜力。由于我国建筑存量巨大，将辐射制冷材料直接应用于建筑物围护结构外表面效果尤为突出，能够起到良好的降温效果，降低建筑物的冷负荷，从而减少空调系统能耗。

在此基础上，本研究综合考虑到我国不同地区的气候特点和环境特点差异，以既有建筑作为辐射制冷实际应用的载体，拟针对我国不同地区、不同气候条件分析在应用天空辐射制冷技术后的运行阶段所能实现的减碳效果，以及该效果对我国碳中和目标的预期贡献。

成果掠影

本文研究了辐射制冷技术在我国建筑应用的减碳预期，即降低建筑运行阶段碳排放的潜力。以《中国统计年鉴》、《中国建筑业统计年鉴》和《中国人口普查年鉴》为依据统计我国目前的总建筑存量面积，以及各省各建筑类型的存量面积。结果表明我国目前建筑存量面积约为 774.9 亿m²，可按其用途大致分为城市住宅住宿用房、农村住宅、厂房及仓库、办公用房、科教文体娱用房、批发零售餐饮用房、其他建筑、居民服务业用房、医疗用房。对这 9 类建筑类型分别按节能标准建模，并在我国 31 个省级行政区（除港澳台）分别选取气象站典型气象年数据，利用建筑能耗模拟工具 EnergyPlus 计算获得各省各建筑类型在建筑运行阶段用电与用天然气的碳排放基准值及应用辐射制冷后的减碳量、减碳率。结果表明居住建筑和工业建筑具有较高的平均减碳率。进一步分析了全国的减碳率空间分布，按气候区划分的平均减碳率为严寒地区 4.92%，寒冷地区 8.11%，夏热冬冷地区 10.71%，夏热冬暖地区 10.92%，温和地区 16.77%。汇总得出全国年总减碳量为 2.30 亿 t CO₂，占建筑运行碳排放的 10.90%，占能源总碳排放的 2.39%。对于我国实现双碳战略目标贡献巨大。

图文导读