天空輻射制冷規(guī)模化應(yīng)用對(duì)我國(guó)建筑的減碳作用研究

熱管理博覽會(huì)

2024年1月3日 14:48

來(lái)源 | 制冷學(xué)報(bào)

作者 | 徐第開(kāi)1，盛茗峰1，楊榮貴2，趙東亮1

單位 | 1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院；2華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

摘要：建筑的節(jié)能和可再生能源利用是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵一步。天空輻射制冷作為無(wú)需額外能耗、無(wú)需制冷劑的制冷技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能、降低碳排放具有重要意義。為此，本文研究了天空輻射制冷技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)既有建筑后的減碳作用預(yù)期，即降低建筑運(yùn)行階段碳排放的潛力。以統(tǒng)計(jì)年鑒為依據(jù)，獲得目前我國(guó)建筑總存量面積及各省不同建筑類(lèi)型存量面積。對(duì) 9 種典型建筑類(lèi)型分別按節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建模，并在我國(guó)各省分別選取氣象站的典型氣象年數(shù)據(jù)，利用建筑能耗模擬工具 EnergyPlus 計(jì)算獲得各省不同建筑類(lèi)型在建筑運(yùn)行階段的碳排放基準(zhǔn)值及應(yīng)用天空輻射制冷技術(shù)后的減碳量、減碳率，其中居住建筑和工業(yè)建筑具有較高的平均減碳率。分析了應(yīng)用后減碳率的空間分布，結(jié)果表明按氣候區(qū)劃分的平均減碳率為嚴(yán)寒地區(qū) 4.92%，寒冷地區(qū) 8.11%，夏熱冬冷地區(qū) 10.71%，夏熱冬暖地區(qū) 10.92%，溫和地區(qū) 16.77%。綜合全國(guó)年總減碳量可達(dá) 2.30億 t CO₂，占建筑運(yùn)行碳排放的 10.90%，占能源總碳排放的 2.39%，對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的預(yù)期貢獻(xiàn)巨大。

關(guān)鍵詞：減碳作用預(yù)期；天空輻射制冷；建筑節(jié)能；建筑碳中和

背景介紹

為實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》將全球溫升控制在1.5°C 以內(nèi)的目標(biāo)，我國(guó)于 2020 年提出力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭(zhēng)取在 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。為此，住建部發(fā)布并于 2022 年 4月起強(qiáng)制實(shí)施《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》，表明建筑作為能源轉(zhuǎn)型與減碳的重點(diǎn)領(lǐng)域，亟需低成本且可廣泛應(yīng)用的減碳技術(shù)。在我國(guó)建筑部門(mén)的碳中和路徑中，降低建筑運(yùn)行階段的用電量是減少間接碳排放的重要任務(wù)之一。天空輻射制冷作為無(wú)額外能耗、無(wú)需制冷劑的利用外太空極冷環(huán)境的制冷技術(shù)，對(duì)于提升建筑可再生能源使用比例，緩解城市熱島效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要的研究意義與應(yīng)用價(jià)值。

天空輻射制冷現(xiàn)象普遍存在于自然界中，是沙漠夜間低溫的重要原因，但直到 20世紀(jì)50 年代人們才開(kāi)始深入研究輻射制冷并對(duì)其應(yīng)用潛力開(kāi)展較為系統(tǒng)的研究。尤其是近 10年來(lái)，隨著納米光學(xué)和超材料技術(shù)的發(fā)展，可以在白天實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度的輻射制冷材料被制備出來(lái)。輻射制冷材料的深入研究也為大規(guī)模應(yīng)用輻射制冷技術(shù)提供了可能。在碳中和大背景的推動(dòng)下，輻射制冷巨大的節(jié)能減碳潛力受到研究者們的關(guān)注，周志華等分析了輻射制冷在建筑冷卻、太陽(yáng)能光伏冷卻、輔助冷源等方面的節(jié)能減排潛力。由于我國(guó)建筑存量巨大，將輻射制冷材料直接應(yīng)用于建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面效果尤為突出，能夠起到良好的降溫效果，降低建筑物的冷負(fù)荷，從而減少空調(diào)系統(tǒng)能耗。

在此基礎(chǔ)上，本研究綜合考慮到我國(guó)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)和環(huán)境特點(diǎn)差異，以既有建筑作為輻射制冷實(shí)際應(yīng)用的載體，擬針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)、不同氣候條件分析在應(yīng)用天空輻射制冷技術(shù)后的運(yùn)行階段所能實(shí)現(xiàn)的減碳效果，以及該效果對(duì)我國(guó)碳中和目標(biāo)的預(yù)期貢獻(xiàn)。

成果掠影

本文研究了輻射制冷技術(shù)在我國(guó)建筑應(yīng)用的減碳預(yù)期，即降低建筑運(yùn)行階段碳排放的潛力。以《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)建筑業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)人口普查年鑒》為依據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)目前的總建筑存量面積，以及各省各建筑類(lèi)型的存量面積。結(jié)果表明我國(guó)目前建筑存量面積約為 774.9 億m²，可按其用途大致分為城市住宅住宿用房、農(nóng)村住宅、廠房及倉(cāng)庫(kù)、辦公用房、科教文體娛用房、批發(fā)零售餐飲用房、其他建筑、居民服務(wù)業(yè)用房、醫(yī)療用房。對(duì)這 9 類(lèi)建筑類(lèi)型分別按節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建模，并在我國(guó) 31 個(gè)省級(jí)行政區(qū)（除港澳臺(tái)）分別選取氣象站典型氣象年數(shù)據(jù)，利用建筑能耗模擬工具 EnergyPlus 計(jì)算獲得各省各建筑類(lèi)型在建筑運(yùn)行階段用電與用天然氣的碳排放基準(zhǔn)值及應(yīng)用輻射制冷后的減碳量、減碳率。結(jié)果表明居住建筑和工業(yè)建筑具有較高的平均減碳率。進(jìn)一步分析了全國(guó)的減碳率空間分布，按氣候區(qū)劃分的平均減碳率為嚴(yán)寒地區(qū) 4.92%，寒冷地區(qū) 8.11%，夏熱冬冷地區(qū) 10.71%，夏熱冬暖地區(qū) 10.92%，溫和地區(qū) 16.77%。匯總得出全國(guó)年總減碳量為 2.30 億 t CO₂，占建筑運(yùn)行碳排放的 10.90%，占能源總碳排放的 2.39%。對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)貢獻(xiàn)巨大。

圖文導(dǎo)讀