文献前沿丨Cell Rep. Phys. Sci.: 用于室温环境中无冷凝人体热管理的辐射冷却绿洲

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建筑空间的降温对温室气体有着重要影响，而传统的降温方式是通过冷却非使用空间，将冷量传递到使用空间，从而实现降温的目的，造成了不必要的能源浪费。针对此问题，该研究提出了一种无冷凝个性化辐射制冷方案。该策略使用放置在居住者两侧的两块辐射制冷板来创造一个“冷却绿洲”，在不冷却整个空间的情况下提供局部舒适，可实现5至10℃的温降效果，且无冷凝风险，具备灵活性。通过实验证实了在微热环境下（28℃ ~ 30℃）“冷却绿洲”保持舒适性的能力。当环境温度从24℃升高到28℃ ~ 30℃时，该策略可节省20% ~ 30%的能耗，展现出了在大空间冷却领域的应用潜力。相关工作以Radiative cooling oases for condensation-free personal cooling in ambient environments为题发表在Cell Reports Physical Science期刊。

2.1系统设计与工作原理

个性化辐射制冷技术的面板（PRCB）如图1所示，它由干空气层、冷却板、水管、保温层等组成多层结构。为了确保在冷却过程中系统表面不会产生凝结现象，冷却板用高红外透明膜密封以形成干空气层，合适厚度的（＞5.5 cm）干空气层可使膜内温度显著升高，阻止冷凝产生，如图1A所示。冷却板由薄金属制成，以确保辐射制冷表面均匀的温度分布。冷却板外表面涂覆高发射率材料（发射率约为0.95的石墨烯复合碳纳米管）以实现辐射制冷目的。冷却板后是具有进出水功能的毛细水管层，利用软水管将面板与冷水供应系统连接，保温层放置在毛细水管后，形成持续的冷水循环。如图1C所示，辐射制冷板安装在可移动支架上，这种设置允许用户在工作时间通过调整两个无冷凝PRCB之间的距离和角度来针对特定的身体部位，形成个性化、可移动的制冷装置。

图1：无冷凝个性化辐射冷却系统设计原理

“冷却绿洲”创造的微热环境示意图如图2所示，将“冷却绿洲”假想为长方体，PRCB两个表面是相对的，而其余四个面是虚构，如图2A所示。“冷却绿洲”的微热环境主要以局部工作温度为特征，该数值受局部平均辐射温度（MRTmic）和局部空气温度（Tmic）的影响。假设居住者坐在长方体的中间位置，MRTmic由无冷凝的PRCB的冷却表面温度和周围其他表面（包括墙壁、地板和天花板）的温度确定，,如图2B所示。而Tmic是通过对流换热建立的，如图2C所示。局部空气通过对流将热量传递给膜，对流传热发生在膜的外表面，膜通过膜密封的干空气层内的对流和传导将热量传递到RC表面，环境空气通过虚拟表面的对流将其热量传递给当地空气。在稳态下，RC表面与膜、膜与局部空气、局部空气与周围空气的对流换热密度相等，实现了局部的冷却。

图2：无冷凝PRCB创造的微热环境

2.2实验分析

为了评估微热环境，构建了两个无冷凝PRCB原型，如图3A所示，装置长0.7 m，高1.0 m。膜由20.0 mm低密度聚乙烯LDPE制成，在2.5-22.0 mm波长范围内的红外透过率如图3B所示。装置在长9.0 m、宽4.5 m、高2.4 m的环境室中进行了测试。测量方案如图3C所示，其中安装了多个传感器，分别测量微热环境、环境环境和无冷凝PRCB的各种热参数。

图3：无冷凝PRCB微热环境的实验装置

通过使用5个额定功率为180 W的电加热器调节环境温度，使环境温度稳定在27.7℃,29.2℃和31.3℃，使用风冷式冷水机组冷却水温进一步控制并稳定RC温度在5℃、10℃、15℃和20℃。记录了不同环境温度和RC温度下的局部平均辐射温度MRTmic和局部气温Tmic，如图4所示。当无冷凝PRCB的RC温度约为5℃时，MRTmic分别从27.5℃、29.8℃和31.3℃降低到24.2℃、26.7℃和27.8℃，平均降低3.43℃，如图4A所示。无冷凝的PRCB通过与膜表面的热交换降低了Tmic，如图4B所示。Tmic分别从27.5℃、29.5℃和31.5℃降至24.9℃、27.1℃和28.3℃，平均降低2.73℃，如图4C所示。这表明无冷凝的PRCB在“热”环境中有效地形成了一个“冷却绿洲”。如图4D所示，虚线表示环境温度为27.7℃、29.2℃和31.3℃时，相对湿度（RH）为60%时的露点温度。从所有测试中可以看出，膜温度始终高于露点温度，证实不存在冷凝风险。

图4：不同环境温度下无冷凝PRCB对产生的微热环境特性分析

2.3热舒适性分析

热舒适分析如图5所示。为了简化分析，我们只考虑一个典型的办公室活动，考虑2种环境空气温度（30℃和28℃）和3种RC温度（5℃、10℃和15℃），RH控制在40% ~ 60%范围内。总共有24名受试者被邀请提供他们在每种情况下的热感觉反馈，在局部工作温度稳定的情况下，共采集1008个数据样本。图5A为热舒适调查参与者的红外相机图像。图5B显示了调查结果，在一定的环境温度下，热感觉投票（TSV）随着RC温度的降低而降低。TSV与当地工作温度之间的关系如图5C所示，这可以用来表征冷却绿洲的热舒适性。要使预测平均投票PMV在-0.5 ~ 0.5范围内，局部工作温度应调节在22.6℃ ~ 25.8℃之间，如图5D所示。这一差异表明，与传统空冷系统产生的温度相比，在无冷凝PRC系统产生的热环境中，更高的工作温度可能更舒适。

图5：无冷凝PRCB系统热舒适性调查与分析

2.4能源性能分析

通过与传统空冷系统的比较，对无冷凝PRCB系统的节能潜力进行了评估，如图6所示。分析是在大面积办公室进行的，假设最多有100名居住者，相当于每10平方米1人。图6A显示了能源性能模拟的边界条件，其中包括屋顶、西外墙、窗户、办公设备、照明和人体的热量增益。根据预先设定的工作时间表，估算来自办公设备、照明和人体的感热和潜热增益，如图6B所示。图6C和图6D为无冷凝PRCB系统与常规空调系统相比的节能情况。当环境温度维持在28℃时，节能幅度为19.8% ~ 22.8%，当环境温度提高到30℃时，平均节能29.7%。节能的潜力取决于入住率，入住率越低时节能效果越好。图6E、F分别比较了在七月一个典型工作日，传统风冷系统与情景1及情景2在不同占用率下的能源消耗和节能潜力。在低入住率（0 ~ 10人）情况下，情景1和情景2的最大节能潜力分别为22.7% ~ 24.7%和33.5% ~ 36.6%。即使满员的情况，节能量仍然很大，分别为17.5%和25.3%。

图6：无冷凝PRCB系统能源性能分析

小结：研究者提出了一种无冷凝的个性化辐射制冷技术，为大型高温空间的居住者建立“冷却绿洲”，以最大限度地减少建筑冷却能源的使用。通过将辐射制冷表面与空气接触面分离，在显著降低辐射制冷温度的同时阻止了冷凝风险。实验结果表明，当一对尺寸为1.0 × 0.7 m的无冷凝PRCB间距为1.2 m时，RC温度为5℃时，可使“冷却绿洲”内的工作温度比环境工作温度平均降低2.73℃。该辐射冷却系统为大空间个性化节能减排提出了新方案，有可能减轻全球变暖的影响，在追求可持续绿色发展上具有重要意义。

论文信息：Liang Y, Zhang N, Wu H, Xu X, Lin Z, Yao X, et al. Radiative cooling oases for condensation-free personal cooling in ambient environments. Cell Rep. Phys. Sci. 2024; 102265. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102265.

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