文獻(xiàn)前沿丨Energy Convers. Manage.：基于透明輻射液體冷卻的亞環(huán)境系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冷卻與太陽(yáng)能利用雙重增效

隨著全球能源結(jié)構(gòu)向低碳化與可持續(xù)發(fā)展的轉(zhuǎn)型，建筑領(lǐng)域的能源消耗問(wèn)題日益受到關(guān)注。其中，制冷需求在總能耗中的占比持續(xù)上升，推動(dòng)高效節(jié)能冷卻技術(shù)的發(fā)展成為研究熱點(diǎn)。輻射冷卻作為一種無(wú)需額外能量輸入、可通過(guò)向外太空輻射熱量實(shí)現(xiàn)亞環(huán)境溫度冷卻的技術(shù)，因其被動(dòng)性與節(jié)能潛力而受到廣泛關(guān)注。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，輻射冷卻系統(tǒng)通常依賴(lài)較大的安裝面積，且其對(duì)太陽(yáng)輻射的高反射特性使其難以與光伏或其他太陽(yáng)能利用技術(shù)協(xié)同工作，從而在有限空間條件下制約了系統(tǒng)效率的進(jìn)一步提升。為解決上述問(wèn)題，本研究提出了一種亞環(huán)境透明輻射液冷系統(tǒng)（STRLC），并系統(tǒng)開(kāi)展了材料選擇、光學(xué)特性分析及戶外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該系統(tǒng)通過(guò)采用近紅外低吸收的硅油作為工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)輻射的高透過(guò)與中紅外高發(fā)射的協(xié)同優(yōu)化。在實(shí)際測(cè)試中，該系統(tǒng)在白天可實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度2.4 °C、夜間低于環(huán)境溫度5.1 °C的冷卻效果，同時(shí)可透過(guò)約66.3%的太陽(yáng)能用于后續(xù)利用。該策略有望在同一空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷卻能與太陽(yáng)能的協(xié)同獲取，為建筑節(jié)能與多能利用提供一種高效可行的解決方案。相關(guān)工作以Sub-ambient transparent radiative liquid cooling system enabling simultaneous solar energy utilization為題發(fā)表在Energy Convers. Manage.期刊。

本研究提出了一種亞環(huán)境透明輻射液體冷卻系統(tǒng)（STRLC），通過(guò)同時(shí)利用輻射冷卻與太陽(yáng)能透射實(shí)現(xiàn)同一面積內(nèi)的高效冷卻與能源綜合利用。研究首先闡述了STRLC系統(tǒng)的工作原理與能量流動(dòng)機(jī)制，如圖1所示，該系統(tǒng)可在同一物理區(qū)域同時(shí)實(shí)現(xiàn)亞環(huán)境液體冷卻和太陽(yáng)能透射利用。圖2詳細(xì)展示了戶外實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)與測(cè)試布置，包括面板組成、隔熱措施、傳感器配置及首爾屋頂測(cè)試環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)光學(xué)性能表征分析了不同玻璃材料在紫外-可見(jiàn)-近紅外及中紅外波段的吸收與發(fā)射特性，圖3表明硼硅玻璃與硅油為最佳組合，總太陽(yáng)吸收率僅2.8%、總半球發(fā)射率達(dá)79.4%。進(jìn)一步通過(guò)戶外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的亞環(huán)境降溫能力，圖4呈現(xiàn)了白天降溫2.4°C和夜間降溫5.1°C的結(jié)果，同時(shí)測(cè)得透射太陽(yáng)輻照度占入射66.3%，冷卻功率密度達(dá)70至100 W·m?2。圖5展示了該系統(tǒng)與光纖日光照明及蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的集成方式，并估算了在首爾大型辦公樓中的月度冷卻與照明節(jié)電量，最高分別節(jié)省93.4 MJ·m?2·月?1和370 MJ·m?2·月?1。最后，圖6將系統(tǒng)性能推廣至全球不同氣候區(qū)，繪制了冷卻與照明節(jié)電的全球分布圖，表明其在暖干、高太陽(yáng)輻照地區(qū)如中東、北非及美國(guó)西南部具有最佳應(yīng)用潛力。

圖1：STRLC系統(tǒng)的概念與工作原理示意圖。(a) STRLC系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；(b) STRLC系統(tǒng)層級(jí)下的整體能量流動(dòng)與傳遞過(guò)程示意圖。

圖2：輻射冷卻面板戶外性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(a)測(cè)試面板結(jié)構(gòu)及測(cè)試系統(tǒng)配置示意圖；(b)韓國(guó)首爾屋頂測(cè)試場(chǎng)地中面板及其實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖。

圖3：輻射冷卻器的光學(xué)性能表征。(a)石英玻璃、低鐵玻璃和硼硅玻璃在紫外–可見(jiàn)–近紅外波段的光譜吸收率，圖中同時(shí)給出了歸一化的AM 1.5G太陽(yáng)光譜作為參考；(b)三種玻璃的光譜半球發(fā)射率，并與大氣透過(guò)率及歸一化黑體輻射強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比；(c)石英玻璃、低鐵玻璃和硼硅玻璃的總定向發(fā)射率；(d)三種玻璃的總太陽(yáng)吸收率與總半球發(fā)射率對(duì)比分析。

圖4：輻射冷卻器在室外條件下的性能評(píng)估。(a)白天隨時(shí)間變化的環(huán)境溫度、冷卻器內(nèi)硅油溫度以及垂直于面板的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度；(b)面板上的入射與透射太陽(yáng)輻照強(qiáng)度；(c)冷卻功率密度隨冷卻器內(nèi)硅油與環(huán)境空氣溫差變化的實(shí)驗(yàn)與模型結(jié)果對(duì)比。

圖5：STRLC系統(tǒng)的潛在應(yīng)用場(chǎng)景。(a)太陽(yáng)透過(guò)型輻射冷卻與太陽(yáng)能利用的概念示意圖；(b) STRLC系統(tǒng)與光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)結(jié)合于建筑中的示意圖；(c)STRLC系統(tǒng)與蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)集成的示意圖；(d)環(huán)境溫度為32℃時(shí)的蒸汽壓縮循環(huán)壓力–焓圖，不同曲線對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)10 kW制冷功率時(shí)的不同儲(chǔ)液罐溫度；(e,f) STRLC系統(tǒng)結(jié)合光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)后單位面積面板的月度節(jié)電量及節(jié)能率估算，其中(e)為制冷節(jié)電量，(f)為照明節(jié)電量。

圖6：STRLC系統(tǒng)與光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)的全球年度節(jié)電量估算分布圖。(a)制冷節(jié)電量；(b)照明節(jié)電量。

小結(jié)：本研究提出了一種亞環(huán)境透明輻射液體冷卻系統(tǒng)STRLC，能夠在同一面積內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)液體亞環(huán)境冷卻與太陽(yáng)能透射利用，無(wú)需切換模式且具備高效的能源綜合管理能力。該系統(tǒng)選用硅油與硼硅玻璃作為核心材料，總太陽(yáng)吸收率僅為2.8%，總半球發(fā)射率達(dá)到79.4%，在無(wú)需真空或復(fù)雜遮陽(yáng)機(jī)制的條件下，實(shí)現(xiàn)了白天降溫2.4 °C、夜間降溫5.1 °C的亞環(huán)境冷卻性能。通過(guò)戶外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)冷卻功率密度達(dá)70至100 W/m2，同時(shí)透射了66.3%的入射太陽(yáng)能，為太陽(yáng)能同步利用提供了基礎(chǔ)。當(dāng)與光纖日光照明系統(tǒng)和蒸汽壓縮制冷循環(huán)集成應(yīng)用于首爾大型辦公樓時(shí)，該系統(tǒng)可分別降低冷卻用電10.0%和照明用電47.6%，對(duì)應(yīng)每年每平方米面板節(jié)省0.244 GJ冷卻電量和3.57 GJ照明電量。在全球氣候區(qū)分析中，該策略在暖干、高太陽(yáng)輻照地區(qū)如中東、北非及美國(guó)西南部展現(xiàn)出最優(yōu)節(jié)能效果，表明其具備跨氣候區(qū)的廣泛適用性。本研究為建筑屋頂空間受限條件下實(shí)現(xiàn)高效冷卻與太陽(yáng)能協(xié)同利用提供了一條可行、高效且可擴(kuò)展的解決路徑。

論文信息：Kim S H, Kim S G, Xu R H, et al. Sub-ambient transparent radiative liquid cooling system enabling simultaneous solar energy utilization. Energy Conversion and Management. 2026: 121410. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2026.121410.

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