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Energy Conversion and Management | 真实大气条件下辐射冷却的光谱分辨有限元建模与基准框架

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被动日间辐射冷却(passive daytime radiative cooling, PDRC)依靠材料在太阳波段保持低吸收,同时通过8–13 μm大气窗口向外层空间辐射热量,其户外表现同时受材料光谱、大气水汽与云层、太阳辐照度、天空视角以及实验装置热耦合影响。现有动态模型常采用光谱平均材料参数或等效天空发射率,且多局限于特定气候与理想边界,使不同地点、不同装置之间的结果难以直接比较。为提高真实环境下预测与基准测试的可比性,该研究将实测材料光谱与libRadtran生成的地点相关天空光谱发射率耦合进有限元模型,并以马德里多种辐射冷却材料的24 h户外实验进行验证,进一步分离大气因素、几何设计与地区气候对热响应和冷却能力的贡献。相关工作以Spectrally resolved finite‑element modelling of radiative cooling under real atmospheric conditions为题发表在Energy Conversion and Management期刊。


研究首先按真实尺寸在COMSOL中复现实验装置,并输入各组成材料的波长相关光学参数,建立包含太阳辐射、天空辐射、导热与对流的三维模型(图1)。随后利用空膨胀聚苯乙烯模块、纤维素网络以及阳极氧化铝(anodic aluminium oxide, AAO)结构的24 h户外温度数据验证模型,归一化平均偏差(NMBE)均处于±10%,均方根误差变异系数均低于11%(图2)。在此基础上,研究以可降水量(precipitable water column, PWC)和云量重建天空光谱发射率(图3),分别评估湿度、环境温度、太阳辐照度和云层的影响(图4),再考察倾角(图5)、辐射冷却面积比例与系统尺度(图6)。随后将温差比较扩展到积分净辐射冷却能量,量化各参数对全天性能的作用(图7),最后将模型迁移至马德里、塔曼拉塞特、巴尔的摩和新加坡,比较不同气候下的天空光谱与24 h净冷却功率(图8)。


图1.模型几何与材料光谱特性。(a)模型所用几何结构示意图,复现带空腔的空膨胀聚苯乙烯(EPS)模块、外部铝制围护结构以及表面密封的低密度聚乙烯薄膜。(b)模型中各材料在紫外-可见太阳波段和红外热辐射波段的发射率,包括EPS模块(EB)、电抛光铝(Al)、1D-AAO/Al、1D-AAO-40 nm-Al、3D-AAO/Al、醋酸纤维素(CA)和硝酸纤维素(NC)。背景同时给出AM 1.5G参考太阳辐照度光谱和大气透射光谱。


图2.九种分析构型在24 h内的实验温度(实线)与数值温度(虚线)演化,其中黄色条带表示白天,蓝色条带表示夜间。(a)、(b)、(c)空EPS模块(EB),(d)硝酸纤维素(NC),(e)醋酸纤维素(CA),(f)电抛光铝(Al),(g) 1D-AAO/Al,(h) 1D-AAO-40 nm-Al,(i) 3D-AAO/Al。


图3.计算得到的天空光谱发射率。(a)大气PWC最低值0.9 cm与最高值2.7 cm条件;(b)不同淡积云覆盖率条件,包括晴空0%、50%、75%和100%,插图为淡积云照片。


图4.电抛光铝参照与3D-AAO/Al辐射冷却器之间的平均温差ΔT=TAl−T3D-AAO/Al。(a)湿度极值条件,(b)环境温度极值条件,(c)太阳辐照度极值条件,(d)不同云覆盖率条件,包括晴空0%、50%、75%和100%。误差棒表示对应时段ΔT的标准差,星号表示各条件下达到的最大温差ΔTmax。


图5.倾角对辐射冷却性能的影响。(a)样品相对地面的不同倾角θ=0 °、30 °、45 °、60 °和75 °对应的天空发射率光谱,插图示意所评估的倾角。(b)各倾角下电抛光铝参照与3D-AAO/Al之间的平均ΔT,误差棒表示标准差,星号表示ΔTmax。(c)、(d)、(e)、(f)、(g)求解模型在14:00时的温度分布,倾角依次为30 °、0 °、45 °、60 °和75 °。


图6.有效辐射面积与系统尺度的影响。(a) 3D-AAO/Al辐射冷却区域覆盖铝基底总面积10%–100%时,白天和夜间的平均ΔT,误差棒表示标准差,星号表示ΔTmax。(b)、(c)、(d)、(e)、(f)数值模型在14:00时的温度分布,覆盖面积分别为10%、25%、50%、75%和100%,展示辐射面积增加对散热的影响。(g)将实验装置全部几何尺寸相对参考构型按1×、2×和5×等比例缩放后,系统尺度对白天和夜间ΔT的影响。


图7.不同大气条件与几何/设计条件下,3D-AAO/Al相对铝参照基底的净辐射冷却能量增益ΔEcool。(a)大气因素;(b)几何与设计因素。黄色柱表示白天8:00–21:30积分得到的ΔEcool, daytime,蓝色柱表示夜间21:30–8:00积分得到的ΔEcool, night-time,绿色柱表示24 h净冷却能量增益ΔEcool, 24h。


图8.不同真实气候条件下的模型结果。(a)根据各地点气候条件模拟得到的天空光谱发射率εsky;(b) 2022年8月4日24 h内计算得到的净辐射冷却功率差ΔPcool随时间的演化。

小结:为了解决真实户外条件下PDRC测试结果易受气候和实验装置影响、不同研究之间缺乏统一比较基准的问题,研究构建了一个光谱分辨有限元框架,将实测材料光学参数与地点相关的大气光谱发射率直接耦合。模型对AAO和纤维素辐射冷却器的24 h温度响应给出NMBE在±10%以内、CV(RMSE)低于11%的验证结果。参数分析表明,装置倾角、有效面积和系统尺度对表观温差的影响可达到约25 °C,而典型湿度和环境温度波动引起的差异约为0.2 °C;参考条件下24 h净冷却能量增益约为1150 W·h·m−2,云层使该增益降低约26%。跨气候模拟中,新加坡结果较马德里低56%,显示大气窗口透明度和云量对地区适用性具有关键作用。研究进一步提出户外PDRC最小报告要素,为跨实验比较、气候定制优化及后续数字孪生与建筑能耗模型耦合提供基础。

论文信息:Luis Moreno-Sanabria*, Marisol Martín-González, Cristina V. Manzano*. Spectrally resolved finite-element modelling of radiative cooling under real atmospheric conditions: validation and benchmarking framework. Energy Conversion and Management, 2026, 369: 122095. DOI: 10.1016/j.enconman.2026.122095.

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