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本文介绍一种新型多级辐射冷却系统，其兼具高冷却能力与节能优势，适用于多场景制冷。
### 研究背景
随着经济的快速发展，建筑能耗问题日益凸显，其中供暖、通风和空调（HVAC）系统在建筑总能耗中占比超过 50%。传统的对流冷却系统能源效率低，在空气处理过程中浪费大量能源，且存在吹风感强、温度不均匀、噪音大以及潜在的空气传播疾病传播风险等问题。近年来，辐射冷却系统受到广泛关注，其通过红外热辐射和自然对流传递冷却能量，能有效减少吹风感、温度不均匀性和运行噪音。
辐射冷却系统根据辐射表面温度可分为高温、低温和极低温辐射冷却系统。高温辐射冷却系统应用广泛，但辐射冷却能力较低，且存在表面结露风险，导致冷却能力下降、水滴滴落、霉菌滋生等问题，限制了其在炎热潮湿气候地区的应用。低温辐射冷却系统通过采用抗结露策略，如红外透明屏蔽、超疏水涂层和辅助除湿系统等，降低了冷冻水温度，提高了辐射冷却的比例，但目前其辐射冷却能力仍不足。极低温辐射冷却系统虽能显著提高辐射冷却能力，但由于缺乏有效的抗结露策略和降低辐射表面温度的技术挑战，相关研究受限。
系统设计
为解决传统辐射冷却系统的问题，研究团队设计并制造了一种 24×24-cm 的多级辐射冷却系统。该系统采用混合冷却模式（高温对流冷却和低温辐射冷却相结合），以冷冻水为主要冷却能源，利用热电冷却（TEC）模块进一步降低辐射表面温度，提高辐射冷却能力。同时，在辐射表面涂覆粗糙聚氯乙烯（PVC）薄膜（中红外发射率为 0.96），增强辐射冷却效果；集成聚乙烯（PE）薄膜（中红外透射率为 0.90），减少对流冷却能量损失并防止结露；在室内墙壁上涂覆红外反射铝箔（中红外反射率为 0.95），避免墙壁过度冷却。
此外，针对对流冷却在高通风率场景下效率低的问题，该系统还设计了纯辐射冷却模式。在这种模式下，通过使用 25-mm 厚的聚氨酯（PU）泡沫对系统的背面和侧面进行隔热，减少对流冷却能力；将冷冻水温度降至最低 5°C，增加辐射冷却能力；同时增加 PE 薄膜层数至两层，以适应更低的辐射表面温度（最低可达 -15°C）。
工作原理
在混合冷却模式下，人体的热辐射被辐射表面吸收，同时房间空气被水冷板背面冷却，冷却后的空气在自然对流作用下向下流动至人体，实现辅助对流冷却。在纯辐射冷却模式下，通过 PU 隔热层最小化水冷板背面的对流冷却，冷冻水主要用于预冷辐射表面，TEC 模块进一步将辐射表面温度降至最低 -15°C，冷却能量通过红外辐射直接传递给人体，减少了空间冷却的能量消耗。
与传统高温辐射冷却系统相比，该系统通过引入 TEC 模块实现露点以下的辐射冷却，显著提高了辐射冷却能力；PE 薄膜的集成减少了冷却能量向周围环境的散失，提高了能源效率。与传统低温辐射冷却系统相比，该系统避免了能源密集型的低温对流冷却过程，通过降低辐射表面温度提高了辐射冷却能力。与基于风冷 TEC 的个性化纯辐射冷却设备相比，引入冷冻水降低了 TEC 模块的冷却负荷，避免了其在高冷却负荷下的低效率问题，同时更有效地移除 TEC 热侧的热量，避免对室内环境产生加热效应，扩大的辐射表面也减少了辐射不对称性。
混合冷却模式下的冷却性能
研究团队搭建了一个缩小的实验平台，模拟典型的夏季建筑环境，对系统在混合冷却模式下的冷却和能源性能进行测试。实验中使用人体皮肤模拟器模拟从事剧烈体力活动的人员（皮肤中红外发射率为 0.98，恒定产热率为 200 W/m2）。
实验结果表明，混合系统的冷却效果随冷冻水温度降低和 TEC 供电电压升高而提高。在冷冻水温度为 16°C、TEC 供电电压为 6 V 时，可实现最大冷却效果 12.65°C。但随着 TEC 供电电压升高，冷却效果的提升逐渐减缓，这主要是由于 TEC 模块效率随电压增加而降低，且当辐射表面温度过低时，单层 PE 薄膜会出现结露现象。
基于实验数据，研究团队提出了优化的运行策略。在低冷却负荷下，TEC 模块单独运行更节能；在中等冷却负荷下，应切换至冷冻水冷却并关闭 TEC 模块，但冷冻水温度需保持在室内空气露点以上（如在温度为 25°C、相对湿度为 55% 的房间中，需保持在 16°C 以上）；在高冷却负荷下，需同时开启 TEC 模块和冷冻水，且冷冻水温度保持在 16°C 时系统能效最高。
对系统功率消耗的分析表明，TEC 模块的功率消耗随供电电压显著增加，同时也会导致冷冻水功率消耗增加。因此，建议将 TEC 模块的供电电压保持在 3 V 以下以提高运行效率。此外，冷冻水温度降低会增加其功率消耗，但对 TEC 模块功率消耗影响较小。
混合系统对人体皮肤的辐射冷却能力始终高于对流冷却能力，且两者均随冷冻水温度降低和 TEC 供电电压升高而增加。在 16°C 冷冻水和 6 V TEC 供电电压下，可实现最大辐射冷却能力 130.86 W/m2和对流冷却能力 82.14 W/m2。考虑到 PE 薄膜表面结露对辐射冷却能力的影响，16°C 冷冻水和 4.5 V TEC 供电电压被认为是稳定运行的最佳选择，此时辐射冷却能力为 117.21 W/m2，对流冷却能力为 77.85 W/m2。
红外反射墙涂层的技术可行性
传统低温辐射冷却系统面临的一个关键挑战是墙壁的过度冷却和热损失。为解决这一问题，研究团队通过一组对比实验验证了红外反射墙涂层的有效性和可行性。实验分别设置了红外发射场景（木质墙壁，红外发射率约为 0.90）和红外反射场景（墙壁涂覆铝箔，红外反射率为 0.95），对比了系统在两种场景下的冷却和能源性能。
结果表明，红外反射涂层能有效降低系统的功率消耗，例如在 TEC 供电电压为 1.5 V 时，总功率消耗从 127.43 W/m2降至 100.52 W/m2。但该涂层会略微降低系统对人体皮肤模拟器的冷却效果，在 TEC 供电电压为 3 V 时，冷却效果从 11.04°C 降至 11.24°C。
进一步分析发现，系统在红外反射场景下冷冻水功率消耗显著降低，如在 TEC 供电电压为 1.5 V 时，冷冻水功率消耗从 104.69 W/m2降至 78.30 W/m2，而 TEC 功率消耗在两种场景下相似。在对流和辐射冷却能力方面，红外反射涂层略微提高了辐射冷却能力，如在 TEC 供电电压为 3 V 时，辐射冷却能力从 96.55 W/m2提高到 101.13 W/m2；同时显著降低了对流冷却能力，从 87.20 W/m2降至 70.38 W/m2。这主要是因为红外反射场景下室内空气温度升高，辐射表面温度降低。
纯辐射冷却模式下的冷却性能
在高通风率场景下，高温对流冷却效果不佳。为此，研究团队测试了系统在纯辐射冷却模式下的性能，并与混合冷却模式进行对比。
实验结果显示，纯辐射冷却模式下系统的冷却效果随冷冻水温度降低和 TEC 供电电压升高而增加，但当 TEC 供电电压从 4.5 V 增加到 6 V 时，冷却效果略有下降，从 14.10°C 降至 14.03°C，这是由于辐射表面温度降至 -16.8°C 时，PE 薄膜外侧出现了结露现象。与混合冷却模式类似，冷却效果随 TEC 供电电压增加的提升幅度逐渐减小。
基于实验结果，研究团队提出了纯辐射冷却模式下的优化运行策略。与混合冷却模式不同，纯辐射冷却模式应先开启冷冻水，因为隔热层可显著减少水冷板向空气的对流热传递，使更多冷却能量转移到辐射面板，提高辐射冷却的比例。但冷冻水单独使用时，最大冷却效果仅为 8.93°C（5°C 冷冻水供应时），为实现更高的冷却效果（8.93°C - 14.1°C），需开启 TEC 模块进一步降低辐射表面温度。
对纯辐射冷却模式下系统功率消耗的分析表明，其冷冻水功率消耗显著高于混合冷却系统，如在 5°C 冷冻水时，纯辐射冷却系统的冷冻水功率消耗为 68.75 W/m2，而混合冷却系统在 16°C 冷冻水时仅为 53.30 W/m2，这是由于低温冷冻水会降低制冷机的性能系数（COP）。此外，纯辐射冷却系统的 TEC 功率消耗相比混合冷却系统略有增加，如在 3 V 供电电压下，TEC 功率消耗从混合冷却模式的约 82.47 W/m2增加到纯辐射冷却模式的约 89.24 W/m2，这是因为纯辐射冷却模式下 TEC 模块冷热侧温差减小。
在冷却能力方面，纯辐射冷却模式的总冷却能力略高于混合冷却模式，在 5°C 冷冻水和 4.5 V TEC 供电电压下，可实现最大总冷却能力 206.10 W/m2，高于混合冷却系统的最大值 195.08 W/m2。这主要是由于低温冷冻水显著提高了辐射冷却能力，如在最大总冷却能力工况下，纯辐射冷却系统的辐射冷却能力为 139.79 W/m2，远高于混合冷却系统的 117.21 W/m2。而纯辐射冷却系统的对流冷却能力相比混合冷却系统略有降低，这是由于 25-mm 厚 PU 隔热层的作用。
节能机制
研究团队通过与传统高温辐射冷却系统对比，揭示了新型系统的节能机制和性能提升原因。新型系统在两种模式下的最大冷却能力均显著高于传统高温辐射冷却系统。传统系统在冷冻水温度为 16°C 时，对人体皮肤模拟器的最大降温幅度为 5.47°C，而新型系统在纯辐射冷却模式下，5°C 冷冻水和 1.5 V TEC 供电电压时，可实现 11.11°C 的降温幅度。同时，新型系统的能源效率更高，传统系统实现 5.47°C 降温时的功率消耗为 63.69 W/m2，而新型系统在混合冷却模式下实现类似降温时，功率消耗显著降低至 43.40 W/m2，节能 31.9%。
在启动阶段的动态性能方面，新型系统的冷却速度略快于传统系统，这得益于其直接的辐射冷却方式，减少了空气调节的时间。但由于 TEC 模块启动速度较慢，这种提升并不明显。此外，新型系统的冷却效果更稳定，人体皮肤模拟器的温度波动更小，这主要是因为其对流冷却显著减少。
对能量传输过程的深入分析表明，传统系统主要通过对流换热实现冷却，其辐射冷却能力极低（0.65 W），且辐射冷却在总冷却能力中的占比也较低（16.3%），导致能源性能较差。而新型系统在混合冷却模式下，通过减少辐射表面与室内空气的对流换热，增加了辐射冷却能力（4.98 W），辐射冷却效率（16.3%）显著高于对流冷却效率（4.6%）。在纯辐射冷却模式下，辐射冷却能力进一步提高到 7.04 W，但由于室内温度较高和与墙壁的辐射换热增强，辐射冷却效率略有降低（15.2%），不过仍远高于对流冷却效率（4.1%）。这表明新型系统通过增加辐射冷却的比例，提高了能源效率和冷却性能。
研究展望
新型多级辐射冷却系统结合了高温对流冷却的高冷却能力和低温辐射冷却的高能源效率，通过灵活切换混合冷却模式和纯辐射冷却模式，显著提高了冷却和能源性能，为现有辐射冷却系统冷却能力不足的问题提供了节能解决方案，同时继承了传统辐射冷却系统热舒适性高和室内空气质量好的优点。
然而，该研究仍存在一些需要改进的地方。在材料方面，虽然红外反射铝箔能提高系统能效，但因其高可见光反射率和镜面特性可能会引起视觉不适，需要开发在可见光范围内透明或漫反射的替代材料，同时要研究其经济高效的大规模生产技术。此外，长期运行过程中，PE 薄膜可能会受到机械损伤和静电吸尘的影响，需要开发更坚固耐用的材料，如红外透明塑料、玻璃或纤维增强 PE 薄膜等。在应用方面，开发对可见光不透明但对红外辐射透明的服装，有助于提高系统的实用性。在热舒适性评估方面，由于该系统的冷却机制与传统对流空调系统有显著差异，需要在全尺寸热室中进行热舒适性测试，建立专门的热舒适性模型。同时，纯辐射冷却模式在高冷却负荷下可能会导致较大的辐射不对称性，引起局部不适，未来可通过布局优化来减少辐射不对称性，提高辐射换热的视角因子。
总之，新型多级辐射冷却系统为室内外空调领域带来了新的发展方向，有望推动辐射冷却技术的广泛应用。随着相关技术的不断改进和完善，其在节能和热舒适性方面的优势将更加突出，为解决建筑能耗问题和提高人们的生活质量做出更大贡献。
