采用光谱选择性涂层的车辆在季节性停车与行驶工况下的热性能与能耗表现

《Energy》：Thermal and energy performance of vehicles with spectrally selective coatings under seasonal parking and driving conditions

　　

•将辐射冷却涂料（RCP）和温度自适应辐射冷却涂层（TARC）应用于车辆。
•分析了涂层车辆的热学与能量性能。
•RCP和TARC分别可将车厢温度降低最多12.1°C和10.5°C。
•涂层车辆的年度碳排放减少量为32.0-48.2 kg·CO?。

引言

近年来，随着全球能源需求持续增长，交通运输领域的能源消耗问题引起了越来越多的关注[1]、[2]。车辆运行过程中产生的能源消耗和温室气体排放对环境造成显著影响[3]。特别是，车辆在高温条件下直接暴露于太阳辐射时，表面会迅速升温，导致车厢内部热负荷大幅增加[4]、[5]。这意味着空调系统必须持续高效运行，以维持车厢内部的舒适温度[6]、[7]。然而，空调系统的持续运行直接增加了传统燃油车辆的油耗并加剧了尾气排放，同时也会显著降低电动汽车的续航里程，在极端条件下甚至可能影响车辆可用性[8]、[9]、[10]。根据文献[11]的研究，夏季工况下车辆的空调能耗可占车辆总能耗的20%以上，已成为制约车辆能效提升的关键因素。此外，当车辆在炎热天气中行驶时，约42%的热负荷通过车窗传入，而约48%通过车身结构传入[12]。因此，在不增加能耗的前提下调控车窗和车身的得热量，已成为提升车辆整体能效和乘员舒适性的关键问题。

功能涂层在车辆热管理中的应用已引起广泛关注[13]。为改善车辆热环境并降低能耗，Levinson等人[14]将太阳反射涂层应用于车身不透明表面。其研究表明，当车辆停放在直射阳光下时，太阳反射涂层的施用可将车厢内空气的"渗透"温度降低约5-6°C，从而减轻空调系统负荷，并分别将燃油经济性提升约13%和每百公里节油0.21升。Hoke等人[15]进一步证明，利用现有的底漆和面漆提高反射率并降低近红外光谱吸收，在不改变车身颜色的情况下即可降低车辆表面温度，从而减少空调能耗。尽管这些研究证明了高太阳反射涂层在改善车辆热环境和降低能耗方面的可行性，但这些研究主要集中于具有固定光谱特性的常规高反射材料，对不同气候条件下全年热适应性考虑有限。

被动辐射冷却技术作为一种基于光谱选择性材料且无需外部能量输入的新型冷却策略，近年来在建筑能效、户外设备热管理和可穿戴系统等领域引起了广泛关注[16]、[17]、[18]。辐射冷却材料通过在太阳光谱范围内表现出高反射率以最小化太阳吸收，同时在大气窗口（8-13 μm）内具有高发射率，实现红外辐射向太空的有效辐射热传递，从而达到低于环境温度的冷却效果[19]、[20]、[21]。由于太阳辐射占紧凑型乘用车总热负荷的约18%至31%[22]，将辐射冷却材料与车辆结合使用，有望有效降低车身表面温度和车厢内部温度，从而减轻空调系统负荷，实现汽车能效和热舒适性的协同提升[23]、[24]、[25]。

为减轻封闭车厢内的热量积聚，Chao等人[26]将一种以SiO?作为红外辐射材料的被动辐射冷却薄膜应用于车辆。结果表明，车厢内各部件温度可降低2.2-5.1 K，其中座椅和仪表盘温度分别降低约5.1 K和3.5 K。Sun等人[27]将被动辐射冷却陶瓷集成于公交车车顶。其研究表明，辐射冷却陶瓷的有效日间冷却时长占总运行时间的60%以上，公交车车顶温度降低超过10°C。Heo等人[28]提出了一种由银-聚二甲基硅氧烷（Ag-PDMS）层构成的Janus发射器，可在两侧实现近理想选择性和宽带发射。其结果显示，与传统辐射冷却器相比，模拟的封闭静止车辆内部温度可降低约4°C。随后，Araki等人[29]进行了长期户外测量，研究了不同车顶曲率、停放朝向和周围遮挡条件下，车顶表面的太阳辐射和温度分布特征。研究结果显示，局部太阳辐射和表面温度存在明显的空间非均匀性。这些发现还表明，辐射冷却材料的实际热性能在很大程度上取决于车辆几何形状和环境暴露条件。

辐射冷却材料不仅可以应用于车身，还可以应用于车窗，以平衡可见光透过率和红外辐射性能。Lee等人[30]开发了一种可见光透过率超过70%的可规模化透明辐射冷却薄膜，并成功应用于车辆玻璃。其研究表明，车厢温度和空调能耗分别降低了6.1°C和超过20%。其模拟预测还表明，若在美国全面推广，每年可减少约2540万公吨CO?排放。Soulios等人[4]比较了三种被动冷却策略（包括光谱选择性玻璃、反射不透明表面和挡风玻璃遮阳板）对有玻璃和透明部件的车辆热环境的影响。其结果表明，仅使用光谱选择性玻璃时，车厢温度可降低12.5°C。此外，当挡风玻璃遮阳板与太阳反射表面结合使用时，可实现最大23.8°C的降温效果。通过将辐射冷却与电致变色或热致变色结合形成智能窗户，不仅可以实现全年辐射冷却，还可以调控进入车厢的可见光透过率，从而进一步降低车辆能耗。Duan等人[31]将一种被动辐射冷却薄膜与电致变色玻璃集成，以改善车内热环境并降低电动汽车的能耗。尽管这种基于辐射冷却的电致变色玻璃可实现全年辐射冷却，但其研究仅针对夏季停放工况，在室外温度和车厢平均设定温度分别为33°C和26°C时，车窗表面温度和空调制冷功率分别降低了10.7°C和762 W。Xiong等人[32]研究了在电动汽车中应用基于电致变色和热致变色智能窗户的制冷节能潜力。尽管其模拟结果表明，配备电致变色侧窗、热致变色天窗以及两者组合的车辆制冷能耗可分别降低6.79%、16.03%和25.07%，但其研究仍未对动态行驶条件下的车内热管理和能耗进行分析。Zhou等人[33]提出了一种基于二氧化钒的热致变色智能窗户，并粗略评估了其在停放条件下调控车内热环境的有效性。其模拟结果显示，夏季车厢空气峰值温度最多可降低3°C，但冬季可能升高0.9°C。

除车身和车窗外，辐射冷却车罩在车辆热管理中也引起了广泛关注。Zeng等人[34]开发了一种太阳反射率为92.4%、红外发射率为94.5%的分层超材料织物，用作车辆覆盖物以降低停放车辆在阳光下的车内温度。实验表明，与未覆盖车辆的常规车罩覆盖车辆相比，超材料织物覆盖车辆的车内温度分别降低了约30°C和27°C。Lv等人[35]提出了一种太阳反射率为82.4%、红外发射率为0.850的三层辐射冷却涂层，同样用作车辆覆盖物。其实验表明，在太阳辐射强度>900 W/m2时，与未覆盖车辆和常规车罩覆盖车辆相比，该车辆覆盖物可使车厢温度分别降低30.5°C和19.5°C。为最大化制冷功率，Wu等人[36]提出了一种螺壳形可折叠辐射冷却车辆覆盖物。其研究表明，通过光谱特性和覆盖面积的协同优化，可实现高达5762.8 W的制冷能力。

尽管现有研究已证明，将辐射冷却材料应用于车身和车窗，或作为车辆覆盖物使用，可有效减少车内热量积聚，从而实现有效的热管理并降低空调能耗，但仍存在以下局限性：（1）大多数研究关注静止车辆，缺乏对行驶车辆性能的关注；（2）大多数研究侧重于夏季性能，全年综合热管理性能仍需深入探索；（3）对不同车辆部件间热耦合效应的系统性研究仍不充分，特别是将基于辐射冷却的车身和车窗进行集成时。

本文系统研究了不同光谱选择性涂层在各种季节和工况条件下对车辆热学和能量性能的影响。对集成光谱选择性涂层的车辆进行了详细的传热过程分析，并通过实验对采用辐射冷却涂料（RCP）和温度自适应辐射冷却涂层（TARC）的模拟车辆进行了验证。随后比较了不同涂层及其覆盖面积在停放和行驶条件下对车厢热环境的影响。最后，对发动机驱动和电动驱动车辆的节能潜力进行了初步评估。

本研究的主要创新点如下：（1）建立了统一的层级化车辆框架，全面分析了各种涂层和覆盖面积在不同季节停放和行驶条件下对车内热环境的影响；（2）定量阐明了夏季制冷与冬季保温之间的权衡机制，并将其转化为发动机驱动和电动驱动车辆的年度节能和碳减排效益。

小节片段

传热分析

车辆的热环境是封闭车厢空间内多种热负荷共同作用下的复杂热力学状态。如图1所示，作用于车辆车厢的热负荷主要来源于五个方面，包括车辆的短波太阳辐射得热（Q_solar）、通过车身结构传导进入车厢的热量（Q_cond）、以及通过车厢内部和Parking in the summer

为全面评估光谱选择性涂层在实际车辆热管理中的应用潜力，选择了案例1（即基线）、案例4（即车顶、引擎盖和车身采用RCP）和案例7（即车顶、引擎盖和车身采用TARC），以研究不同季节下各种工况条件对车内热环境的影响。此外，采用中国南京七月的一个典型制冷日作为气象基准，以消除Impact of the coating coverage area on the in-vehicle thermal environment

为研究覆盖面积对车内热环境的影响，本节采用了表2中的案例1至案例7。图11展示了夏季不同速度下，具有不同覆盖面积的车辆热图。为突出不同案例之间的相对变化并减少极端值的影响，热图采用最小-最大归一化方法生成（T_norm = (T - T_min) / (T_max - T_min)）。需要注意的是，结果为Preliminary assessment of energy-saving potential

车辆热管理与动力总成类型密切相关。

对于传统的内燃机驱动车辆而言，在炎热的夏季使用空调会给发动机带来额外的辅助负载，从而导致燃油消耗增加。然而，冬季的车厢供暖主要通过回收发动机的废热来实现，因此供暖需求对燃油消耗的影响相对较小。值得注意的是，

局限性与未来工作
尽管本研究已展示了不同涂层在不同工况下对车内热环境的影响及其相应的节能潜力，但与车内热环境相关的各种影响因素仍存在局限性，需要进一步验证。
（1）由于在大幅缩放的模型中无法实现严格的雷诺数相似性，因此采用了等效的对流换热相似性方法。

结论
本文研究了辐射降温涂料（RCP）和温度自适应辐射涂层（TARC）在各种季节和工况下对车辆热能和能量性能的影响。在详细的热传递分析之后，使用COMSOL对涂层的车辆进行了建模，并通过实验进行了验证。然后，详细讨论了不同涂层及其覆盖面积对停车和行驶工况下车厢热环境的影响。

CRediT 作者贡献声明
Kai Zhang：撰写 – 审阅与编辑，验证，指导，项目管理，方法论，调查研究，资金获取，概念构思。
Xiaonan Wang：撰写 – 审阅与编辑。
Yichi Zhang：撰写 – 审阅与编辑。
Siying Jiao：撰写 – 初稿撰写，验证，调查研究，形式化分析。
Wenfang Wang：撰写 – 审阅与编辑。
Zixin Cheng：撰写 – 审阅与编辑。

利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文报告的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本工作由中国国家自然科学基金（编号：51878342）和江苏省研究生科研与创新实践计划项目（编号：PX-1226656）资助。

Siying Jiao|Yichi Zhang|Zixin Cheng|Wenfang Wang|Xiaonan Wang|Kai Zhang