《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Full-scale experimental assessment of a radiant-capacitive cooling system driven by nocturnal and diurnal radiative cooling
编辑推荐：
研究人员展示了一个全尺寸的辐射-电容冷却系统（RCCS），该系统的设计能够在炎热夏季条件下无需使用机械制冷，通过结合天空辐射器与充水辐射-电容天花板面板，持续维持热舒适。在晴天条件下，于双全尺寸测试单元中进行测试，该RCCS在未涂层辐射器时，于94%的监测时段
研究人员展示了一个全尺寸的辐射-电容冷却系统（RCCS），该系统的设计能够在炎热夏季条件下无需使用机械制冷，通过结合天空辐射器与充水辐射-电容天花板面板，持续维持热舒适。在晴天条件下，于双全尺寸测试单元中进行测试，该RCCS在未涂层辐射器时，于94%的监测时段内将操作温度维持在自适应舒适限值之内；而在辐射器涂覆商业被动日间辐射冷却（PDRC）材料后，这一比例升至100%。实验单元的温度平均比对照单元低6-7?K，室内最高温度每日峰值降幅可达12?K。天空辐射器产生的中位冷却潜力约为56?W m?2（各系列范围为43-74?W m?2），而天花板面板根据配置平均每天移除2.8-3.2?kWh（432-494?Wh/m2·天）的热量。应用PDRC材料后，有效冷却时间每天延长2-4小时，且每日输送的冷却能量增加超过10%。基于气候和运行变量的多元回归模型解释了所观察到的温度降幅和天空辐射器的冷却潜力。这些结果表明，一个由常见组件构建的低复杂度、水基辐射冷却系统，在极端高温条件下，能够显著改善良好隔热建筑的热舒适，而无需机械制冷。
**论文解读：辐射-电容冷却系统的全尺寸实验评估**
**研究背景与问题**
全球温室气体排放的上升，主要由建筑能耗驱动，构成了严峻的环境挑战。空间冷却目前约占建筑电力需求的20%和全球能源使用的10%。随着冷却需求预计到2050年增长十倍，以及全球变暖和城市化加剧的热浪，迫切需要能够减少能源消耗并以最小环境影响的散热冷却策略。在此背景下，“冷却而不加热”的原则应指导建筑环境可持续解决方案的开发。被动辐射冷却（PRC）利用外层空间作为巨大散热器，通过8-13?μm波长范围内的大气低发射率，特别是在干燥条件下，重新成为一种有前景的策略。历史上，夜间辐射冷却已用于建筑，例如制冰，且许多系统被提出利用大气红外窗口实现无能耗冷却，主要是在夜间。20世纪70年代引入的选择性表面辐射器通过调整光谱特性以最大化长波发射，进一步改善了晴空下的性能。然而，尽管实验室结果和理论发展令人鼓舞，但基于PRC的系统在全尺寸建筑中的实际应用和鲁棒性仍存在显著差距，因为多种环境和运行变量相互作用。被动日间辐射冷却（PDRC）涂层的长期耐久性、光学性能和节能潜力是决定其实际可行性的关键因素。尽管PDRC可以在不消耗能源的情况下冷却建筑，但其实际应用取决于这些涂层在多年户外暴露后保持其光学性能的能力。
**研究目的与意义**
本研究旨在评估PRC材料在增强低能耗建筑热舒适方面的可行性和有效性。具体目标包括：(i) 量化和比较天空辐射器的冷却潜力；(ii) 评估辐射-电容天花板模块（RCM）提取的热能；(iii) 评估系统对室内温度相对于环境和对照条件的影响。此外，研究开发了一种实用的方法，用于在不同气候和运行条件下对天空辐射器阵列进行比较评估，使用多元回归模型解释影响天空辐射器冷却潜力（CPSR）的最显著变量。该工作还编制并公开了一个广泛的实验数据库，涵盖水流速率、RCM数量和存储容量的变化，以校准模拟模型、进行敏感性分析并为替代实际配置的组件尺寸确定提供信息。论文发表在《BUILDING AND ENVIRONMENT》。
**关键技术方法**
1. **全尺寸实验设施**：位于西班牙马德里Arganda del Rey的Eduardo Torroja建筑科学研究所，包含两个相同的测试单元（实验单元EC和对照单元CC），具有高度绝缘的外壳（U值0.055?W/m2K）。
2. **辐射-电容冷却系统（RCCS）**：由五个商用聚丙烯天空辐射器（SR，涂覆或不涂覆PDRC材料SpaceCool Silver Film SSF）、八个室内辐射-电容模块（RCM，作为天花板面板）和两个隔热储水罐（热储能TES，1000L和50L）组成，通过闭环水循环系统连接。
3. **数据采集与控制系统**：使用Raspberry Pi 4B管理实时数据采集，包括水温度、空气温度、球温度、参考样本温度、水流速率、太阳辐照度、气象参数等。
4. **性能指标**：计算天空辐射器冷却潜力（CPSR，W/m2）、辐射-电容模块移除的热能（ERCM，Wh/day）、温度降幅（DTavg、DTmax、DTCC-EC）、舒适指数（CI，基于自适应舒适模型ASHRAE 55）和预测平均投票（PMV）。
5. **多元线性回归模型**：将天空辐射器水进出口温差（ΔTwSR）与气候和运行变量（如Tr3、Tsky、Tamb、Tw4-Tr3）关联，用于预测和比较不同配置下的性能。
**研究结果**
**参考温度分析**
夜间，四个小参考样本（Tr1-Tr4）的温度非常相似，未处理的聚丙烯面板（Tr2）达到最低停滞温度，证实其高发射率。日间，由于太阳反射率差异，表面温度发散。涂覆SSF的聚丙烯面板（Tr3）是唯一能全天保持低于环境温度温度的样本，但需保持表面清洁以避免灰尘积累影响性能。
**天空辐射器冷却潜力（CPSR）**
所有系列中，日平均CPSR范围从43.4?W/m2到74.3?W/m2，瞬时峰值接近96?W/m2。系列A（未涂层）平均CPSR为62.0?W/m2，系列B（SSF涂层）为52.1?W/m2，差异部分源于系列B更长的运行时间包含日间时段。CPSR高度依赖于辐射器入口水温与辐射器停滞温度之差，以及室外最低温度。较高水流速率和较大TES体积均能提高CPSR。
**辐射-电容模块移除的热能（ERCM）**
系列B的平均ERCM为3240?Wh/day（494?Wh/m2·day），比系列A（2840?Wh/day，432?Wh/m2·day）高出约14%。在相同CPSR下，SSF涂层辐射器（系列B）移除的能量显著高于未涂层辐射器（系列A）。较低水流速率（0.23-0.25?L/min·m2）导致更高ERCM，而较大TES体积则稀释了瞬时冷却能力。
**特征温度与热舒适**
实验单元（EC）的日平均温度低于环境温度（DTavg）在系列A中平均为2.0?K，系列B中为0.5?K；对照单元与实验单元温差（DTCC-EC）在系列A中为5.9?K，系列B中为7.0?K。日最高温度降幅（DTmax）为7-12?K。基于自适应舒适模型（ASHRAE 55，90%可接受度），系列B在所有监测日内100%时间满足舒适上限（ULACR），系列A除第一个系列外均接近100%。即使室外最高温度达41.5?°C，室内条件仍基本保持在自适应舒适范围内。PMV/PPD分析显示，系列A中35.2%的时间处于中性区间（-0.5至+0.5），系列B中31.2%的时间中性，但后者因固定运行时间表导致68.8%的时间略凉（PMV<-0.5），表明系统冷却能力过剩，可通过自动控制避免。
**多元回归模型**
基于系列B4数据建立的回归模型（R2=0.9446，RMSE=0.119?°C），使用Tr3、Tsky、Tamb和Tw4-Tr3作为预测因子，有效预测了ΔTwSR。当该模型应用于系列A2数据时，预测的CPSR比实测值高约12%，表明SSF涂层辐射器在类似气候下具有更高冷却潜力。系列B1模型同样验证了性能提升。
**讨论与结论**
讨论部分指出，RCCS在炎热夏季气候下有效维持了低于环境温度和热舒适的室内条件。天空辐射器的冷却潜力主要受入口水温与辐射器表面停滞温度之差驱动，受气候因素（如最低环境温度和天空发射率）限制。较低水流速率增强了RCM的热交换效率，但降低了瞬时冷却功率；较大TES体积稀释了冷却能力但提高了系统稳定性。SSF涂层辐射器使有效冷却时间每天延长2-4小时，日平均热移除量增加约0.4?kWh/day。多元回归模型（R2>0.88）准确预测了ΔTwSR，并证实了SSF涂层辐射器的性能优势。
**研究结论**
本研究实验表明，辐射-电容冷却系统（RCCS）通过被动辐射冷却，能在炎热夏季条件下有效降低室内温度并在大部分测试期间维持热舒适。主要发现包括：
- 辐射器表面性能：裸聚丙烯与SSF涂层辐射器夜间停滞温度相似，但PRC（SSF）涂层提供明显优越的日间低于环境温度性能，并延长有效冷却期。
- 冷却潜力：天空辐射器的平均冷却潜力范围为43.4至74.3?W/m2，主要受入口水温与辐射器表面温差控制。最高CPSR值出现在晴朗、最低环境温度低的夜晚。
- 系统能量性能：RCCS通过RCM每天移除2.8至3.2?kWh（432至494?Wh/m2·天）。SSF涂层配置（系列B）的平均ERCM比未涂层配置（系列A）高出约14%，证实了先进辐射材料的附加值。
- 水流速率与TES体积的影响：较低水流速率增强了热交换效率，而增加TES体积稀释了瞬时冷却能力但提高了系统稳定性。
- 室内热条件：实验单元的平均室内温度比对照单元降低最多7?K，日最高温度相对于室外降低最多12?K。这些降幅显著减轻了热应激，并展示了RCCS作为被动/低能耗冷却策略的强大潜力。
- 热舒适：自适应舒适分析显示，大多数系列中100%的时间满足舒适要求，即使室外最高温度超过41?°C，表明系统无需传统机械制冷即可将操作温度维持在自适应舒适范围内；PMV结果显示RCCS持续将室内条件维持在接近热中性，偶尔的过冷源于固定运行时间表而非系统限制。频繁的略凉值表明系统在测试条件下可超出冷却需求。实施预期的自动控制逻辑将使冷却输出与舒适需求对齐，并将PMV稳定在中性范围内。
- 预测模型：多元线性回归模型（R2>0.88）准确预测了ΔTwSR，并证实了SSF涂层辐射器的改进性能，包括更长的有效冷却持续时间和在可比运行条件下更高的CPSR。
总体而言，RCCS展示了一种基于天空辐射散热和热储能集成的可靠且节能的被动冷却方法。其无需机械制冷即可维持热舒适的能力，使其成为低能耗建筑设计的有前景解决方案，尤其是在炎热干燥的气候条件下。未来工作将解决组件长期耐久性、PRC涂层优化与老化，以及RCCS与混合HVAC系统集成以实现连续、气候自适应运行等问题。
