真实大气条件下辐射制冷的谱分辨有限元建模：验证与基准测试框架

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Spectrally resolved finite?element modelling of radiative cooling under real atmospheric conditions: validation and benchmarking framework

　　

被动日间辐射制冷（PDRC）有望实现零能耗热管理，但已报道的性能因各地大气条件与非标准实验配置而存在差异。研究人员开发并验证了一个谱分辨有限元模型，用于预测真实户外条件下的24小时热响应。该模型耦合了依赖波长的材料光学性质与基于libRadtran由真实大气数据推导的天空发射率。针对马德里夏季条件下纳米多孔阳极氧化铝与纤维素基辐射制冷器的不同户外测量数据进行验证，归一化平均偏差误差在±10%以内，均方根误差的变异系数<11%，满足ASHRAE指南14-2014（热模型验证黄金标准）。参数研究表明几何与设计参数主导于大气变化，相对于铝的温度差可达25°C，而现实湿度与温度变化仅约0.2°C，峰值日间净制冷功率约120 W·m?2。研究纳入多云条件（云光学厚度1使日制冷功率降低26%），并展示向其他地区与气候的全球可移植性（如马德里到新加坡制冷功率预测下降56%）。该框架促进PDRC气候特异性优化并支撑实际应用基准测试，同时引入初步基准测试框架以消弭历史户外PDRC表征差异。最终，该框架为开发PDRC系统数字孪生奠定基础，弥合纳米级材料性质与宏观建筑能耗模拟间的鸿沟。

研究背景方面，全球能源需求上升与环境挑战促使被动热管理策略成为重要研究方向，其中辐射制冷（RC）利用大气透明窗口（8–13 μm）向太空耗散热而不耗能。传统RC限于夜间，而被动日间辐射制冷（PDRC）通过在0.3–2.5 μm低太阳吸收、高中红外发射实现日照下亚环境温。已有研究从聚合物无机薄膜到阳极氧化铝（AAO）纳米结构、光子多层膜不断拓展材料光谱响应。然而PDRC性能不仅取决于发射体光热性质，还受周围辐射交换制约；晴空下8–13 μm近乎透明，但多数气候中该窗口部分受阻，受湿度、气溶胶、云盖及天空温度日变化调制。现有动态模型多依赖光谱平均光学性质与有效天空发射率或限于特定气候，缺乏耦合实测材料光学、真实大气与真实几何的验证框架。为此，研究人员在《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》发表研究，开发波长依赖有限元模型并验证其全日周期预测能力。

关键技术方法上，研究人员采用COMSOL Multiphysics?复现马德里Tres Cantos（40.5920° N, 3.7080° W）IMN-CSIC户外装置：铝外壳内嵌发泡聚苯乙烯（EPS）绝热块含样品腔与热电偶腔，低密度聚乙烯（LDPE）封膜，30°南向倾斜。样本含空EPS块（EB）、电抛光铝（Al）、硝化纤维素（NC）与醋酸纤维素（CA）、三种AAO结构（1D-AAO/Al、1D-AAO-40 nm-Al、3D-AAO/Al）。材料光性由UV–vis与FT-IR积分球测得或引自文献；大气参数由ATMOS 41站提供，天空温度用Swinbank近似，波长依赖天空发射率由libRadtran（uvspec，afglms中点夏季廓线按AERONET可降水量PWC缩放水汽垂直分布、默认气溶胶、无云）以1 nm分辨率twostr伪球几何算出（ε_sky=1?τ_sky），倾角作余弦型方向修正。物理场耦合固体传热与表面对表面辐射，含薄层/薄膜条件、外部强制对流（风速定h_conv）、腔内自然对流（Nusselt关联）。验证用马德里夏季多日24 h户外数据。

研究结果部分，按原文小节归纳如下。2.1节模型概览几何与材料：通过复现铝壳-EPS-LDPE真实三维几何与各材料κ、ρ、C_P及实测光谱，建立样本到装置全耦合热学表征。2.2节光学性质与大气条件：论证波长依赖ε_sky(λ)由libRadtran真实PWC缩放生成优于灰体近似，并给出倾角余弦修正公式。2.3节物理与边界条件：列出固传导方程ρC_P?T/?t??·(κ?T)=Q与净辐射通量J_i=ε_ie_b(T_i)FEP_i(T_i)+ρ_d,iG_i，FEP_i为分数发射功率（Planck分段积分），明确对流与薄层处理。验证结果表明归一化平均偏差误差±10%内、RMSE变异系数<11%，达ASHRAE指南14-2014。参数研究指出几何/设计因子（倾角、朝向、面积、尺度）贡献温差达25°C相对铝，而湿度与气温现实波动仅~0.2°C，峰值净冷功率~120 W·m^?2；云光学厚度1降日冷功率26%；马德里至新加坡移植预测降56%。

讨论与结论翻译总结：研究人员强调该框架同时嵌入实测波长依赖材料光学与libRadtran真实大气光谱天空发射率，是区别于既往理想边界研究的核心创新；它量化材料、大气、设计三者相对影响，解释文献间差异来源，提供可重复基准测试所需受控参数清单，并为PDRC接入建筑能耗系统级模拟奠基。结论为：所建谱分辨有限元模型在马德里夏季多样本24 h户外验证中满足ASHRAE指南14-2014黄金标准；几何设计参数主导性能而非大气微变；云盖与气候区移植显著改变冷功率；该验证框架消弭历史表征分歧，可作PDRC数字孪生与跨气候优化底座。