隨著全球能源結(jié)構(gòu)向低碳化與可持續(xù)發(fā)展的轉(zhuǎn)型，建筑領(lǐng)域的能源消耗問題日益受到關(guān)注。其中，制冷需求在總能耗中的占比持續(xù)上升，推動高效節(jié)能冷卻技術(shù)的發(fā)展成為研究熱點。輻射冷卻作為一種無需額外能量輸入、可通過向外太空輻射熱量實現(xiàn)亞環(huán)境溫度冷卻的技術(shù)，因其被動性與節(jié)能潛力而受到廣泛關(guān)注。然而，在實際應(yīng)用中，輻射冷卻系統(tǒng)通常依賴較大的安裝面積，且其對太陽輻射的高反射特性使其難以與光伏或其他太陽能利用技術(shù)協(xié)同工作，從而在有限空間條件下制約了系統(tǒng)效率的進(jìn)一步提升。為解決上述問題，本研究提出了一種亞環(huán)境透明輻射液冷系統(tǒng)（STRLC），并系統(tǒng)開展了材料選擇、光學(xué)特性分析及戶外實驗驗證。該系統(tǒng)通過采用近紅外低吸收的硅油作為工作介質(zhì)，實現(xiàn)了對太陽輻射的高透過與中紅外高發(fā)射的協(xié)同優(yōu)化。在實際測試中，該系統(tǒng)在白天可實現(xiàn)低于環(huán)境溫度2.4 °C、夜間低于環(huán)境溫度5.1 °C的冷卻效果，同時可透過約66.3%的太陽能用于后續(xù)利用。該策略有望在同一空間內(nèi)實現(xiàn)冷卻能與太陽能的協(xié)同獲取，為建筑節(jié)能與多能利用提供一種高效可行的解決方案。相關(guān)工作以Sub-ambient transparent radiative liquid cooling system enabling simultaneous solar energy utilization為題發(fā)表在Energy Convers. Manage.期刊。

本研究提出了一種亞環(huán)境透明輻射液體冷卻系統(tǒng)（STRLC），通過同時利用輻射冷卻與太陽能透射實現(xiàn)同一面積內(nèi)的高效冷卻與能源綜合利用。研究首先闡述了STRLC系統(tǒng)的工作原理與能量流動機制，如圖1所示，該系統(tǒng)可在同一物理區(qū)域同時實現(xiàn)亞環(huán)境液體冷卻和太陽能透射利用。圖2詳細(xì)展示了戶外實驗裝置的結(jié)構(gòu)與測試布置，包括面板組成、隔熱措施、傳感器配置及首爾屋頂測試環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，通過光學(xué)性能表征分析了不同玻璃材料在紫外-可見-近紅外及中紅外波段的吸收與發(fā)射特性，圖3表明硼硅玻璃與硅油為最佳組合，總太陽吸收率僅2.8%、總半球發(fā)射率達(dá)79.4%。進(jìn)一步通過戶外實驗驗證了系統(tǒng)的亞環(huán)境降溫能力，圖4呈現(xiàn)了白天降溫2.4°C和夜間降溫5.1°C的結(jié)果，同時測得透射太陽輻照度占入射66.3%，冷卻功率密度達(dá)70至100 W·m?2。圖5展示了該系統(tǒng)與光纖日光照明及蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的集成方式，并估算了在首爾大型辦公樓中的月度冷卻與照明節(jié)電量，最高分別節(jié)省93.4 MJ·m?2·月?1和370 MJ·m?2·月?1。最后，圖6將系統(tǒng)性能推廣至全球不同氣候區(qū)，繪制了冷卻與照明節(jié)電的全球分布圖，表明其在暖干、高太陽輻照地區(qū)如中東、北非及美國西南部具有最佳應(yīng)用潛力。

圖1：STRLC系統(tǒng)的概念與工作原理示意圖。(a) STRLC系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；(b) STRLC系統(tǒng)層級下的整體能量流動與傳遞過程示意圖。

圖2：輻射冷卻面板戶外性能測試的實驗裝置示意圖。(a)測試面板結(jié)構(gòu)及測試系統(tǒng)配置示意圖；(b)韓國首爾屋頂測試場地中面板及其實驗裝置的實物圖。

圖3：輻射冷卻器的光學(xué)性能表征。(a)石英玻璃、低鐵玻璃和硼硅玻璃在紫外–可見–近紅外波段的光譜吸收率，圖中同時給出了歸一化的AM 1.5G太陽光譜作為參考；(b)三種玻璃的光譜半球發(fā)射率，并與大氣透過率及歸一化黑體輻射強度進(jìn)行對比；(c)石英玻璃、低鐵玻璃和硼硅玻璃的總定向發(fā)射率；(d)三種玻璃的總太陽吸收率與總半球發(fā)射率對比分析。

圖4：輻射冷卻器在室外條件下的性能評估。(a)白天隨時間變化的環(huán)境溫度、冷卻器內(nèi)硅油溫度以及垂直于面板的太陽輻照強度；(b)面板上的入射與透射太陽輻照強度；(c)冷卻功率密度隨冷卻器內(nèi)硅油與環(huán)境空氣溫差變化的實驗與模型結(jié)果對比。

圖5：STRLC系統(tǒng)的潛在應(yīng)用場景。(a)太陽透過型輻射冷卻與太陽能利用的概念示意圖；(b) STRLC系統(tǒng)與光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)結(jié)合于建筑中的示意圖；(c)STRLC系統(tǒng)與蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)集成的示意圖；(d)環(huán)境溫度為32℃時的蒸汽壓縮循環(huán)壓力–焓圖，不同曲線對應(yīng)實現(xiàn)10 kW制冷功率時的不同儲液罐溫度；(e,f) STRLC系統(tǒng)結(jié)合光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)后單位面積面板的月度節(jié)電量及節(jié)能率估算，其中(e)為制冷節(jié)電量，(f)為照明節(jié)電量。

圖6：STRLC系統(tǒng)與光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)結(jié)合實現(xiàn)的全球年度節(jié)電量估算分布圖。(a)制冷節(jié)電量；(b)照明節(jié)電量。

小結(jié)：本研究提出了一種亞環(huán)境透明輻射液體冷卻系統(tǒng)STRLC，能夠在同一面積內(nèi)同時實現(xiàn)液體亞環(huán)境冷卻與太陽能透射利用，無需切換模式且具備高效的能源綜合管理能力。該系統(tǒng)選用硅油與硼硅玻璃作為核心材料，總太陽吸收率僅為2.8%，總半球發(fā)射率達(dá)到79.4%，在無需真空或復(fù)雜遮陽機制的條件下，實現(xiàn)了白天降溫2.4 °C、夜間降溫5.1 °C的亞環(huán)境冷卻性能。通過戶外實驗驗證，系統(tǒng)冷卻功率密度達(dá)70至100 W/m2，同時透射了66.3%的入射太陽能，為太陽能同步利用提供了基礎(chǔ)。當(dāng)與光纖日光照明系統(tǒng)和蒸汽壓縮制冷循環(huán)集成應(yīng)用于首爾大型辦公樓時，該系統(tǒng)可分別降低冷卻用電10.0%和照明用電47.6%，對應(yīng)每年每平方米面板節(jié)省0.244 GJ冷卻電量和3.57 GJ照明電量。在全球氣候區(qū)分析中，該策略在暖干、高太陽輻照地區(qū)如中東、北非及美國西南部展現(xiàn)出最優(yōu)節(jié)能效果，表明其具備跨氣候區(qū)的廣泛適用性。本研究為建筑屋頂空間受限條件下實現(xiàn)高效冷卻與太陽能協(xié)同利用提供了一條可行、高效且可擴展的解決路徑。

論文信息：Kim S H, Kim S G, Xu R H, et al. Sub-ambient transparent radiative liquid cooling system enabling simultaneous solar energy utilization. Energy Conversion and Management. 2026: 121410. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2026.121410.

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