物质科学
Physical science
近日，香港科技大学（广州）可持续能源与环境学域的周跃宽老师团队等提出一种无需调节空气便可实现制冷的新型纯辐射个性化制冷设备。传统对流空调是通过处理“中间媒介”空气来进行温湿度调控，而本项研究通过冷源与人体的直接辐射换热达到温度调控，省去了由于空气温湿度调节造成的巨大能耗。该设备使用半导体制冷模块产生低至-20℃不结露不结霜的超低温冷面，并利用聚乙烯薄膜防结露技术及红外高发射率粗糙聚氯乙烯薄膜，实现了一种完全基于红外热辐射的制冷模式。该文于2024年9月3日以“A pure radiant cooling device for ‘‘air conditioning’’ without conditioning air”为题发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上。论文通讯作者为周跃宽；论文第一作者为郑昕尧在读博士生，李思逸博士和李金波所长共同参与和贡献，通讯单位为香港科技大学（广州），合作单位为广东美的制冷设备有限公司。
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研究亮点：
一种用于个性化热管理的纯辐射制冷装置；
一台基于半导体制冷和聚乙烯薄膜的概念验证原型机；
在辐射冷量密度（RCED）上实现了重大突破，达到了220 W/m2；
在夏季的典型建筑环境中，节能率可达50.4%。
研究介绍：
传统对流式空调自问世以来就一直伴随着一系列严重问题，例如：（1）开放空间中效率低下；（2）流行性病毒（如新冠，非典病毒）传播的潜在途径；（3）强烈的吹风感及运行噪声导致的不舒适性。与之相对，辐射空调通过红外热辐射直接将冷量从辐射板输送给人体，这一过程不依赖空气作为制冷媒介，有效减少了用于处理空气的能量消耗，并减轻了吹风感和运行噪音。此外，辐射空调无需建筑密闭，可降低空气源病毒传播风险。因此，辐射空调被认为是一个解决传统空调系统弊病的可靠方案。然而，由于缺乏有效的防结露措施和产生足够低温的辐射冷表面的技术，现有的辐射空调辐射冷量不足，仍然高度依赖对流来实现制冷，无法发挥辐射制冷的优势。
图1 （A）纯辐射空调相对传统对流空调的优势；（B）纯辐射个性化制冷设备结构示意图；（C）设备照片；（D）设备工作机理。
针对当前辐射空调的问题，香港科技大学（广州）周跃宽团队等人提出了一种具有高度灵活性及可移动性的纯辐射个性化制冷设备。如图1B所示，该设备以半导体制冷片为冷源，形成低至-20 ℃的冷辐射表面。辐射表面集成了具有高红外吸收率的粗糙聚氯乙烯薄膜，可有效吸收人体发出的热辐射，实现制冷。为了防止辐射表面结露并阻隔红外辐射热传递，团队在辐射表面集成了双层红外透过聚乙烯薄膜（总透过率0.814），在透过红外热辐射的同时，提高了设备与空气的接触温度，有效防止结露，并减少了设备的对流冷量损失。
图2 设备制冷及能耗性能的参数化及对比研究：（A）半导体制冷模块型号；（B）环境温度；（C）人体与设备间距；（D）辐射表面涂层。
随后，周跃宽团队构建了一个概念验证模型，并开发了一套基于红外测温仪等效发射率的辐射冷量密度测试方法。利用这种方法，他们对半导体制冷模块型号、环境温度、人体与辐射板面的距离、辐射表面材料以及防结露策略开展了参数及对比研究。测试结果显示，新型纯辐射个性化制冷设备能实现高达220 W/m2的辐射冷量密度，并能有效降低人体表皮温度7.3 ℃。为了进一步验证其性能，团队通过缩比实验将新型辐射制冷装置与传统的对流式空调进行了对比。对比结果表明，在中低冷负荷条件下，得益于显著降低的空气处理能耗，新型设备表现出良好的能耗性能，在高通风率、大空间场景下能够实现高达50.4%的节能率。这证明新型辐射制冷设备能够有效应对随着生活水平提高而日趋严重的建筑能耗问题。
图3 （A）双层膜+膜间干燥防结露方案；（B）双层膜防结露方案；（C）单层膜防结露方案；（D）不同方案下设备制冷性能；（E）~（G）不同方案下设备结露情况。
图4 （A）缩比实验测试平台；（B）冷水机；（C）缩比房间；（D）新风系统。
图5 （A）缩比实验测试平台示意图；（2）传统对流式空调冷量传播分析；（C）新型纯辐射个性化制冷设备冷量传播分析；（D）新风率及房间面积对能耗的影响；（E）传统空调与新型设备能耗特性。
小结
周跃宽老师课题组和广东美的制冷设备有限公司提出的纯辐射个性化制冷设备具有远超现有辐射空调的辐射冷量密度，可通过纯红外辐射的方式实现制冷，从而显著降低空调能耗，减少空气源病毒传播风险，并提升室内热舒适度。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press期刊Cell Reports Physical Science，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
A pure radiant cooling device for “air conditioning” without conditioning air
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386424004818
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102191
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