Energy Conversion and Management | 真实大气条件下辐射冷却的光谱分辨有限元建模与基准框架

被动日间辐射冷却（passive daytime radiative cooling, PDRC）依靠材料在太阳波段保持低吸收，同时通过8–13 μm大气窗口向外层空间辐射热量，其户外表现同时受材料光谱、大气水汽与云层、太阳辐照度、天空视角以及实验装置热耦合影响。现有动态模型常采用光谱平均材料参数或等效天空发射率，且多局限于特定气候与理想边界，使不同地点、不同装置之间的结果难以直接比较。为提高真实环境下预测与基准测试的可比性，该研究将实测材料光谱与libRadtran生成的地点相关天空光谱发射率耦合进有限元模型，并以马德里多种辐射冷却材料的24 h户外实验进行验证，进一步分离大气因素、几何设计与地区气候对热响应和冷却能力的贡献。相关工作以Spectrally resolved finite‑element modelling of radiative cooling under real atmospheric conditions为题发表在Energy Conversion and Management期刊。

研究首先按真实尺寸在COMSOL中复现实验装置，并输入各组成材料的波长相关光学参数，建立包含太阳辐射、天空辐射、导热与对流的三维模型（图1）。随后利用空膨胀聚苯乙烯模块、纤维素网络以及阳极氧化铝（anodic aluminium oxide, AAO）结构的24 h户外温度数据验证模型，归一化平均偏差（NMBE）均处于±10%，均方根误差变异系数均低于11%（图2）。在此基础上，研究以可降水量（precipitable water column, PWC）和云量重建天空光谱发射率（图3），分别评估湿度、环境温度、太阳辐照度和云层的影响（图4），再考察倾角（图5）、辐射冷却面积比例与系统尺度（图6）。随后将温差比较扩展到积分净辐射冷却能量，量化各参数对全天性能的作用（图7），最后将模型迁移至马德里、塔曼拉塞特、巴尔的摩和新加坡，比较不同气候下的天空光谱与24 h净冷却功率（图8）。

图1.模型几何与材料光谱特性。(a)模型所用几何结构示意图，复现带空腔的空膨胀聚苯乙烯（EPS）模块、外部铝制围护结构以及表面密封的低密度聚乙烯薄膜。(b)模型中各材料在紫外-可见太阳波段和红外热辐射波段的发射率，包括EPS模块（EB）、电抛光铝（Al）、1D-AAO/Al、1D-AAO-40 nm-Al、3D-AAO/Al、醋酸纤维素（CA）和硝酸纤维素（NC）。背景同时给出AM 1.5G参考太阳辐照度光谱和大气透射光谱。

图2.九种分析构型在24 h内的实验温度（实线）与数值温度（虚线）演化，其中黄色条带表示白天，蓝色条带表示夜间。(a)、(b)、(c)空EPS模块（EB），(d)硝酸纤维素（NC），(e)醋酸纤维素（CA），(f)电抛光铝（Al），(g) 1D-AAO/Al，(h) 1D-AAO-40 nm-Al，(i) 3D-AAO/Al。

图3.计算得到的天空光谱发射率。(a)大气PWC最低值0.9 cm与最高值2.7 cm条件；(b)不同淡积云覆盖率条件，包括晴空0%、50%、75%和100%，插图为淡积云照片。

图4.电抛光铝参照与3D-AAO/Al辐射冷却器之间的平均温差ΔT=TAl−T3D-AAO/Al。(a)湿度极值条件，(b)环境温度极值条件，(c)太阳辐照度极值条件，(d)不同云覆盖率条件，包括晴空0%、50%、75%和100%。误差棒表示对应时段ΔT的标准差，星号表示各条件下达到的最大温差ΔTmax。

图5.倾角对辐射冷却性能的影响。(a)样品相对地面的不同倾角θ=0 °、30 °、45 °、60 °和75 °对应的天空发射率光谱，插图示意所评估的倾角。(b)各倾角下电抛光铝参照与3D-AAO/Al之间的平均ΔT，误差棒表示标准差，星号表示ΔTmax。(c)、(d)、(e)、(f)、(g)求解模型在14:00时的温度分布，倾角依次为30 °、0 °、45 °、60 °和75 °。

图6.有效辐射面积与系统尺度的影响。(a) 3D-AAO/Al辐射冷却区域覆盖铝基底总面积10%–100%时，白天和夜间的平均ΔT，误差棒表示标准差，星号表示ΔTmax。(b)、(c)、(d)、(e)、(f)数值模型在14:00时的温度分布，覆盖面积分别为10%、25%、50%、75%和100%，展示辐射面积增加对散热的影响。(g)将实验装置全部几何尺寸相对参考构型按1×、2×和5×等比例缩放后，系统尺度对白天和夜间ΔT的影响。

图7.不同大气条件与几何/设计条件下，3D-AAO/Al相对铝参照基底的净辐射冷却能量增益ΔEcool。(a)大气因素；(b)几何与设计因素。黄色柱表示白天8:00–21:30积分得到的ΔEcool, daytime，蓝色柱表示夜间21:30–8:00积分得到的ΔEcool, night-time，绿色柱表示24 h净冷却能量增益ΔEcool, 24h。

图8.不同真实气候条件下的模型结果。(a)根据各地点气候条件模拟得到的天空光谱发射率εsky；(b) 2022年8月4日24 h内计算得到的净辐射冷却功率差ΔPcool随时间的演化。

小结：为了解决真实户外条件下PDRC测试结果易受气候和实验装置影响、不同研究之间缺乏统一比较基准的问题，研究构建了一个光谱分辨有限元框架，将实测材料光学参数与地点相关的大气光谱发射率直接耦合。模型对AAO和纤维素辐射冷却器的24 h温度响应给出NMBE在±10%以内、CV(RMSE)低于11%的验证结果。参数分析表明，装置倾角、有效面积和系统尺度对表观温差的影响可达到约25 °C，而典型湿度和环境温度波动引起的差异约为0.2 °C；参考条件下24 h净冷却能量增益约为1150 W·h·m−2，云层使该增益降低约26%。跨气候模拟中，新加坡结果较马德里低56%，显示大气窗口透明度和云量对地区适用性具有关键作用。研究进一步提出户外PDRC最小报告要素，为跨实验比较、气候定制优化及后续数字孪生与建筑能耗模型耦合提供基础。

论文信息：Luis Moreno-Sanabria*, Marisol Martín-González, Cristina V. Manzano*. Spectrally resolved finite-element modelling of radiative cooling under real atmospheric conditions: validation and benchmarking framework. Energy Conversion and Management, 2026, 369: 122095. DOI: 10.1016/j.enconman.2026.122095.

都看到这里了，关注一下吧^_^

声明：本文部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流，不代表本公众号立场，如有不当，请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作，我们将竭诚为您免费推送，投稿邮箱：wangcunhai@ustb.edu.cn，微信：Cunhai_Wang (读者交流群也请添加此微信并注明姓名-单位-空天热辐射交流群).