​武大刘抗课题组Mater. Today Energy: 一种基于聚乙烯气凝胶的新型辐射空调系统

【研究背景】

空调是最常用的人居环境热舒适性调节设备，其能耗在全球能源消费中占据很大比重。传统的空调系统在调节人居环境热舒适性的过程中，通常需要对整个建筑空间进行降温，能源消耗非常大。此外，室内空气的持续再循环导致空气质量较差，也容易引发健康问题。随着人们对能源消耗和自身健康的日益关注，寻找高效低能耗且健康的居住环境热舒适管理新方案具有重要的意义。

辐射空调（RAC）系统被认为是降低建筑供冷能耗的有效途径。在这种系统中，人体热量以红外热辐射的形式传递给冷源。相较于通过空气对流降温的传统空调（TAC），RAC系统直接对人体进行辐射降温，避免了对整个建筑空间的降温，具有更高的能量效率和更低的能耗。此外，RAC可在开放环境运行，结合通风系统保持室内空气清新。

RAC系统通常采用聚乙烯薄膜覆盖的空腔作为冷板与环境间的隔层，空腔层可减少从冷表面到环境空气的冷量损失，但聚乙烯薄膜脆弱易破碎，密封要求严格，腔体系统较为复杂，难以实现工程化实际应用。

【研究思路】

针对这一问题，武汉大学刘抗研究员课题组提出了一种基于聚乙烯气凝胶（PEA）的新型辐射制冷空调（PEA-RAC）。PEA气凝胶具有高孔隙率，在保证良好机械性能的同时，具有超低导热系数。同时PE材料本身以及孔隙结构赋予气凝胶优异的红外透过和可见光反射。因此PEA-RAC系统能有效抑制冷板与环境的换热但具有良好的辐射换热效果，表现出比传统辐射空调更高的能量效率。同时该空调系统能够限制环境热量和太阳辐射输入，在室外环境具有显著优越性和潜在应用前景。

该研究工作发表在ELSEVIER旗下杂志《Materials Today Energy》，武汉大学动力与机械学院学生何荣杰、廖雨田为共同第一作者，武汉大学动力与机械学院刘抗研究员、章先涛博士和清华大学航天航空学院黄俊博士为通讯作者。

【图文简介】

图1. PEA-RAC系统示意图及工作原理

要点1. 在PEA-RAC系统中，人体与冷板通过热辐射的形式直接进行热量交换。PEA的高红外透明性可使人体热辐射高效传递到系统的冷板上；而PEA的低热导率则可降低冷板与周围环境之间的换热，降低能量损失；此外，当RAC系统使用于户外时，PEA的高太阳光反射率可避免冷源对太阳能量的吸收。

图2. PEA的表征: (a）PEA样品照片;（b）扫描电镜图; (c）孔径分布; (d）热导率测量结果; (e）紫外-可见-近红外光谱反射率和透过率; (f）中红外光谱透过率

要点2. PEA具有多孔结构，压汞法测得其孔隙大小在30nm到100μm之间，峰值约为100 nm，孔隙率约为91.8%；高孔隙率使得PEA具有~0.0283 W m^-1 K^-1的低热导率；大量的微纳米孔洞作为太阳光的强散射体，使得4 mm厚的PEA样品在太阳能量集中波段具有0.98的高反射率和0.02的低透射率；而在人体热辐射集中的中红外区域，PEA则表现出高透过率，其中在5-25µm波长范围的平均透过率为0.73；高红外透过率、高太阳光反射率和低热导率表明PEA在RAC系统中有很大的应用潜力。

图3. PEA-RAC系统性能测试: (a）实验方案示意图; (b）实验装置的照片; (c,d）不同输入功率下无PEA及不同厚度PEA时的冷热板温度; (e）不同热板温降下无PEA及不同厚度PEA所需输入功率

要点3. 为了探究PEA-RAC相较于无PEA时RAC的节能性，在35 ^oC环境温度下进行了有无PEA的温降和功率消耗对比实验。实验结果表明，有PEA时冷热板的温度明显较于无PEA时低，表明PEA可以通过减小与环境的换热使冷板维持更低温度，更低的冷板温度有利于加强与热板之间的辐射换热，使冷却效果增强。随着PEA厚度的增加，热板的温度进一步降低，即冷却效果进一步增强。在相同的冷却效果(ΔT)下，PEA-RAC系统相较于无PEA时RAC系统功耗更低。在ΔT为9 ^oC和PEA厚6 mm时， PEA-RAC系统的能耗仅约为无PEA时的1/6，说明了PEA具有提升RAC系统节能性的潜力。

图4 PEA-RAC系统与TAC系统室内应用理论分析: (a, b）PEA-RAC和TAC的传热模型; (c）系统消耗的功率和节能率随ω（辐射换热量在总散热功率中的占比）的变化; (d）ω 与PEA热导率、厚度和红外透过率的关系

要点4. 此项研究通过理论分析对PEA-RAC系统和TAC系统能耗情况进行了对比。在相同的人体散热功率下，系统消耗的功率随着ω的增加而降低，节能率（η）随ω增加而增大。也就是说，人体通过辐射换热的散热量越多，系统的效率就越高。在图4c中，左侧ω 接近0时，表明系统与人体之间的辐射换热量为0，对应于TAC系统；右侧ω为1时，表明人体的散热量全依赖于辐射换热，对应于理想的RAC系统。可以直观地看出RAC系统的能耗明显低于TAC系统，且η随ω的增大而增大。ω由PEA材料的红外透过率、热导率和厚度决定。如图4d所示，在固定红外透过率的情况下，较低的热导率和较大的厚度有助于增加冷板和环境之间的热阻，从而增大ω。此外，更高的红外透射率可降低辐射热阻从而使ω更高。其中，在墙壁面积为20 m²、PEA厚6 mm时，ω为32.8%，相较于TAC，PEA-RAC系统的节能率可达31%。

图5 PEA-RAC系统在户外环境中的能耗分析: (a）PEA-RAC系统在户外环境中的传热模型; (b）太阳光强对PEA-RAC系统能耗的影响

要点5. PEA的高太阳反射率和低热导率也增强了PEA-RAC在户外环境中的适用性。以武汉一个典型的夏日为例，由于PEA的高太阳光反射率（~0.98）和低导热性，在0.3-0.75 kW m^-2的太阳光强度范围内，PEA-RAC的功率消耗仅约为无PEA时RAC能耗的1/3，且即使在太阳光强度波动的情况下，PEA-RAC系统的功耗也比较稳定。因此，PEA的高太阳反射率和低热导率对降低PEA-RAC系统制冷能耗和提升户外运行稳定性具有重要意义。

【意义分析】

此项研究成果提出了一种新型的PEA-RAC系统，此系统采用辐射换热的形式实现人体与冷源的直接热量交换，无需对建筑空间降温，具有更高的能量效率；同时，该系统在开放空间中具有独特的应用优势，可以拓展空调系统的应用范围，也有利于人居环境在满足热舒适性的前提下保持通风，减少健康问题；此外，PEA的应用使得RAC系统的节能性和实用性进一步提高，有利于RAC系统的推广普及。此项研究为节能建筑热管理设计提供了一种潜在方案，以缓解人居环境热管理的高额能源消耗。

He, R.; Liao, Y.; Huang, J.; Cheng, T.; Zhang, X.; Yang, P.; Liu, H and Liu, K. Radiant air conditioning with infrared transparent polyethylene aerogel. Materials Today Energy, 2021,100800.

DOI: 10.1016/j.mtener.2021.100800.

期刊介绍：