首页
登录
注册
-
我国正面临着日益严重的能源与环境问题, 化石能源的消耗仍然占据主导地位, 其中汽油和柴 油的消耗量约占化石能源总消耗量的5%左右. 交通运输是其最主要的消费领域(汽油44%、柴油65%)[1], 而汽车空调的使用会使汽车的总油耗增加10%—30%[2]. 为了应对节能减排的迫切需求并缓解上述压力, 必须采取措施降低现有车辆空调的能耗.
现阶段车内温度调节系统除了依赖空调调控等主动式方法外, 一些零能耗被动式降温方法也日益受到青睐, 如停车时用遮阳帘覆盖车顶、车窗贴膜、使用玻璃涂层等[3]. 另外, Mousavi和Azzopardi[4]提出在车窗上使用辐射制冷材料, 以减少调节车内温度所需能量消耗. 辐射制冷作为一种无需能源输入的制冷技术[5–7], 借助8—13 μm的中红外波段大气窗口, 将地表物体释放的热辐射导向宇宙空间, 从而实现被动降温, 具有低成本、实用性强、无污染等优点[8–10].
然而, 上述技术虽然能够实现一定程度的降温, 但无法在车辆行驶过程中主动智能调节车内温度. 在主动智能调控的技术中, 通过电致变色材料[11]实现智能温控的技术逐渐走进大众视野. 电致变色材料通过改变表面特性来动态控制太阳能增益[12], 可以改善车内热舒适性以及提升其能源效率[13]. 如今, 电致变色材料已经发展出众多类别, 比如电致变色发光材料[14]、柔性电致变色材料[15]、一体化凝胶型电致变色器件[16]、聚合物分散液晶(polymer dispersed liquid crystal, PDLC)[17]和悬浮粒子器件[18]等. 为满足汽车的实际使用需求, 材料必须具备适当的可见光透过率. 相比其他变色材料, PDLC具备自由变色、驱动电压较低, 响应速度快(约40 ms)[19]、成本低及技术成熟等优势, 可成为理想的变色材料[20].
综上所述, 本研究创新地提出将辐射制冷膜与PDLC电致变色膜两种单层膜结合形成多层膜的设计, 使辐射制冷膜被动制冷, 同时电致变色膜主动调节太阳辐射的进入, 结合主被动调节能力可以辅助车用空调系统对车内温度实现动态调节. 本文通过实验方法, 研究多层膜结构在制冷效能上的潜在优势, 在多样化的环境条件下测试了多层膜的性能, 验证其温度调控功能的可靠性. 本工作可以为降低车用空调能耗与提高乘客舒适度提供一条新的路径.
-
本研究使用市面上常见的辐射制冷膜和PDLC电致变色膜两种单层膜结合形成多层膜. 为减少辐射制冷膜制冷量向外散失, 多层膜的结合方式为电致变色膜在外侧, 辐射制冷膜在内侧, 使用时只需要给电致变色膜施加电压. 为便于进行原理描述, 对理论模型进行简化, 如图1所示, 将所研究的汽车不规则体简化为一个方箱, 方箱一侧开口, 依次覆盖多层膜与玻璃, 模拟贴膜的汽车车窗, 其余五面覆盖隔热材料.
基于能量平衡, 多层膜的净制冷功率
$ P_{\text {net }} $ 可表示为式中,
${P_{{\text{rad}}}}$ 为膜的总辐射功率,${P_{{\text{solar}}}}$ 为吸收的太阳辐射功率,${P_{{\text{atm}}}}$ 为吸收的大气辐射功率,$ {P_{{\text{nonrad}}}} $ 为非辐射换热损失功率. 方程(1)表明, 通过施加不同电压改变多层膜的表面特性, 可以改变进入箱内的太阳辐射${P_{{\text{solar}}}}$ , 实现制冷功率的动态变化, 从而使多层膜具备一定的调节功能, 因此多层膜相对两种单层膜应该具有更好的制冷及温度调节的能力. -
组成多层膜的两种单层膜主要参数信息如表1和表2所列. 电致变色膜的工作机理及状态变化如图2所示. 在没有电场作用的情况下, 液晶分子随机无序排列, 电致变色膜处于不透明状态, 即全雾状态; 当通入交流电时, 液晶分子实现有序排列, 电致变色膜从不透明状态转换为透明状态. 通过电场作用, 电致变色膜能够在透明与不透明状态之间的多档转换: 当外加电压分别为0, 15和30 V时, 电致变色膜呈现全雾、半透和全透状态.
-
理想情况下多层膜性能分析实验在室内进行. 实验装置如图3所示, 主体是14 cm × 30 cm × 33 cm的方箱, 方箱外部贴上隔热棉以形成隔热效果, 方箱一侧有一5 cm×10 cm的方口, 并安装8 mm厚玻璃, 同时在方箱内部放置热电偶以测量箱内温度, 并使用太阳光模拟器来施加热负荷.
为研究多层膜相对于辐射制冷膜和电致变色膜两种单层膜是否具有更佳的制冷性能, 通过在玻璃上贴多层膜、两种单层膜及不贴膜进行对照实验; 为研究多层膜的温度调节性能, 在玻璃上贴多层膜后对多层膜施加不同的控制电压进行多组对照实验. 实验在室内环境中进行, 各组实验的起始温度为23.6 ℃, 控制电压取0, 15和30 V, 为使温度变化显著的同时避免方箱内温度过高, 以1 min的时间间隔连续测量并记录40 min后装置内温度变化, 并以该时间段内装置内温度变化情况表征不同条件下的制冷性能.
实际情况下多层膜性能分析实验在中国沈阳市东北大学(北纬41°77', 东经123°42')的空旷广场上进行, 该部分实验对多层膜在实际情况下的制冷和温度调节性能进行研究. 本实验选取夏季、秋季和冬季中季节特征明显的几天, 共进行10余天的实验. 实验装置如图4所示, 由两个铁质方箱、普通玻璃、热电阻、多层膜、辐射制冷膜和检测仪器组成. 实验测量装置为两个尺寸300 mm×300 mm× 300 mm, 厚1 mm的铁质方箱, 上表面正中间各有200 mm×300 mm的开口, 开口处均装上等面积的5 mm厚普通玻璃, 方箱内部均使用10 mm的隔热棉. 其中一个铁质方箱的开口仅装有玻璃, 另一个铁质方箱除装有玻璃外, 还覆盖有与玻璃尺寸相同的多层膜, 两个方箱内部均放有热电阻来测量箱内温度. 此外, 本实验还设置了气象传感器, 实时测量环境温度、太阳辐射强度、风速和相对湿度等物理量, 并用数据采集器进行记录. 本研究将贴膜组作为实验组, 不贴膜组作为空白对照组.
本研究对实验组的多层膜施加0或30 V的电压, 并通过比较实验组和对照组两个方箱内的温度差异, 以此表征多层膜的制冷性能.
-
为探究所提出的多层膜是否具有更佳的制冷性能, 在室内理想情况下, 对贴有不同膜的箱内温度在40 min内的变化情况进行测量, 测量结果如图5所示. 从图5可看出, 两种膜作为单层膜单独使用时, 其降温性能明显不如多层膜. 其中, 仅使用全雾状态的电致变色膜时, 尽管其第40 min时的箱内温度略低于空白对照组, 但其初期升温速率却大于不贴膜空白对照组, 在第14 min时电致变色组温度箱内温度甚至高于贴膜对照组温度2.5 ℃, 这说明电致变色膜不适宜单独实现降温功能; 仅使用辐射制冷膜时, 与不贴膜空白对照组的箱内温度差稳定在5.2—5.6 ℃; 然而, 当电致变色膜与制冷膜结合形成多层膜时, 其降温性能显著增强, 在第40 min时与不贴膜对照组相比, 最大箱内温差达到15.4 ℃, 比单辐射制冷膜组低约9.8 ℃, 表明多层膜相对于单层膜具有更佳的制冷性能.
此外, 为进一步探究多层膜是否具备动态温度调节的能力, 还测量了在对多层膜施加不同电压的情况下, 装置内温度的变化情况. 测量结果如图6所示, 随着施加电压的增大, 装置内部在第40 min时的温度也逐渐上升. 其中, 多层膜在0 V全雾状态与30 V全透状态时, 降温幅度相差4.6 ℃, 这一现象验证了多层膜具备在一定范围内调节温度的能力. 同时, 本研究还使用热成像仪在实验第40 min时对各组装置的表面温度进行测量, 结果如图7所示, 使用全雾状态多层膜的表面温度相对于未使用多层膜的表面温度, 最高温差可达13.6 ℃, 由此可以显示出多层膜良好的降温性能.
综上可以看出, 多层膜的降温性能明显优于单层膜, 此外, 在不同的控制电压条件下, 装置内温度也呈现出一定的差异性, 验证了多层膜具备在一定范围内调节温度的能力.
-
在7月底到12月初共10余天的测试中, 本研究对各种工况下两对组照实验的结果进行比较. 下列各图展示了部分实验期间两装置的温度变化与实时的太阳辐射强度, 实验结果均经过降噪预处理.
在夏季的测试结果如图8所示. 图8(a)显示在2023年7月31日, 平均降温幅度最明显. 根据实验数据显示, 在当天环境温度34.4—41.0 ℃, 平均湿度79%, 平均太阳辐射强度634.1 W/m2的情况下, 相较于不贴膜空白对照组, 处于0 V全雾状态下的多层膜能使箱内温度相对空白对照组最多降低13.0 ℃, 平均降温为7.6 ℃; 图8(b)显示在2023年8月1日, 在当天实验环境温度34.9—39.8 ℃, 平均湿度65%, 平均太阳辐射强度548.2 W/m2的情况下, 多层膜处于30 V透明状态下与空白对照组相比最大箱内温差为7.7 ℃, 低于0 V全雾状态下的制冷幅度. 上述结果说明该多层膜在夏季能够实现有效降温, 同时表明通过改变多层膜的状态可以在一定范围内实现温度调节.
在秋冬季的测试结果如图9所示, 贴膜组的箱内温度与对照组的相比差异不大, 显示出该膜在秋冬季的降温性能较弱. 图9(a)显示在2023年11月15日, 在当天实验环境温度8.0—14.1 ℃, 平均湿度56%, 平均太阳辐射强度471.5 W/m2的情况下, 与不贴膜空白对照组相比, 当多层膜处于0 V全雾状态时, 最大箱内降温幅度仅有1.9 ℃, 远低于夏季相同条件下的13.0 ℃; 图9(b)显示在2023年11月29日, 在当天实验平均环境温度1.5 ℃, 平均湿度41%, 平均太阳辐射强度363.5 W/m2的情况下, 与不贴膜空白对照组相比, 当多层膜处于30 V全雾状态时, 最大箱内降温幅度仅有1.6 ℃, 明显低于夏季相同条件下的7.7 ℃. 上述结果表明, 多层膜在秋冬季时没有过强的制冷效果, 不会导致内部温度过低.
综上所述, 在夏季强太阳辐射和高环境温度条件下, 结合了电致变色膜与辐射制冷膜的多层膜能够有效地降低装置内部温度, 并实现一定范围内 的温度调控, 提高能源利用效率和舒适度. 同时, 在秋冬季弱太阳辐射和低环境温度条件下, 多层膜不会导致过度降温, 具有良好的环境适应性.
-
图10显示了在7月31日和11月15日, 多层膜都处于0 V全雾状态的情况下, 贴膜箱体和不贴膜空白对照箱体两个装置内的温度差与太阳辐射强度的变化情况. 从图10可见, 无论夏季还是秋冬季, 两装置温差的变化趋势与太阳辐射强度的变化趋势基本一致, 说明多层膜制冷性能与太阳辐射强度呈正相关; 此外, 在夏季平均气温为37.6 ℃的高温环境下, 两方箱内的平均温差为6.8 ℃ (见图10(a)); 而在秋冬季平均气温为11.9 ℃的低温环境下, 两方箱的平均温差仅有0.4 ℃ (见图10(b)), 说明环境温度也能影响多层膜的制冷性能. 因此, 太阳辐射强度及环境温度对多层膜制冷性能有重要影响.
-
本研究基于辐射制冷与电致变色原理提出了主被动结合的车内温度动态调节的多层膜设计, 通过对多层膜的性能进行实验分析, 得出以下结论:
1) 相较于单层膜, 多层膜展现出更优的制冷性能. 在室温条件下, 对箱体施加相同热辐射时, 多层膜比单层膜的最大箱内降温幅度高出约10 ℃.
2) 通过调整控制电压来改变多层膜的状态, 可以在一定范围内实现温度调节. 在室内环境中, 贴有全雾状态多层膜的箱体与贴有全透状态多层膜的箱体相比, 箱内降温幅度相差4.6 ℃.
3) 多层膜具有良好的环境适应性. 在室外夏季的高温环境条件下, 多层膜表现出优异的制冷性能. 当平均太阳辐射强度为634.1 W/m2时, 贴有全雾状态多层膜的箱体与不贴膜箱体相比, 其箱内最大降温幅度达12.9 ℃; 而在秋冬季低温环境条件下, 贴有全雾状态多层膜的箱体与不贴膜箱体相比, 最大箱内降温幅度仅有1.9 ℃, 远低于夏季相同条件下的12.9 ℃. 这说明多层膜不会导致冬季车内温度过低, 确保了乘客舒适度, 同时也避免了额外能耗.
基于辐射制冷与电致变色的可调节多层膜性能研究
Performance of adjustable multilayer film based on radiation cooling and electrochromism
-
摘要: 针对车用空调的高能耗问题, 设计了一种将辐射制冷膜和电致变色膜结合的可调节多层膜. 为研究多层膜的降温与温度调节性能, 搭建了贴膜方箱装置, 并在室内对贴膜装置进行太阳光模拟器照射实验, 结果表明, 多层膜相比单层辐射制冷膜最大箱内降温提升约9.8 ℃, 且能通过改变多层膜透过率实现约4.6 ℃的温度调节, 具有较强的降温与温度调节潜力. 为研究多层膜的环境适应性, 在夏季和冬季的室外对贴膜装置进行实际太阳照射实验, 结果表明: 夏季多层膜降温效果明显, 最大箱内降温高达12.9 ℃; 而冬季多层膜降温效果较弱, 最大箱内降温仅有1.9 ℃, 具有良好的环境适应性. 综上, 该多层膜可为降低汽车空调能耗提供一种新的解决方案.Abstract: Energy and environmental challenges caused by the excessive consumption of fossil fuels are major concerns worldwide, and the use of automotive air conditioning can increase total fuel consumption by 10% to 30%, thereby exacerbating these problems. To reduce the energy consumption for automotive air conditioning, a multilayer-film design based on radiative cooling and electrochromic modulation is proposed for regulating the temperature inside vehicles. The designed multilayer-film not only passively realizes temperature drop but also actively regulates the entry of solar radiation, which can help the vehicle air conditioning system to adjust the interior temperature autonomously. To verify its effectiveness, a film-applied empty box device is designed for radiometric temperature measurement. Experimental results indicate that the maximum interior temperature drop of the multilayer film increases by approximately 9.8 ℃ compared with that of single-layer films in the sunlight irradiation, and dynamic temperature regulation of about 4.6 ℃ can be achieved by adjusting the transmittance of the multilayer film. To study the environmental adaptability of the multilayer film, experiments are conducted on an outdoor film-applied device during the summer and winter in Shenyang, China ($\rm 41^\circ44'N, 123^\circ39'E$), the place which is characterized by a typical temperate continental climate. Results indicate that under high temperature conditions of 30–40 ℃ in summer, the maximum internal temperature drop of the multilayer film reaches 12.9 ℃; while under low temperature conditions of 0–15 ℃ in autumn and winter, the maximum internal temperature drop is only 1.9 ℃, preventing the interior temperature from being too low. In addition, the maximum interior temperature drop increases with the solar radiation intensity and ambient temperature increasing. Therefore, the proposed multilayer-film design, with its potential for temperature self-regulation, provides a promising solution for reducing energy consumption and improving passenger comfort.
-
Key words:
- radiative cooling /
- electrochromism /
- temperature regulation .
-
-
图 3 室内实验装置图 (a) 模型图; (b) 实物图
Figure 3. Indoor experimental setup: (a) Physical model; (b) real setup.
图 4 室外实验装置 (a) 模型图; (b) 实物图
Figure 4. Outdoor experimental setup: (a) Physical model; (b) real setup.
图 5 多层膜与单层膜制冷性能对比
Figure 5. Cooling performance between multilayer film and single-layer film.
图 6 不同电压下多层膜制冷性能
Figure 6. Cooling performance of multilayer film at different voltages.
图 7 第40 min时热成像仪画面 (a) 未使用多层膜; (b) 使用多层膜
Figure 7. Thermal imaging camera display at 40th minute: (a) Without multilayer film; (b) with multilayer film.
图 8 夏季实验结果 (a) 2023年7月31日 0 V全雾; (b) 2023年8月1日 30 V 全透
Figure 8. Summer experimental results: (a) July 31st, 2023, 0 V, fully foggy; (b) August 1st, 2023, 30 V, fully clear.
图 9 秋冬季实验结果 (a) 2023年11月15日 0 V 全雾; (b) 2023年11月29日 30 V 全透
Figure 9. Autumn/Winter experimental results: (a) November 15th, 2023, 0 V, fully foggy (b) November 29th, 2023, 30 V, fully clear.
图 10 太阳辐射强度及环境温度对制冷性能的影响 (a) 7月31日制冷性能; (b) 11月15日制冷性能
Figure 10. Effects of solar radiation intensity and ambient temperature on the cooling performance: (a) Cooling performance on July 31st; (b) cooling performance on November 15th.
表 1 辐射制冷膜主要参数
Table 1. Main parameters of radiation cooling film.
参数 百分数/% 参数 百分数/% 反射率 8 光太阳能
增益系数1.24 穿透率 66 太阳能总隔断率 47 紫外线阻隔率 99.9 热增益减少率 28.67 太阳能辐射
吸收系数0.53 炫光减少率 26 
下载: 导出CSV
表 2 电致变色膜主要参数
Table 2. Main parameters of electrochromic film.
参数 数值 参数 数值 穿透率(30 V)% 73.5 功耗/(W·m–²) 6 穿透率(15 V)/% 65.5 使用寿命/h >50000 穿透率(0 V)/% 10.4 工作温度/℃ –20—70 紫外线隔断率/% 98 可视角度/(°) 120 工作电压/V 0—30 基材厚度/μm 600±50
下载: 导出CSV
-
[1] 国家统计局 2023 中国统计年鉴 42 284 National Bureau of Statistics 2023 China Stat. Yearbook 42 284 [2] Mogro A E, Huertas J I 2021 Int. J. Interact. Des. Manuf. 15 271 doi: 10.1007/s12008-021-00750-8 [3] Tuchinda C, Srivannaboon S, Lim H W 2006 J. Am. Acad. Dermatol. 54 845 doi: 10.1016/j.jaad.2005.11.1082 [4] Mousavi N S S, Azzopardi B 2023 Energies 16 5256 doi: 10.3390/en16145256 [5] Catalanotti S, Cuomo V, Piro G, Ruggi D, Silvestrini V, Troise G 1975 Sol. Energy 17 83 doi: 10.1016/0038-092X(75)90062-6 [6] Lin K T, Han J H, Li K, Guo C S, Lin H, Jia B H 2021 Nano Energy 80 105517 doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105517 [7] Li Z Z, Chen Q Y, Song Y, Zhu B, Zhu J 2020 Adv. Mater. Technol. 5 1901007 doi: 10.1002/admt.201901007 [8] 刘扬, 潘登, 陈文, 王文强, 沈昊, 徐红星 2020 物理学报 69 036501 doi: 10.7498/aps.69.20191906 Liu Y, Pan D, Chen W, Wang W Q, Shen H, Xu H X 2020 Acta Phys. Sin. 69 036501 doi: 10.7498/aps.69.20191906 [9] 刘士彦, 姚博, 谭永胜, 徐海涛, 冀婷, 方泽波 2017 物理学报 66 248801 doi: 10.7498/aps.66.248801 Liu S Y, Yao B, Tan Y S, Xu H T, Ji T, Fang Z B 2017 Acta Phys. Sin. 66 248801 doi: 10.7498/aps.66.248801 [10] 于海童, 刘东, 杨震, 段远源 2018 物理学报 67 024209 doi: 10.7498/aps.67.20171531 Yu H T, Liu D, Yang Z, Duan Y Y 2018 Acta Phys. Sin. 67 024209 doi: 10.7498/aps.67.20171531 [11] Cannavale A, Ayr U, Martellotta F 2018 Energy Procedia 148 900 doi: 10.1016/j.egypro.2018.08.096 [12] Hemaida A, Ghosh A, Sundaram S, Mallick T K 2020 Sol. Energy 195 185 doi: 10.1016/j.solener.2019.11.024 [13] Jaksic N I, Salahifar C 2003 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 79 409 doi: 10.1016/S0927-0248(02)00475-0 [14] Sun J W, Chen Y N, Liang Z Q 2016 Adv. Funct. Mater. 26 2783 doi: 10.1002/adfm.201505013 [15] Wu Z X, Zhao Q, Luo X Y, Ma H D, Zheng W Q, Yu J W, Zhang Z L, Zhang K Y, Qu K, Yang R P, Jian N N, Hou J, Liu X M, Xu J K, Lu B Y 2022 Chem. Mater. 34 9923 doi: 10.1021/acs.chemmater.2c01964 [16] Ling H, Wu J C, Su F Y, Tian Y Q, Liu Y J 2021 Nat. Commun. 12 1010 doi: 10.1038/s41467-021-21086-7 [17] Zhang H M, Miao Z C, Shen W B 2022 Composites Part A 163 107234 doi: 10.1016/j.compositesa.2022.107234 [18] Lee S J, Song S Y 2023 Energy Build. 298 113514 doi: 10.1016/j.enbuild.2023.113514 [19] Casini M 2018 Renewable Energy 119 923 doi: 10.1016/j.renene.2017.12.049 [20] Hakemi H 2017 Liq. Cryst. Today 26 70 doi: 10.1080/1358314X.2017.1359143 -
计量
- 文章访问数: 194
- HTML全文浏览数: 194
- PDF下载数: 5
- 施引文献: 0