亚环境非蒸发流体冷却与天空外文翻译资料

 2022-01-27 09:01

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亚环境非蒸发流体冷却与天空

Eli A. Goldstein，Aaswath P. Raman和Shanhui Fan

冷却系统消耗全球15％的电力，占全球温室气体排放的10％。由于冷却需求预计到2050年将增长十倍，因此提高冷却系统的效率至关重要。二十一世纪的能源挑战在此基于最近的日间辐射天空冷却示范我们展示了流体冷却板，它利用辐射天空冷却来冷却低于空气温度的流体蒸发损失，几乎不用电。经过三天的测试，我们发现面板冷却水可达5鈼鈼低于环境空气温度，水流量为0.2 lmin鈭鈭鈭鈭对应于有效散热通量高达70 Wm鈭鈭我们通过建模进一步表明，当集成在冷却系统的冷凝器侧时在炎热干燥的气候（美国拉斯维加斯），两层楼的建筑物，夏季用于制冷的电力消耗可以减少21％（14.3兆瓦时）。随着世界各地对冷却需求的快速增长，并且极端热浪的可能性越来越大未来几十年气候变化的结果，改善空调和制冷系统的效率（此处被称为冷却系统）已经变得更加紧迫。

从热力学，其他参数，效率基于蒸汽压缩的冷却系统取决于对环境的排热温度：较低的冷凝器温度导致更高的系统效率。作为一个规则拇指，冷却系统的电力输入减少了每1℃降低冷凝器温度3％至5％。通常，环境空气用作冷凝器中的冷却流体在这种情况下，冷凝器温度通常在5％到15℃以上环境干球温度。降低的一种方法冷凝器温度是将水蒸发到环境空气中。在蒸发冷却系统中，排热温度由湿球温度决定，这通常是湿球温度远低于干球温度。但是，由于增加了复杂性（例如，管理水质和矿物质沉积）和加入蒸发冷却的较高初始成本组件（例如冷却塔），通常是不经济的对于小于1 MWth（MW热）的冷却系统蒸发冷却。而且，使用蒸发冷却导致大量水分流失，2升h-1千瓦-1冷却（超过17,000 l kW-1每年冷却），这是一个值得关注的问题世界各地的水资源紧张地区。因此，它会能够在干球下方操作冷凝器非常有吸引力气温无水分流失。

辐射天空冷却是一种能够使低温冷却的机制没有电或蒸发水的温度。在这种方法，通过剥削将热量被动地排斥到外太空事实上，地球的大气对中红外是部分透明的热辐射。从历史上看，这种冷却机制是仅在晴朗干燥的夜晚观察并且使用有限商用空调和制冷系统。启发一些研究调查了建筑规模效率应用使用这种机制在夜间进行流体冷却，包括一些理论6-10和实验11-13的例子。但是，需求冷却在白天最大。实现低于环境温度白天辐射冷却，具有很大的实际意义，被证明具有挑战性，因为辐射表面需要高太阳反射和高热辐射的结合。最近，光子表面被设计并被动地使用白天在低于室温的温度下排热，即使在直射阳光15-18。辐射冷却在冷却中的应用用于冷却系统的流体，虽然对其更广泛是必不可少的部署，迄今尚未开发。

在本文中，我们提出并演示了一个系统可以将冷凝器温度降低到干球温度以下温度没有蒸发水损失。系统构建在并且显着地扩展了辐射天空的最新发展冷却。该系统可以对干球下方的流体进行被动冷却白天和晚上的气温。什么时候直接耦合到传统的冷凝器，辐射冷却板可以大大提高冷却和制冷效率系统。我们制造并测试多个流体冷却板辐射面积为0.37平方米。我们描述冷却的特征在多种流速的水下，面板的性能在干球温度下进入面板的水。在这些实验中，水被动冷却到2℃到3◦C，分别低于干球温度流量速率为0.29 l min-1 m-2和0.12升/分钟-2，在最热的时候一天中的几个小时。我们还在串联连接时测试面板在白天巅峰时间温度高于30℃，相对湿度超过30％。总表面积为0.74平方米，我们观察到干球下方3-5℃的流体冷却温度接近72小时，水流速为0.2升/分钟-2。这相当于40和40之间的有效散热率70 W m-2辐射冷却表面积。最后，我们还估计集成这些流体冷却面板时的节能效果进入建筑物的冷却系统。四个夏季（五月通过拉斯维加斯的典型气象年8月，美国内华达州，我们通过在两个地方覆盖60％的屋顶来表明商业办公楼，可能有14.3兆瓦时的电力。

图1 | 流体冷却板。 a，b，美国加利福尼亚州斯坦福市测试屋顶上面板的示意图和照片及其测试配置。c，板式换热器用于在流体和辐射冷却表面之间传递热量。 它由嵌入铝的铜管组成在蛇纹石路径板。 铝板热交换器具有与辐射冷却器相同的表面积。 d，辐射冷却表面板将热交换器组件放置在这里所示的双壁丙烯酸外壳内，并且厚度为7.5微米，从而将热交换器组件与环境隔离聚乙烯薄板，作为红外透明风罩覆盖在每个外壳的顶部。 e，管道配置示意图测试设置，突出显示风冷散热器的存在（使面板的流体入口达到环境空气温度），泵和水箱。保存，相当于所需电力减少21％用于冷却。

流体冷却演示

为了证明被动，零水损失，使用流体冷却辐射天空冷却机制，我们制造了四个相同的流体冷却板。面板及其面板的示意图和照片测试配置如图1a，b所示。每个小组由三个子系统：白天辐射冷却表面，板热交换器和绝缘外壳。辐射冷却表面与板式换热器热接触能够通过净辐射热通量来排除水中的热量在环境干球温度及其以下，即使在直接干燥温度下也是如此阳光。达到低于环境温度的冷却表面反射几乎所有来自太阳的事件能量并具有强大的能量中红外的热发射率对应于大气层透明窗口（8-13mu;m）。板式换热器，用热膏与辐射冷却表面配合，用于建立水之间的热通路换热器和辐射冷却表面。绝缘外壳用于热隔离辐射冷却表面 - 板式换热器组件来自环境。抓住了充分发挥辐射天空冷却机制的潜力，辐射冷却表面与当地环境隔热，最大限度地减少寄生环境热量增益，以确保能量被小组拒绝主要来自水。

在实验中，采用辐射冷却表面由可见反射的挤出共聚物镜（3M）组成Vikiuiti ESR电影），此前报道实现分环境在阳光下的温度19，在增强的银色之上反光表面。 每个面板具有辐射冷却表面区域0.37平方米。 板式换热器，如图1c所示，由铜管嵌入蛇形铝板中的铜管途径。板式换热器具有与其相同的表面积辐射冷却表面。 辐射冷却表面板热交换器组件通过放置与环境隔离它在图1d所示的双壁丙烯酸外壳内，和a将7.5mu;m厚的聚乙烯片材拉伸至顶部外壳为红外透明风罩。

2015年10月，我们测试了三个流体冷却板在美国加利福尼亚州斯坦福的屋顶上。 在这些测试期间，面板以平行配置连接，其管道示意图如图1e所示。使用单个泵来驱动水通过所有面板，每个面板入口附近的阀门用于控制进入每个面板的流量。 在实验过程中，两块面板的水流量为0.107升/分钟（0.29升/分钟-2）和0.044升/分钟（0.12l min-1 m-2），和在没有水的情况下运行第三组以观察稳态辐射冷却表面的温度。 一个中央坦克是用于储存水用于实验。 水之前，水泵送通过面板，通过空气冷却散热器冷却或加热，取决于一天中的时间，带来面板的进水温度接近环境干球温度。

图2 |水冷性能与流速。 a，三个面板的水冷却数据，水流速率为0,0.12和0.29 lmin鈭鈭鈭鈭The水入口和出口温度，每个板中热交换器的板温度，环境空气温度和太阳辐照度

绘制。进水温度跟踪环境空气温度，而出水和板温始终低于空气温度。 b，两个流速显示了同一时间段内进水和出水温度之间的差异的移动平均值，使用较慢的流速板，在大于700Wm鈭鈭f的直接太阳辐照度下，温度降低2.5鈼鈼。 c，有效液体通过水的热容量，每个面板中的水的流速和观察到的温度降低来确定面板的冷却功率（参见细节方法）。更快的流速产生更高的有效流体冷却功率（近40Wm鈭鈭t峰值阳光）。

在图2中，我们显示了测量的水和板温度当面板平行连接，并暴露在透明面板上时天空从上午10点到下午4点。测得的空气温度，进水口和出水口的温度，以及板式换热器

三个外壳的温度如图2a所示测量的太阳辐照度。风冷散热器是有效的超大，允许我们带来两者的进水温度面板非常接近环境空气温度。可以看出在图2a中，进水温度跟踪空气温度

好吧，让我们展示面板冷却的能力水温低于气温。测量板温度在热交换器的底部和出水即使温度很高，温度也远低于空气温度超过700 W m-2直接太阳辐照度。正如所料，盘中温度跟踪出口水温，并显示更大对于较慢的流速，相对于环境温度下降。没有水流过的面板达到最低温度，比环境空气温度低约7℃在下午12点。

入口和出口水之间的温差

流动水面板的流动如图2b所示。对于较慢的流速0.12 l min-1 m-2，水温在下午1点附近的峰值太阳辐照度下降近3℃，而对于更快的流速0.29 l min-1 m-2水温减少了约2℃。 确定散热量面板的容量，我们在图2c中绘制有效的流体冷却输送到水中的能量，定义为m˙watercwater1T，其中m.water是每秒流动的水量，cwater = 4.179 J g-1 K.-1是个水的热容量和1T是水温的降低

通过小组。流量较高的面板的流体入口温度为略高于测量的空气温度，并显示相对于较低流量的面板，波动较大。流速越高面板距离风冷散热器更远，从而产生在入口温度由于环境温度略微升高加热。但是，我们注意到入口温度都升高了波动的差异分别在附近和内部温度探头的精度为plusmn;0.3℃。从而，而这些波动对入口温度的影响更大在图2b中清楚地看到，我们绘制了入口之间的差异和出口温度，图2c，我们用这个差异来推断有效冷却功率，实际波动本身比那段时间内的平均冷却功率重要观察到的时期。的确，在测试期间，较慢的流速面板具有有效的流体冷却功率大约20-40 W m-2而流速更快的面板，其中在辐射冷却表面上放置较大的热负荷，具有有效流体冷却功率在30-70 W m-2之间。这符合我们期望更高效的液体冷却能力因为辐射冷却表面，所以流速更快在较高温度下具有较大的净辐射通量。

为了更好地说明这种流体冷却系统的潜力在较长一段时间内，我们接下来会出现三天的水

在测试时，冷却由两个串联的面板产生2015年9月初在美国加利福尼亚州斯坦福市举行。 如图所示图3a中，第一面板的出水口直接连接到第二块板的入口，提供总有效表面面积0.74平方米。 经过三天的测试，太阳辐照度超过900 W m-2，气温达到30℃以上中间的相对湿度大于30％天 值得注意的是，水的温度在3℃之间下降观察到流量低于环境空气温度5°C

速率为0.2 l min-1 m-2，如图3b所示。 这相应有效的流体冷却功率在40到70 W m-2之间

过度连续运行近72小时。

图3 | 三天的延长测试。 a，两个先前描述的水冷却板与第一个的出口串联连接面板直接送入第二块面板的入口。 风冷散热器将第一个面板的进水温度设定为空气温度。 b，三天数数据显示两个面板的出口和入口之间的温度差异，流速为0.2 lmin鈭鈭鈭鈭这三天，最高气温在30鈼35和35鈼之间，白天高峰期的相对湿度在30％左右。 值得注意的是冷却3℃这三天一直看到。 为了突出有效的流体冷却功率，绘制了40和70Wm鈭鈭的线，粗略地描绘了观察了这三天的表现。

建模面板性能

我们开发了一种瞬态热模型来预测性能在不同的天气条件下的流体冷却板。该可以在“方法”部分找到建模的详细信息。使用实验测量的环境温度和太阳能辐照度数据，以及非辐射寄生热量的估计损失（见方法），我们能够预测测量的板块各种流速的温度，在0.5°C以内，如图所示图4.在该图中，模型预测由虚线给出线条，以及由蓝色，黄色和黄色给出的测量温度

黑色的乐队。我们接下来使用面板瞬态模型来预测性能内华达州拉斯维加斯的气候冷却板，

美国。从图5a中可以看出，采用典型的气象学拉斯维加斯的年度（TMY3）数据20，我们估计甚至更高水流速为0.1 l min-1 m的温度下降-2通过0.3升/分钟-2对于TMY3数据集的6月1日，观察到的数据在我们的实验数据中。预测结果，并体现冷却功率，优于实验性能美国加利福尼亚州斯坦福市由于：水分含量较低空气，导致中红外的大气透明度更高窗口;温度越高，温度越高来自辐射冷却表面的黑体光谱辐射.We此外，可以使用该模型来理解各种模式面板中存在的传热，并推断长期性能，如图5b，c所示，分别为6月1日和2日

来自拉斯维加斯的TMY3数据集

图4 | 建模性能。 来自非稳态的计算热模型（见方法）与观察实验板温度（图2）。 使用实验测量的环境空气温度，太阳辐照度和整体传热系数非辐射寄生热交换（见方法），我们预测测量不同流速的板温，在0.5鈼鈼以内。在这图中，模型预测由虚线给出，而测量的温度由蓝色，黄色和黑色带组成

冷却系统节能

这些面板的一个重要应用是拒绝热量冷却系统中的冷凝器，从而改善系统相对于标准风冷式冷水机组的效率。 为此，我们模拟了两层参考商业广告的制冷负荷办公楼（3,330平方米（占地面积）位于拉斯维加斯的地方假设60％的屋顶被上述覆盖流体冷却板。 这种尺寸的建筑物通常使用风冷冷却器（图6a中示意性地示出）变得效率较低当空气温度上升时，即电网电流时需求最高。 在我们的模型中，示意性地显示在图6b中流体冷却板用于产生低于环境温度流体（水/乙二醇溶液），用于去除热量用于蒸汽压缩冷却系统的冷凝器两层商业建筑。 基线建筑有黑色沥青屋顶，并在计算中我们没有考虑到减少了屋顶反照率所带来的冷却负荷

由于存在流体冷却板而增加了高度反思。我们在图6c中显示了建筑物的日平均冷负荷和在图6d中，预测的电力节省是由降低引起的蒸汽压缩系统中的冷凝器温度。 对于这个计算，风扇和泵功率在风冷和面板冷却在整体节电中考虑了系统。基于TMY3数据20的夏季（5月至8月），我们计算出流体冷却板的实施将节省14.3兆瓦时的电力，电力减少21％用于建筑物的冷却。 节能期间一天取决于建筑物所需的冷却负荷环境条件。 这一时期的每日节电量低至18％，高达50％。 实施研究这里是对辐射天空冷却如何进行的初步探索提高冷却系统效率。 虽然它确实具有潜力为了实现令人印象深刻的节能效果，所考虑的情针对成本和投资回收期进行了优化。 优化的大小投资回收期和会计的系统和整合模式

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