将沙漠地区的日温差数据储存起来，以提供经济实惠的制冷服务

昼夜温差冷却技术通过岩石堆储能实现沙漠地区低成本冷却，日温差13.5°C时提供10°C冷却效果，成本8.84美元每兆瓦时热，能效比80。

朱利安·大卫·亨特（Julian David Hunt）|克里斯蒂亚诺·维托里诺·达·席尔瓦（Cristiano Vitorino da Silva）|阿卜杜勒拉赫曼·M·阿拉杰兰（Abdulrahman M. Alajlan）|萨米·G·阿尔-加姆迪（Sami G. Al-Ghamdi）|胡萨姆·卡塞姆（Hussam Qasem）|和田良秀（Yoshihide Wada）

沙特阿拉伯图瓦尔国王阿卜杜拉科技大学（King Abdullah University of Science and Technology），生物与环境科学与工程系，邮编23955-6900

摘要

阳光辐射强烈的干旱地区每天都会经历较大的温度波动。这些温度变化被用作建筑物的被动冷却方式。然而，这一资源在其他冷却应用中并未得到充分利用。通过利用日常温度波动，可以为电力供应不足的地区提供可持续且经济实惠的冷却服务。本文介绍了一种新的方法——日常温度波动冷却（Daily Temperature Fluctuation Cooling，简称DTFC），该方法将被动热储存的概念扩展到建筑物之外，以实现低成本冷却。夜间可预测的冷空气用于冷却石堆，然后利用冷却后的石头在白天为室内降温。文章探讨了该系统的设计细节，包括石头大小、石堆高度以及风扇能耗。实验结果表明，在温差为13.5°C的地区，DTFC能够提供10°C的冷却效果，冷却成本为8.84美元/兆瓦时（USD MWth^-1），性能系数为80。DTFC显示出作为沙漠地区可再生、循环经济型低成本冷却方案的潜力。

引言

由于人口增长、经济发展和全球变暖，对冷却的需求正在增加[1]。随着发展中国家城市化和经济的加速发展，对冷却系统的需求也随之上升[2]。全球变暖加剧，导致热浪持续时间更长、强度更高[3]。在许多地区，尤其是干旱和半干旱气候区，由于能源获取有限以及对可持续解决方案的需求，这种冷却需求的增长更加明显[4]。因此，迫切需要创新、经济实惠且节能的冷却技术[5]。

历史上，利用高热质量材料（如土坯或混凝土）储存日常温度变化一直是干旱地区被动建筑的基石。现代技术通过将相变材料（Phase Change Materials，简称PCMs）集成到建筑围护结构[6]、船舶[7]、基础设施[8]和冷水罐[9]中，进一步完善了这一技术。当前关于冷却和能量储存的研究不仅限于建筑物，还扩展到了地下空间，例如利用能量隧道技术进行相变能量储存结构的冷却储存[10]，以及考虑浮力驱动流动和地下水流动的高地温隧道中的通风和热交换特性[11]。与此同时，人们也在探索被动辐射冷却材料，以在室内和室外环境中实现低于环境温度的效果[12][13][14]。尽管这些技术具有潜力，但它们往往面临可扩展性、稳定性和技术复杂性的挑战。为了解决这些问题，本文提出了一种采用优化石堆配置的日常温度波动冷却（DTFC）方法。这种方法提供了一种可靠且低成本的显热储存（Sensible Heat Storage，简称SHS）方案，特别适用于缺乏传统冷却基础设施的偏远和离网地区。

[6][7][15][16][17][18][19][20] 用水和砾石建造的蓄水池已被广泛用于夏季储存热量并在冬季提供供暖[21]。这类系统已在多种应用中得到成功实施，例如建筑物[22]、温室[23]和区域供热网络[24]，为这些场所提供了可持续的供暖来源[24]。这种方法利用砾石和水的高热质量来吸收和储存热量，实现季节性热能储存。Schmidt等人（2018年）对蓄水池与其他类似热能储存方案的投资成本进行了比较[25]。在欧洲，许多季节性蓄水池每年温度变化幅度可达20°C[26]。尽管这些季节性模型取得了成功，但近期研究指出，在干旱气候的极端昼夜循环条件下，优化填充床配置仍存在关键研究空白[27]。本文通过使用石堆进行日常而非季节性的温度调节，提高了系统的可行性和可持续性。我们提出的方案每天可实现高达19°C的温度变化，使其每年储存的能量比同等容量的标准蓄水池多两个数量级。

部分内容摘录

日常温度波动冷却

所提出的日常热储存冷却系统如图1a-e所示。该系统包括一个由空心砖建造的三角形隧道（图1e），顶部堆放着一堆石头（图1d）。三角形砖隧道允许冷空气在石堆下方流动，并为石堆提供支撑。围绕石堆的墙壁不仅固定了石堆，还能防止其中储存的冷空气泄漏到周围环境中。

结果

图3a展示了2024年沙特阿拉伯利雅得的平均每日温度和每日温度波动情况。其中，最高平均每日温度为40.1°C，5月至11月的平均每日温度波动为13°C。从图3b的数据可以看出，石堆在上午10点至中午12点之间可将周围空气温度降低超过10°C。从石堆中提取最多热量的时间是在凌晨2点。图3c展示了不同石堆配置下DTFC系统的性能系数（COP）

讨论

DTFC的模块化特性使其适用于农村和城市环境。在农村离网地区，它可以作为一种独立的冷却解决方案；而在城市环境中，可以考虑将其与屋顶集成或用于区域冷却系统。由于DTFC系统每平方米产生的冷量是集中太阳能（CSP）系统的8.9倍，因此有可能在城市环境和建筑物中用于储存冷却能量。尽管该技术需要夜间储存冷量以供白天使用

结论

本研究介绍并验证了日常温度波动冷却（DTFC）系统作为沙漠地区可行的低成本解决方案。在温差为13.5°C的地区，该系统能够提供10°C的冷却效果。对于利雅得一个标准的400平方米系统而言，这意味着每天可储存6.24兆瓦时的冷却能量。该系统的性能系数（COP）为80，远高于传统的蒸发冷却方式

作者贡献声明

朱利安·大卫·亨特（Julian David Hunt）：撰写初稿、方法论设计、概念构思。克里斯蒂亚诺·维托里诺·达·席尔瓦（Cristiano Vitorino da Silva）：可视化设计、软件开发、资源管理、方法论制定、数据整理。阿卜杜勒拉赫曼·M·阿拉杰兰（Abdulrahman M. Alajlan）：撰写修订稿、资源协调、调查工作。萨米·G·阿尔-加姆迪（Sami G. Al-Ghamdi）：撰写修订稿、验证工作、调查分析、形式化评估。胡萨姆·卡塞姆（Hussam Qasem）：撰写修订稿、资源协调、调查工作。和田良秀（Yoshihide Wada）：项目监督、行政管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。