輻射制冷技術(shù)

關(guān)于輻射制冷技術(shù)第1頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六一、輻射制冷技術(shù)背景

目前，我國(guó)已經(jīng)擁有家用空調(diào)1億臺(tái)，商業(yè)空調(diào)120萬臺(tái)，空調(diào)能耗占全國(guó)耗電量的15％左右．夏季用電高峰期，空調(diào)用電量甚至達(dá)到城鎮(zhèn)總用電量的40％．由此可見，空調(diào)方面的節(jié)能降耗，以及研究開發(fā)制冷降溫的新方法、新技術(shù)，是刻不容緩的任務(wù)，探索研究降低空調(diào)能耗的方法已成為新的研究方向．輻射制冷作為一種無能耗的建筑物空調(diào)手段，得到了蓬勃的發(fā)展，表現(xiàn)出了明顯的實(shí)際意義，并被預(yù)言給能源領(lǐng)域帶來重大的變革，使人類在環(huán)境保護(hù)和能源利用兩方面得到和諧的發(fā)展。第2頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六二、輻射制冷的原理第3頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六

結(jié)霜是由于水汽在物體表面上凝華，它意味著盡管此時(shí)氣溫高于0℃，但地表溫度卻低于0℃，這是最常見的輻射制冷現(xiàn)象。第4頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六

2.1“大氣窗口"的概念

由科學(xué)家對(duì)大氣光譜透過特性的分析可以知道，大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁波有不同的透射率，透射率較高的波段稱為“大氣窗口”，例如：

0.3~2.5μm，3.2~4.8μm，8~13μm等，如圖2-1所示。其中8~13μm波段是人們最感興趣的，因?yàn)槌叵碌暮隗w輻射主要集中在這一段。第5頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六第6頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六

地表上物體的熱能就是通過輻射換熱，將自身熱量以8~13μm電磁波的形式通過“大氣窗口"排放到溫度接近絕對(duì)零度的外部太空，達(dá)到自身冷卻的目的。通常把這種完全以輻射方式將熱量釋放到宇宙空間的制冷方式稱為輻射制冷．第7頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六2.2理想輻射體

如果有這樣一種選擇性輻射體，其光譜輻射特性如圖所示，在8~13μm波段外反射率為1，而在8~13μm波段內(nèi)輻射率為1。

理想選擇性表面的輻射特性

第8頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六與天空之間的熱交換情況就如圖所示

圖中曲線l，曲線2和曲線3分別代表了理想輻射體的溫度T1、T2、T3輻射曲線;實(shí)線是天空對(duì)地面的輻射光譜分布曲線。陰影面積表示輻射體表面凈的熱散失，因此溫度不斷下降。即使當(dāng)物體溫度降至T3時(shí)，物體仍是散熱大于得熱?？梢?，具有特性的理想輻射體可以把物體表面溫度降得比環(huán)境溫度低很多(理想情況下可比環(huán)境溫度低30℃)。

第9頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六

當(dāng)然，天然的選擇性輻射體并不存在，但我們可以選擇一些輻射材料，通過復(fù)合或組合，制成接近理想的選擇性輻射體。例如，在高度拋光的鋁板上鍍SiO，在聚氟乙烯上鍍鋁，也有近似的光譜選擇特性。當(dāng)有陽光照射在輻射體表面時(shí)，由于黑體的吸收波段很寬廣，其吸收的陽光輻射能量遠(yuǎn)大于向外輻射的能量，很難有制冷效果。理想選擇性輻射體對(duì)8~13μm波段外的輻射都是全反射，而太陽輻射光譜主要集中在0.4~4μm波段。因此理論上，理想選擇性輻射體也可以實(shí)現(xiàn)白天制冷。第10頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六2.3輻射制冷系統(tǒng)

采用理想選擇性輻射體可以降低表面溫度，但周圍環(huán)境會(huì)通過空氣對(duì)流和熱傳導(dǎo)的方式向空間中的物體傳熱，使得制冷效果下降。因此，必須在制冷空間周圍加保溫材料，特別是需在其頂部加“透明”蓋板以阻止空氣對(duì)流帶入的熱量?！巴该鳌w板和保溫材料可給輻射體“保冷"，但“透明"蓋板必須在8~13μm波段有很高的透過率。常用的蓋板材料為PE薄膜?！巴该鳌鄙w板、保溫層與輻射體組成一個(gè)基本的輻射制冷系統(tǒng)，在內(nèi)部產(chǎn)生低溫，如圖所示。第11頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六返回第12頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六視蓋板與輻射體的不同光譜選擇性，通常有以下兩種不同制冷方法：

1.全“透明"蓋板與選擇性輻射體組合該組合要求透明蓋板對(duì)全波段的輻射均有良好的透過率，而輻射體本身具有接近理想的選擇性輻射特性，即對(duì)大氣窗口波段有很強(qiáng)的輻射能力，而對(duì)其余波段有很高的反射率。當(dāng)這種組合體置于天空下時(shí)，白天來自8~13μm波段以外的輻射被反射回外空間，而夜晚輻射體自身發(fā)射的8~13μm波段的輻射可以透過蓋板向空間傳送。由于向外輻射的熱量多于吸收的熱量，故輻射體溫度降低。第13頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六

2.選擇性“透明”蓋板與黑體輻射體組合該組合要求蓋板本身具有選擇性，即對(duì)8~13μm波段的輻射透過率很高，而對(duì)其余波段的輻射具有高反射率。這樣，由于蓋板將8~13μm波段以外的輻射“過濾掉”，輻射體不需具有選擇性，只要有高發(fā)射率即可。輻射體在8~13μm波段發(fā)射的熱輻射，透過蓋板傳送到外空間，從而使自身溫度降低。第14頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六

方法(1)、(2)的應(yīng)用均取決于具有光譜選擇性材料的研制。由于同時(shí)具有太陽短波高反射率和紅外長(zhǎng)波高發(fā)射率的選擇性輻射材料很難實(shí)現(xiàn)，因此可采用一種簡(jiǎn)化的方法，即只考慮材料在夜間的紅外長(zhǎng)波輻射，暫不考慮白天太陽短波的輻射，以實(shí)現(xiàn)夜間輻射制冷。此方法對(duì)制冷裝置的要求：可以選擇利用選擇性輻射體或選擇性透明蓋板，由于尋找良好的選擇性輻射體較困難，所以對(duì)選擇性輻射透明的蓋板的研究較多．第15頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六三、輻射制冷技術(shù)在建筑降溫中的應(yīng)用

該圖是輻射制冷用于建筑物降溫的示意圖．將有蓋板的輻射制冷裝置置于房間屋頂，通過風(fēng)管和房間連接．輻射散熱器內(nèi)的輻射體，因輻射致冷效應(yīng)而降溫，房間內(nèi)上部的熱空氣被輻射體冷卻后送回房間，達(dá)到降低房間溫度的目的．晴朗的夜晚降溫效果比較顯著，而白天太陽輻射強(qiáng)度(700—900w／m2)相比較輻射制冷的功率(一般小于100W／m2)要大得多，所以輻射制冷在白天作用不大，但是輻射散熱器能夠阻斷到屋頂?shù)奶栞?/p>