太空輻射致冷空調裝置的實驗研究

芮智剛 左 然

(江蘇大學能源與動力工程學院 鎮江 212013)

在秋冬季節的清晨，草葉上、土塊上常常會覆蓋一層白色的結晶，這就是俗稱的“結霜”。結霜是由于水汽在物體表面上凝華，意味著盡管此時氣溫高于0℃，但地表溫度卻低于0℃。這種現象就是輻射致冷，它是指地面上的物體通過輻射換熱，將自身熱量以電磁波的形式發射到接近絕對零度的太空，達到自身冷卻的目的。

在地面與太空之間，存在大氣層的阻隔。大氣層對不同波長的太陽和大氣輻射有不同透射率，如圖1(a)所示。透射率較高(或反射率較低)的波段稱為“大氣窗口”，如圖中實線所示的凹部。物體在常溫下發出的紅外輻射(8～13μm波段)，恰好能透過“大氣窗口”輻射到外太空，如圖中虛線所示。因此可以把物體表面降到比環境更低的溫度。

輻射致冷的目標是：尋找一種材料作為輻射體，其在8～13μm波段的發射率接近1，在其余波段的反射率接近1，則物體在常溫下發出的輻射將透過大氣層輻射到外太空，而來自太陽的輻射將被反射掉，從而造成能量收支不平衡，實現致冷[1]。理想的輻射體性能曲線如圖1(b)所示。

國外從上世紀60年代開始對選擇性輻射原理、選擇性輻射材料、相關裝置開展研究[3-7]。國內科研人員從上世紀80年代開始類似的研究[8-9]。到目前為止，前人所做的實驗都是嘗試不同的輻射體材料進行靜態試驗，即測量無介質流動時輻射體的溫度[10-11]。但是，要將輻射致冷技術應用于建筑物的連續降溫，就必須利用一種流動介質來交換熱量。為此，研制了利用空氣為冷媒介質的輻射致冷試驗裝置，進行了相關的試驗和計算，目的是為輻射致冷用于實際建筑物的夏季致冷提供理論和試驗依據。

首先介紹了輻射致冷的實現方法，然后采用紅外發射率測定儀測定了幾種典型材料的紅外發射率，并間接確定了低密度聚乙烯(LDPE)薄膜對不同輻射體的透過率，最后將這些材料應用在自行設計的致冷裝置中，進行夜間靜態與連續抽氣實驗，探討了輻射致冷用于建筑物夜間連續降溫的可行性。

圖1 (a)理想輻射體的能量收支圖Fig.1 (a) Radiative cooling by ideal selective surface

圖1 (b)理想輻射體的輻射特性Fig.1 (b) Emissivity of ideal radiator

1 輻射致冷材料的選擇

1.1 輻射致冷系統及實現方法

圖2 輻射致冷系統Fig.2 Radiative cooling system

采用理想選擇性輻射體可以降低表面溫度，但周圍環境會通過空氣對流和熱傳導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，阻止外界熱量的傳入，特別是需在其頂部加“透明”蓋板以阻止空氣對流帶入的熱量。透明蓋板和保溫材料可給輻射體“保冷”，而透明蓋板必須在8～13μm波段有很高的透過率。常用的蓋板材料為LDPE薄膜。透明蓋板、保溫層與輻射體組成一個基本的輻射致冷系統，在內部產生低溫，如圖2所示。

根據蓋板與輻射體的不同光譜選擇性，通常有兩種不同的輻射致冷組合。

1.1.1 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，即對大氣窗口波段有很強的輻射能力，而對其余波段有很高的反射率。當這種組合體置于天空下時，白天來自8～13μm波段以外的輻射被反射回外空間，而夜晚輻射體本身發射的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。

1.1.2 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8～13μm波段的輻射透過率很高，而對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，只要有高發射率即可。輻射體在8～13μm波段發射的熱輻射，透過蓋板傳送到外空間，從而使自身溫度降低。

以上兩種方法的應用均取決于具有光譜選擇性材料的研制。由于同時具有太陽短波高反射率和紅外長波高發射率的選擇性輻射材料很難實現，因此這里采用一種簡化的方法，即只考慮材料在夜間的紅外長波輻射，暫不考慮白天對太陽短波的反射，目的是首先實現夜間輻射致冷。此方法對致冷裝置的要求主要有兩條：1)蓋板對全波段的輻射具有良好的透過率；2)輻射體在8～13μm波段具有高的紅外發射率。

1.2 輻射體材料的選擇

一般文獻中查到的材料發射率或者薄膜的透過率都僅為理論值，由于不同地域大氣中的水分和粉塵含量、不同材料的成分等均存在差異，因此有必要對材料發射率與薄膜透射率作實際測量。在本地氣候條件下，采用紅外發射率測定儀測定實驗所選用的材料發射率，經過多次測量得到一個平均值，作為實驗與計算時的參考依據。

1.2.1 材料發射率的測定

利用EMS302M紅外發射率測定儀，在同樣條件下(環境溫度為28℃)，測定了碳黑粉末、PET薄膜、PTFE薄膜、NaCl粉末、TiO2粉末、白糖粉末在8～13μm波段的發射率，分別為0.859、0.808、0.805、0.841、0.81、0.868，見圖3(僅示出碳黑和PET薄膜，其余類似)。從測定的值來看，幾種粉末材料的紅外發射率均高于薄膜材料，同樣可作為輻射體用于實驗中。

圖3 碳黑與PET薄膜的發射率曲線Fig.3 Emissivity of black carbon and PET fi lm

1.2.2 LDPE薄膜透過率的測定

LDPE薄膜對全波段的輻射透過率都較高[12](見圖4)，主要關注常溫時(8～13μm波段)LDPE薄膜對碳黑、TiO2、NaCl晶體、PET薄膜、PTFE薄膜等材料的透過率。為此設計了一種簡單的測量薄膜紅外透射率的方法，實驗原理如圖5所示。

圖4 LDPE薄膜的法向透過率曲線[12]Fig.4 IR transmittance of LDPE fi lm

圖5 測量LDPE薄膜紅外透射率的實驗原理圖(a)無薄膜；(b)有薄膜Fig.5 Schematics of measurement of IR transmittance of LDPE fi lm: (a) no fi lm; (b) with fi lm

如圖5(a)所示，將待測材料置于圓柱狀金屬盒內，無LDPE薄膜覆蓋，測量值即為材料的紅外發射率E。如圖5(b)所示，同樣條件，但有LDPE薄膜覆蓋，實際測得值為透過薄膜的紅外發射率E1。二者之間的關系推導如下：

材料的發射率為材料的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值[13]，即此即圖(a)中測得的值。而圖(b)中測得的穿過薄膜后的材料發射率為。由于E1=τE，其中τ即為LDPE薄膜的透射率。有，得

通過以上推導，可計算出LDPE薄膜對幾種高發射率材料的透射率，見表1。

表1 幾種主要材料的紅外發射率和LDPE對它們的透射率Tab.1 Emissivity of several materials and transmittance of LDPE fi lm

從表中可知，LDPE薄膜對前述幾種材料的透射率均在0.9以上，其中對PTFE薄膜的透射率最高，為0.976；對碳黑粉末的透射率最低，為0.939。這進一步說明了LDPE薄膜用作輻射致冷蓋板的可行性。

2 輻射致冷的實驗研究

2.1 實驗條件及設備

實驗在2009年5月晴朗或微云的夜間進行，位置為鎮江市東郊的一所六層平面樓頂，采用TC-2008多路溫度測試儀(精度為0.5級)與計算機連接進行夜間連續測量，分別測量輻射體板溫和進、出口空氣溫度，輻射體溫度的測量點位于盒子正中心(已經通過大量實驗證明，裝置中不同的測溫點的誤差為±0.0或0.1)，實驗中環境溫度取每個時間段內(1小時)的平均值。用AVM-03風速儀測定風速。

2.2 靜態對比實驗

圖6 靜態對比實驗Fig.6 Temperatures in static experiment

靜態實驗裝置與圖2類似。保溫材料為厚度2cm的聚氨酯，蓋板材料為單層LDPE薄膜，厚度為0.15mm，致冷空間為40cm×40cm×10cm，采用前面已測定的幾種高紅外發射率材料為輻射體。碳黑、NaCl晶體、TiO2三種粉末的厚度均為5mm，PET和PTFE薄膜厚度均為0.0125mm。實驗結果見圖6。從圖中可看出，PET薄膜和PTFE薄膜與環境的最大溫差分別為11℃和9℃，證明二者均為良好的輻射體材料。從紅外發射率測定值來看，碳黑和NaCl粉末的發射率比PET和PTFE薄膜的發射率高，應具有更好的降溫效果，但實驗效果卻不如薄膜材料，這可能與粉末材料的尺寸、厚度、雜質成分等有關。

2.3 連續抽氣實驗

如圖7所示，實驗裝置外形尺寸：75.5cm×75.5cm×20cm，上部致冷空間高度3cm，氣體進、出口直徑均為6cm，聚氨脂保溫層厚度4cm，木板框架。輻射體分別采用PET薄膜與PTFE薄膜，有效面積為62cm×62cm。擋板尺寸為11cm×55cm×1cm，間距14cm。每個裝置布置3個擋板，擋板有兩個作用：1)使空氣在下部夾層的流動為“S”型，與薄膜充分換熱；2)對薄膜起支撐作用。功率為3W的風扇向裝置內部鼓氣，出口風速為1.6m/s。從圖8可看出，連續鼓氣、室外溫度為29℃、以PET和PTFE薄膜為輻射體時，獲得裝置出口處冷空氣與環境的最大溫差依次為4.7℃和5.9℃。

圖7 抽氣實驗裝置圖Fig.7 Schematic of air fl owing system

圖8 連續抽氣實驗對比圖Fig.8 Temperatures in air fl owing experiment

2.4 致冷效率計算

致冷裝置的冷量損失情況見圖9，能量方程為：Qrad=Qf+Qb+Qe，其中，Qrad為輻射體獲得的制冷量，Qf為蓋板處的冷量損失，Qb為制冷裝置底部和側壁的冷量損失，Qe為制冷裝置的有效制冷量。實驗中，出口處的空氣流量V＝0.0045m3/s，進出口溫差取為ΔT =5℃，可計算出該致冷裝置的有效制冷量：

其中取空氣的比熱容CP=1.005kJ/kg.K，空氣密度 ρ =1.24kg/m3。

圖9 輻射致冷系統的冷量損失Fig.9 The cooling loss of radiative cooling system

由于上層溫度高于下層溫度，因而可忽略空氣的自然對流，故傳熱計算時只考慮導熱。在穩定工況下，蓋板處的冷量損失Qf即為蓋板與輻射體之間的導熱量。設上部制冷空間空氣頂部的溫度和蓋板溫度相同(等于環境溫度)，底部的溫度和輻射體溫度相同，則上部制冷空間的冷量損失為：

式中，上蓋板橫截面積A＝0.38m2，空氣頂部和底部的溫差ΔT=29-23.1=5.9℃，空氣導熱系數k＝0.0259W/m.K；上部空氣夾層高度Δx＝3cm，計算得Qf=0.73W。

對于上部制冷空間的側壁冷量損失Qb，取裝置外表溫度近似為環境溫度，而將內壁溫度近似取為輻射體的溫度，即ΔT=29-21.9=7.1℃。這樣取的原因是：內壁溫度實際上高于輻射體的溫度，與外界環境的溫差較小，將內壁溫度近似取為輻射體溫度后，內壁與外界環境的溫差變大，冷量損失相應變大，這樣可計算致冷裝置在最不利條件下的致冷效率。對于下部致冷空間側壁與裝置底部的冷量損失，取內壁面溫度近似為裝置出口處空氣溫度，即ΔT=29-23.1=5.9℃。

根據傅立葉導熱定律[13]可計算出致冷裝置壁面與底部的制冷量損失

式中：h1、h2分別為制冷空間內外側空氣的對流換熱系數，取h1=h2=10W/m2.K，d1=4cm、d2=2cm分別為聚氨酯和木板的厚度；λ1=0.022W/m.K、λ2=0.043W/m.K分別為聚氨酯和木板的導熱系數；A分別為上部制冷空間壁面、下部制冷空間壁面和制冷裝置底部的面積。計算得整個裝置壁面的冷量損失Qb=1.46W。

綜上，總的能量為Qrad=Qf+Qb+Qe=30.39W。裝置制冷效率為η =Qe/Qrad=92.7%。有效制冷面積為0.38m2，故制冷功率為74.5W/m2。而對于節能型建筑，制冷功率的要求一般為60～80W/m2，故該裝置基本可滿足節能型建筑夏季夜間的連續降溫。同時，隨著對裝置內部流道的改進，輻射致冷功率肯定會進一步提高。

圖10示出設計的用于建筑物連續降溫的輻射致冷系統，房間內的熱空氣因為密度小而上浮，在風機的驅動下被送入裝置下部空間，空氣經過擋板流動的同時與PET薄膜充分換熱，最后出口處的空氣為降溫后的冷空氣，可直接送入房間降溫。

圖10 輻射致冷在建筑物降溫中的應用Fig.10 Radiative cooling system applied to buildings

3 結論

介紹了輻射致冷的原理和實現方法，利用紅外發射率測定儀測定了PET薄膜、PTFE薄膜、NaCl晶體、TiO2和碳黑等材料的發射率，以及LDPE薄膜對上述紅外發射體的透射率，并利用上述材料，在同一條件下做了靜態與連續抽氣輻射致冷實驗。得出以下結論：

1)PET薄膜、PTFE薄膜、NaCl晶體、TiO2和碳黑的發射率均在0.8以上，均可作為紅外輻射體用于輻射致冷系統；LDPE薄膜對上述幾種材料的透射率均在0.9以上，可作為系統的蓋板材料。

2)在晴朗的夜間，靜態實驗獲得與環境的最大溫差為11℃。連續抽氣時，以PET和PTFE薄膜作為輻射體材料時獲得與外界環境的穩態最大溫差分別為4.7℃和5.4℃。實驗條件為有風，微云、有煙塵的夜間，對實驗結果的影響較大。同時，該裝置不能實現空氣除濕，故對于濕度高的地區有一定的局限性，但對于一般的氣候條件有較大的實際價值。

3)通過計算，裝置的有效制冷功率為74.5W/m2，冷量損失為1.46W，制冷效率為92.7%，計算結果表明，輻射致冷技術目前可以滿足至少一半的建筑物夏季夜間制冷要求。

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