透射型輻射制冷膜對冷飲柜降溫節能模擬分析

夏海賓,馮海燕,呂銀燕,許偉平,徐靜濤

(1.湖杭鐵路有限公司，浙江 杭州 310000;2.寧波瑞凌新能源材料研究院有限公司，浙江 寧波 315500；3.寧波瑞凌新能源科技有限公司，浙江 寧波 315500)

隨著我國及全球的經濟發展，人民對食品的品質需求日益增長，促使全球冷鏈技術不斷發展完善，同時冷鏈所造成的環境問題也日益嚴重。在冷鏈的所有環節中，終端設備冷凍冷藏產生的耗能以及碳排放在整個冷鏈的50%以上[1]，因此對終端設備(如無人售貨冷柜)進行節能改造以提升其能效對節能減排具有重要意義。

隨著互聯網技術的發展，無人售貨冷柜等商用冷柜的數量不斷攀升。而商用冷柜卻普遍存在能耗普遍較高的問題，其節能設計存在較大改進空間[2]。冷柜的節能設計關鍵在于其外圍護結構傳熱特性的控制，目前通常采用較好的保溫材料隔絕外界得熱，對于商用冷柜，為方便物品展示，通常有部分圍護結構采用玻璃，如冷藏柜，冷飲柜等，尤其是冷飲柜，同時，為吸引消費者、促進飲品銷售，有大量冷飲柜放置于戶外，而冷飲柜的玻璃的傳熱性能，對冷飲柜的能耗情況具有重要影響[3-4]。為減少玻璃結構得熱、降低空調制冷能耗，目前市面上冷飲柜的透明玻璃結構多采用中間充入氬氣(Ar)或氪氣(Kr)等惰性氣體的雙Low-e中空玻璃[5]。Low-e玻璃對波長在4.5～25 μm范圍內的遠紅外具有較高的反射率，可以將大部分遠紅外輻射反射出去，其表面發射率低于0.25，阻隔了外部長波輻射傳入，抑制了外部熱量向內傳導，達到節能保溫的作用[6-10]。但另一方面，也阻隔了內部長波輻射向外傳播，抑制了內部熱量向外傳導。因此，在冷飲柜制冷設備停用狀態下，受Low-e中空玻璃光學性能的影響，冷藏室內部熱量無法傳遞至外界環境中，內部溫度超過保溫材料(如聚氨酯泡沫等)的形變限定溫度(穩定性測試溫度80 ℃[11])，材料變形導致柜體損壞無法繼續使用。

近年來，隨著輻射制冷技術的研究及發展，具有選擇性光學特性的透射型輻射制冷材料已廣泛應用于建筑玻璃結構外表面，具有高選擇性發射率的材料通過大氣窗口將中紅外電磁波傳入外太空[12-21]；Zhitong Yi等人[21]在透射型輻射制冷材料降溫試驗研究中取得了最大溫差為21.6 ℃的成果。透射型輻射制冷薄膜(下稱：透射膜)是一種由柔性聚酯和二氧化硅微球制成的輻射制冷超材料[13]，其可見光波段透射率和中紅外波段發射率光譜曲線如圖1所示，從圖中可以得出透射膜在可見光波段的透射率為0.710；中紅外波段的半球發射率為0.852，8～13 μm大氣窗口發射率0.920。

圖1 透射膜光譜性能

本文以實體冷飲柜為例，采用Energyplus全建筑能耗模擬軟件，模擬分析透射型輻射制冷材料應用于冷飲柜玻璃結構外表面后柜體內部溫度及冷飲柜制冷能耗變化。

1 模型建立及參數設置

1.1 數學模型

冷飲柜玻璃門表面傳熱數學模型如式(1)所示[16]

qradA+K(Ts-Tm)=qatmA+qcon,outA+qsunA

(1)

式中qrad——輻射制冷膜的輻射量;

K——冷飲柜玻璃門一半的熱導率;

Tm——冷飲柜玻璃門結構的平均溫度;

qatm——大氣輻射量;

qcon,out——室外空氣與輻射制冷的對流換熱量;

qsun——輻射制冷膜吸收的太陽輻射量;

A——冷飲柜玻璃門表面面積。

式(1)中qrad由半球積分得出，如式(2)所示[16]

(2)

式中εfilm——輻射制冷膜的發射率。

1.2 模型建立

Energyplus是一款全建筑能耗模擬軟件，其負荷計算模塊采用傳遞函數法、熱平衡法和熱網格法模擬計算建筑窗、墻結構負荷變化；窗玻璃的太陽輻射得熱通過設置其反射率和發射率等參數進行計算[22]。本文采用Energyplus 8.7版本對冷飲柜內部溫度和能耗進行模擬計算。

參照實體冷飲柜實際尺寸(0.66 m長、0.58 m寬、2.04 m高)，繪制三維幾何結構模型，并按燈箱、冷藏室、空調機組對冷飲柜進行分區，分為3個熱區域(Thermal Zone)。如圖2所示，Thermal Zone 1為燈箱熱區，Thermal Zone 2為冷藏室熱區，Thermal Zone 3為空調機組熱區。模擬過程中依據不同類型的柜體玻璃，將分為3個工況進行計算。工況1：雙Low-e中空玻璃；工況2：雙Low-e中空玻璃外貼透射型輻射制冷膜(下稱：雙Low-e中空玻璃+透射膜)；工況3：雙層中空白玻璃外貼透射型輻射制冷膜(下稱：雙層中空白玻璃+透射膜)。此外，溫度及能耗模擬計算中又分為負載和空載工況分別模擬計算。

圖2 冷飲柜實體圖(左)和Energyplus冷飲柜三維模型(右)

1.3 圍護結構參數設置

冷飲柜柜體不透明圍護結構由外殼和保溫材料構成，其中外殼為不銹鋼板，保溫材料為硬質聚氨酯泡沫，圍護結構物理參數如表1所示。表1為不透明圍護結構物理參數[5]。

表1 不透明圍護結構物理參數[4]

冷飲柜柜門的典型結構由中間填充氬氣(Ar)的雙Low-e中空玻璃或雙層中空白玻璃構成，玻璃結構如圖3所示，其中玻璃1/2分別表示雙層玻璃的外側/內側玻璃。單片Low-e中空玻璃或白玻璃的相關物理參數如表2所示，透射膜的具體光學數據如表3所示。

圖3 玻璃結構示意

表2 玻璃性能參數

表3 透射膜光學參數

負載工況下模擬計算溫度和能耗時，冷藏室內飲品罐表面積按0.034 m2/瓶計算，飲品的比熱容與密度采用水的比熱容和密度，其中水的比熱容為4 200 J/(kg·K)，水的密度為1 000 kg/m3。能耗模擬計算過程中，制冷溫度設定8 ℃，cop設定1.01[23]。

氣象參數采用深圳地區(屬夏熱冬暖地區，東經114.1°，北緯22.5°)典型年氣象數據[24]并導入模擬軟件進行仿真模擬。圖4為深圳地區典型年太陽總輻射(左)和干球溫度(右)全年變化情況。

圖4 深圳地區典型年瞬時太陽輻射(左)和干球溫度(右)

2 模擬結果及分析

2.1 溫度模擬結果

2.1.1 冷飲柜空載狀態下內部溫度

將冷飲柜玻璃門置于東(a)、南(b)、西(c)、北(d)四個朝向模擬計算冷藏室內部溫度，冷藏室空載時內部逐時溫度模擬計算結果如圖5所示。從圖5可以看出，空載狀態下，冷飲柜玻璃門朝東/西/北時，冷藏室內部溫度主要變化規律為夏季、秋季高，春季、冬季稍低；而冷飲柜玻璃門朝南時，冷藏室內部溫度主要變化規律為冬季偏高，春季、夏季、秋季相對偏低。

圖5 空載狀態下玻璃門不同朝向柜體內部逐時溫度變化

根據上述規律，將選取每個朝向最高溫的發生日進一步分析不同玻璃工況下冷藏室內部溫度的變化，如圖6所示。工況1朝南時冷藏室內最高溫度出現在冬季12月29日15:00，可達97.6 ℃；一方面是由于工況1表面太陽光反射率和紅外半球發射率均低于工況2和工況3，致使冷藏室內獲得的輻射熱量較多；另一方面是由于冬季太陽高度角較小，導致冷飲柜柜體通過玻璃門獲得熱量相比于其它3個朝向較多。此時工況2內部溫度為73.7 ℃，相比于工況1/工況3降低23.9 ℃/5.7 ℃。

圖6 不同玻璃工況下冷藏室內部逐時溫度

工況1朝東/西時冷藏室內最高溫度86 ℃/92.5 ℃出現在9月17日/8月30日，冷藏室內溫度依舊很高且僅次于朝南時內部溫度峰值；此時工況2朝東/西的內部最大溫度為67.5 ℃/73.3 ℃，相比于工況1降低18.5 ℃/19.2 ℃，相比于工況3降低5.6 ℃/4.2 ℃。

當玻璃門朝向向北時冷藏室內最大溫度出現在7月10日，此朝向下工況2比工況1/工況3低6.4 ℃/0.3 ℃。透射型輻射制冷膜應用于冷飲柜雙Low-e中空玻璃或雙層白玻璃后，冷藏室內部溫度有明顯改善。

2.1.2 負載狀態下內部溫度模擬

冷藏室內有飲品的狀態下，選取工況1和工況2進行對比，內部溫度模擬計算結果如圖7所示。圖中(a)、(b)、(c)、(d)表示東、南、西、北四個朝向。

圖7 負載狀態下玻璃門不同朝向柜體內部逐時溫度變化

模擬計算結果顯示，負載狀態下，在各朝向情況下，柜內最高溫度均低于空載狀態下相同朝向的柜內最高溫度。冷飲柜玻璃門朝向為東/西/北時，冷藏室內部溫度總體變化規律為夏季、秋季高，春季、冬季低；而同一時刻工況2內部最高溫比工況1內部最高溫低5.5 ℃/5.5 ℃/3 ℃；冷飲柜玻璃門朝向為南時，工況1冷藏室內部溫度最高可達49.2 ℃，同一時刻工況2冷藏室內部溫度最高達42.6 ℃；相比于未應用透射型輻射制冷膜的工況，負載狀態下冷飲柜玻璃門表面應用透射型輻射制冷膜后內部溫度可降低6.6 ℃。負載狀態下受負載熱容、密度影響冷藏室內部溫度最大值遠低于空載狀態下冷藏室內部溫度的最大值。

2.2 能耗模擬

冷藏室內部溫度模擬結果顯示，冷飲柜玻璃門向南時瞬時溫度最高，因此冷飲柜的能耗分析，選取玻璃門朝南的典型工況下，對空載狀態和負載狀態分別進行瞬時冷負荷的分析。

2.2.1 空載狀態下瞬時冷負荷

在空載條件下，根據計算得到的冷飲柜瞬時冷負荷的變化情況，工況1、工況2、工況3每月最大瞬時冷負荷模擬計算對比結果如圖8所示。

圖8 不同工況下每月最大瞬時冷負荷對比/W

模擬計算結果顯示，冷飲柜內部瞬時冷負荷最大值出現在12月，主要是由于冬季太陽高度角較低，玻璃門朝向為南時透過玻璃進入室內的太陽輻射較多，導致內部溫度較高。圖8結果顯示，雙Low-e中空玻璃應用透射型輻射制冷膜后最大瞬時冷負荷由313.8 W降至224.5 W，顯著降低了制冷設備裝機容量。透射型輻射制冷膜應用于雙層中空白玻璃后，冷飲柜內瞬時冷負荷最大值低于雙Low-e中空玻璃工況的瞬時冷負荷最大值。

2.2.2 負載狀態下能耗變化

在負載狀態下，即冷飲柜內放入飲品后能耗模擬計算結果如圖9所示。

圖9 不同工況下冷飲柜能耗對比

從圖9中可以看出，透射型輻射制冷產品應用于雙層Low-e中空玻璃后，每月能耗降低6.8～12.1 kWh，應用于雙層白玻璃后，其每月能耗相比于Low-e中空玻璃仍偏高0.5～9.1 kWh。分析可知，透射型輻射制冷膜應用于雙層白玻璃后能耗仍高于雙層Low-e玻璃情況，主要是由于雙層白玻璃的內層玻璃紅外半球發射率在0.84左右，對遠紅外熱輻射的反射率較低，熱阻隔效果低于雙層Low-e中空玻璃，導致其能耗高。雙層Low-e中空玻璃應用透射型輻射制冷膜后全年空調能耗降低11.6%，其中4～10月份空調能耗降低9.2%，能耗降低顯著。

2.3 應用后改善分析

冷飲柜內部采用聚氨酯(PU)泡沫作為保溫材料，聚氨酯泡沫尺寸穩定性性能指標[11]，要求在溫度80 ℃條件下48 h內形變小于等于2%。

冷飲柜雙Low-e中空玻璃門表面應用透射型輻射制冷膜后，空載狀態下不啟用空調，冷藏室內部最高溫度可低至73.7 ℃。相比于未應用透射型輻射制冷膜的Low-e中空玻璃門工況降低23.9 ℃。因此，應用透射型輻射制冷膜后內部保溫材料可大幅度降低因高溫引起的熱膨脹風險。

3 結論

本文依據實體冷飲柜建立Energyplus模型，以深圳地區氣象條件為例進行模擬分析，對比應用透射型輻射制冷膜前后的溫度和能耗差異，可得出以下結論：

(1)夏熱冬暖地區，空載狀態下，冷飲柜雙層Low-e中空玻璃門外表面應用透射型輻射制冷膜后柜內溫度最大值降低23.9 ℃，全年最大瞬時冷負荷由313.7 W降至224.5 W；負載狀態下，應用透射型輻射制冷膜后全年空調能耗由917 kWh降至810.7 kWh，節能率達11.6%，4～10月份空調能耗降低9.2%；

(2)冷飲柜玻璃門采用雙層中空白玻璃外貼透射型輻射制冷膜后其能耗仍高于采用雙層Low-e中空玻璃結構；

(3)冷飲柜雙Low-e中空玻璃門外表面應用透射型輻射制冷膜后，可有效降低柜體保溫材料的膨脹風險。