芮智剛 左 然

(江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212013)

在秋冬季節(jié)的清晨，草葉上、土塊上常常會覆蓋一層白色的結(jié)晶，這就是俗稱的“結(jié)霜”。結(jié)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(huán)境更低的溫度。

輻射致冷的目標(biāo)是：尋找一種材料作為輻射體，其在8～13μm波段的發(fā)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(fā)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(xiàn)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(guān)裝置開展研究[3-7]。國內(nèi)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(tài)試驗，即測量無介質(zhì)流動時輻射體的溫度[10-11]。但是，要將輻射致冷技術(shù)應(yīng)用于建筑物的連續(xù)降溫，就必須利用一種流動介質(zhì)來交換熱量。為此，研制了利用空氣為冷媒介質(zhì)的輻射致冷試驗裝置，進行了相關(guān)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(jù)。

首先介紹了輻射致冷的實現(xiàn)方法，然后采用紅外發(fā)射率測定儀測定了幾種典型材料的紅外發(fā)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(yīng)用在自行設(shè)計的致冷裝置中，進行夜間靜態(tài)與連續(xù)抽氣實驗，探討了輻射致冷用于建筑物夜間連續(xù)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(tǒng)及實現(xiàn)方法

圖2 輻射致冷系統(tǒng)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(huán)境會通過空氣對流和熱傳導(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，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(tǒng)，在內(nèi)部產(chǎn)生低溫，如圖2所示。

根據(jù)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(dāng)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(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。

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(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。

以上兩種方法的應(yīng)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(fā)射率的選擇性輻射材料很難實現(xiàn)，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(xiàn)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(fā)射率。

1.2 輻射體材料的選擇

一般文獻中查到的材料發(fā)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(fā)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(fā)射率測定儀測定實驗所選用的材料發(fā)射率，經(jīng)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(jù)。

1.2.1 材料發(fā)射率的測定

利用EMS302M紅外發(fā)射率測定儀，在同樣條件下(環(huán)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(fā)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(fā)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(fā)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(guān)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(shè)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(nèi)，無LDPE薄膜覆蓋，測量值即為材料的紅外發(fā)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(fā)射率E1。二者之間的關(guān)系推導(dǎo)如下：

材料的發(fā)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(fā)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(dǎo)，可計算出LDPE薄膜對幾種高發(fā)射率材料的透射率，見表1。

表1 幾種主要材料的紅外發(fā)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(shè)備

實驗在2009年5月晴朗或微云的夜間進行，位置為鎮(zhèn)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(xù)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(jīng)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(huán)境溫度取每個時間段內(nèi)(1小時)的平均值。用AVM-03風(fēng)速儀測定風(fēng)速。

2.2 靜態(tài)對比實驗

圖6 靜態(tài)對比實驗Fig.6 Temperatures in static experiment

靜態(tài)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(fā)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(jié)果見圖6。從圖中可看出，PET薄膜和PTFE薄膜與環(huán)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(fā)射率測定值來看，碳黑和NaCl粉末的發(fā)射率比PET和PTFE薄膜的發(fā)射率高，應(yīng)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(zhì)成分等有關(guān)。

2.3 連續(xù)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(fēng)扇向裝置內(nèi)部鼓氣，出口風(fēng)速為1.6m/s。從圖8可看出，連續(xù)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(huán)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(xù)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(cè)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(tǒng)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(dǎo)熱。在穩(wěn)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(dǎo)熱量。設(shè)上部制冷空間空氣頂部的溫度和蓋板溫度相同(等于環(huán)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(dǎo)熱系數(shù)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(cè)壁冷量損失Qb，取裝置外表溫度近似為環(huán)境溫度，而將內(nèi)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(nèi)壁溫度實際上高于輻射體的溫度，與外界環(huán)境的溫差較小，將內(nèi)壁溫度近似取為輻射體溫度后，內(nèi)壁與外界環(huán)境的溫差變大，冷量損失相應(yīng)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(cè)壁與裝置底部的冷量損失，取內(nèi)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(jù)傅立葉導(dǎo)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(nèi)外側(cè)空氣的對流換熱系數(shù)，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(dǎo)熱系數(shù)；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(jié)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(jié)能型建筑夏季夜間的連續(xù)降溫。同時，隨著對裝置內(nèi)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(shè)計的用于建筑物連續(xù)降溫的輻射致冷系統(tǒng)，房間內(nèi)的熱空氣因為密度小而上浮，在風(fēng)機的驅(qū)動下被送入裝置下部空間，空氣經(jīng)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(yīng)用Fig.10 Radiative cooling system applied to buildings

3 結(jié)論

介紹了輻射致冷的原理和實現(xiàn)方法，利用紅外發(fā)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(fā)射率，以及LDPE薄膜對上述紅外發(fā)射體的透射率，并利用上述材料，在同一條件下做了靜態(tài)與連續(xù)抽氣輻射致冷實驗。得出以下結(jié)論：

1)PET薄膜、PTFE薄膜、NaCl晶體、TiO2和碳黑的發(fā)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(tǒng)；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(tǒng)的蓋板材料。

2)在晴朗的夜間，靜態(tài)實驗獲得與環(huán)境的最大溫差為11℃。連續(xù)抽氣時，以PET和PTFE薄膜作為輻射體材料時獲得與外界環(huán)境的穩(wěn)態(tài)最大溫差分別為4.7℃和5.4℃。實驗條件為有風(fēng)，微云、有煙塵的夜間，對實驗結(jié)果的影響較大。同時，該裝置不能實現(xiàn)空氣除濕，故對于濕度高的地區(qū)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(jié)果表明，輻射致冷技術(shù)目前可以滿足至少一半的建筑物夏季夜間制冷要求。

[1]李戩洪, 黃軼, 江晴.一種被動式降溫的新方法——輻射致冷[J]. 制冷, 1997, 59(2):21-26.(Li Jianhong, Huang Yi, Jiang Qing. Radiative cooling, a new method of passive cooling[J]. Refrigeration, 1997, 59(2):21-26. )

[2]Catalanotli S, Cuomo V, Piro G, et al. The radiative cooling of selective surfaces[J]. Solar Energy, 1975,83-89.

[3]Nilsson M J, Niklasson G A, Granqvist C G. Solar re fl ecting material for radiative cooling applications: ZnS pigmented polyethylene[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, (1992):175-193.

[4]Tazawa M, Jin P, tai Y, et al. Computational design of SiO based selectively radiative film[C]// Proceedings of ISES, Congress in Budapest, 1994: 149-159.

[5]Chebihi A, Byun K H, Wen J, et al. Radiant cooling of an enclosure[J]. Energy Conversion and Management, 2006,47: 229-252.

[6]Benlattar M, Oualim E M, Mouhib T, et al. Thin cadmium sulphide fi lm for radiative cooling application[J]. Optics Communications, 2006, 267: 65-68.

[7]葛新石, 孫孝蘭.輻射致冷及輻射體的光譜選擇性對致冷效果的影響[J].太陽能學(xué)報, 1982, 3(2): 128-136.(Ge Xinshi, Sun Xiaolan. Radiation cooling and the effect of special selective characteristic of the radiator on cooling power[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 1982,3(2): 128-136.)

[8]劉曉國, 陳非力.紅外輻射致冷原理及空調(diào)應(yīng)用可行性探討[J].紅外技術(shù), 1995, 17(3): 41-45.(Liu Xiaoguo,Chen Feili. Mechanism of IR radiation cooling and its possible application[J]. Infrared Technology, 1995,17(3):41-45.)

[9]梁宗存, 沈輝, 李戩洪. 輻射致冷用氮化硅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)[J].太陽能學(xué)報, 2001, 22(3):302-305.(Liang Zongcun, Shen Hui, Li Jianhong. Microstructure and optical properties of silicon nitride thin films as radiative cooling materials[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2001, 22(3): 302-305.)

[10]李戩洪, 江晴.輻射致冷的實驗研究[J]. 太陽能學(xué)報,2000, 21(3): 243-247.(Li Jianhong, Jiang Qing. The experiments on radiative cooling[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,2000, 21(3): 243-247.)

[11]馬一平, 楊利香, 王金前.一種搜尋輻射致冷材料的紅外光譜分析方法[J].材料導(dǎo)報, 2007, 21(4):160-162.(MaYiping, Yang Lixiang, Wang Jinqian. An IR spectrum analysis approach to searching radiative cooling materials[J]. Material Review, 2007, 21(4): 160 - 162.)

[12]王士忠, 李樹塵.無機物粉末對農(nóng)用樹脂薄膜紅外線吸收特性的影響[J].青島科技大學(xué)學(xué)報, 2003, 24(2),138-141.(Wang Shizhong, Li Shuchen. The effect of inorganic powder on the IR absorption characteristic of resin fi lms[J]. 2003, 24(2), 138-141.)

[13]楊世銘, 陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京: 高等教育出版社,1998, 250-255.(Yang Shiming, Tao Wenquan. Heat Transfer[M]. Beijing: Higher Education Press, 1998,250-255.)