被动式供冷与辐射制冷技术

1、建筑节能与空调被动式供冷与辐射制冷技术孟华,龙惟定(同济大学楼宇设备工程与管理系,上海200092摘要:介绍了被动式供冷的原理以及被动式供冷系统的分类,特别介绍了其中新兴且日益发展的辐射供冷技术的原理及应用,指出被动式供冷是节能环保可持续发展的制冷技术,应大力开发使用。关键词:被动式供冷;辐射制冷;节能中图分类号:TU111.19文献标识码:B文章编号:100527439(20030320113203Passive Cooling and R adiative CoolingMENG H u a,LONG Wei2ding(Department of facility engineering

2、and management,Tongji University,Shanghai200092,China随着经济发展和人民生活水平的提高,人们对居室环境舒适性的要求越来越高,空调技术也在这种需求下随着各种新技术的不断运用而日益得到长足发展。但是,当空调在为人们营造舒适环境的同时,也带来了能源和环境等问题:我国采暖总能耗已占到全国建筑总能耗的85%,一般民用建筑如酒店、办公楼、医院等,空调能耗也已占50%以上1;空调的普及促进了电力消费,电力的发展又伴随着废气排放、温室效应和酸雨等问题,同时,空调机的制冷剂(CFCs还会对大气臭氧层造成破坏;暖通空调不仅是耗能大户,也是温室效应、环境问题的主要

3、贡献者。因此,在空调领域内提倡节能、保护地球环境等可持续发展的做法已日益迫切。1被动式供冷在空调领域内,低能耗的供冷技术成为重要课题,从自然环境中直接得到冷量、不消耗或少消耗一次能源的被动式供冷技术(Passive cooling在国内外科技界得到广泛研究2,3。被动式供冷系统利用自然界中本来就存在的制冷循环或利用天然物质作为制冷剂,与现有空调技术相结合,既节约能源又没有污染,符合当今可持续发展的趋势,因此这种古老的方式在新技术的装备下重又焕发勃勃生机,成为当代空调发展的重要方向。1.1被动式供冷的原理所谓被动式供冷,就是科学地利用自然条件(但并不排除风机或泵的应用实现空间温湿度控制的一种供冷

4、方式。这样的自然条件包括日较差、室内外温差、室外空气干湿球温差等。被动式供冷系统可以作为一个独立系统,担负建筑的全部热湿负荷,也可以与其他类型的空调系统相结合,作为辅助系统负担部分热湿负荷。这种系统在设计中主要考虑3个方面的内容:尽量减少建筑得热、有效利用建筑物得热的调峰时滞和合理散热。1.2被动式供冷系统的种类被动式供冷系统概括起来大致有以下几类:(1减少建筑得热的技术(G ain prevention techniques。节能型的建筑是减少空调能耗的重要保证,在进行建筑规划时,适当的建筑选址和建筑形式,减少日光辐射,利用自然风,可以帮助创造适宜的微气候。比如,建筑物的选址最好在绿化好、面

5、临湖泊等湿地的地区或山谷边;在建筑周围和室内种植和布置植物,也可美化环境、净化空气和减少阳光辐射,据报道,一棵树每年提供的冷量相当于消耗1 2.4MJ电力的人工空调发挥的作用。从节能角度看,建筑物的外形以立方体最好,建311第24卷第3期2003年6月能源技术EN ER GY TECHNOLO GYVol.24No.3J une2003筑物的方位应取南北为主立面。建筑物外墙颜色与其吸收太阳热辐射的能力密切相关,因此也应充分注意。窗的构造及窗墙面积比直接关系到建筑物的保温性能,遮阳板、屋檐、挑檐、挑阳台、百叶窗等建筑附件的正确安装也有利于建筑物少受阳光照射的影响。对于建筑物的外围护结构,也应充分

6、考虑其热湿等特性。(2利用自然条件局部供冷(Site cooling。比如在过渡季节,空调系统最大限度地利用新风,既可以节约能量又有利于提高室内空气品质;采用低而宽的窗户、设置“风墙”等可以增大风速、加强通风效果;冬季可以利用冷却塔获得冷水来供建筑物内区冷却4;夏季可利用地道风、井水和河水等降温。(3地热供冷(Earth cooling。根据温度的高低进行分类,地热资源可分三类:温度高于150的属于高温地热资源,温度处于90150之间的是中温地热资源,而温度低于90的是低温地热资源;高温地热可用于发电,而低温地热用于住宅、商业和工业等方面的采暖和制冷较经济合理。地源热泵(GSHP就是以地热作为

7、热泵装置的热源或热汇来对建筑进行采暖或制冷的技术,其应用在国外已非常广泛。因为地热资源温度稳定、供热质量高,其中地热采暖所占的比例最大,地源热泵在空调制冷界日益受到广泛关注。(4大气层供冷(Sky cooling。它包括晚间辐射供冷以及其他一些利用大气层辐射进行供冷的技术,后面将详细论述。(5蒸发冷却(Vapor cooling。这是一种利用水与空气之间的热湿交换实现制冷的方式:使水与空气直接接触,水在蒸发过程中吸收热量,并在焓值不变的情况下和空气进行热湿交换,其结果是水与空气的温度都降低,空气的含湿量增加。直接利用这种含湿冷空气的方式称为直接蒸发冷却(DEC;这种利用湿冷空气冷却水媒,再用水

8、媒冷却空气的方式称为间接蒸发冷却(IEC。在干燥和比较干燥的地区,应用蒸发冷却技术完全可以满足室内舒适性要求;非干燥地区也能在一定范围内采用。(6通风冷却(Ventilation cooling。这是一种利用空气对流带走热量的技术。比如晚间通风技术利用天然的日较差现象,在夜间组织全面通风,对建筑物围护结构及室内设备进行充分冷却,利用建筑物的热容量使建筑物内部在全天维持较低气温。晚间通风技术不仅具有被动式供冷的全部优点,而且因大量换气,有效地解决了室内环境问题,对于室内得热量较小(1520W/m2的建筑,可以基本满足人们的舒适性要求。晚间通风与其他方法相结合构成复合式系统,则可以更广泛地用于商业

9、及民用建筑中;将晚间通风与蒸发冷却技术例如屋顶蒸发冷却系统相结合,在晚间采用风机驱动,先使室外风经过间接蒸发冷却器进行预冷,还可降低送风温度,增加建筑物的蓄冷量,用于民宅有时完全可替代常规制冷;晚间通风与相变蓄冷技术相结合,利用相变潜热蓄积晚间通风所得冷量可承担建筑物日间的全部或部分冷负荷。(7蓄能制冷(Flywheel cooling。许多天然物质自身具有一定的蓄冷、蓄热能力,若能合理利用,就可降低空调负荷,这方面的蓄冷技术包括建筑蓄冷、地下含水层蓄冷等。建筑蓄冷以建筑物围护结构本身作为蓄冷体,利用建筑材料或室内物品的热容量蓄存或释放冷量,或者用储存在建筑物中某些物质发生相变时的潜热变化来蓄

10、存或释放冷量。最简单实用的方法是利用水作相变材料,例如美国有人利用水作相变材料,建筑了水深约10cm的屋顶水池,据称对峰值下的热环境有显著改善3;巴基斯坦也修筑了体积4125m×4.25m×3.1m的试验房,屋顶水池水深20cm,当室外环境温度为3545时,室内可保持在2131。还有一种方法是用吸湿剂作建筑材料(最好是屋顶,利用吸湿放湿过程中吸湿剂浓度的变化达到制冷的目的。此外,也可以利用特殊相变材料(PCM进行蓄能。地下含水层也是一种很好的蓄能介质,但如果使用含水层的层次和时间高度集中,地下水的天然水量来不及弥补,则有可能造成地面沉降,因此,近年来普遍采用深井回灌技术。有

11、数据表明:上海地区的一些单位使用“冬灌夏用”回灌技术后,夏季空调用水的平均温度为1314,降温约7 9。这样不仅可提高夏季用水在空气处理时的降温效果,有时还可以起到使处理空气减湿的作用。(8太阳能供冷(Sun cooling。我国有2/3的国土每年太阳辐照总量接近或超过6000MJ/m2,丰富的太阳能资源在暖通空调领域的应用有广阔天地,将太阳能热利用产品和建筑节能设备合理组合,必将对节能和环保做出巨大贡献。(9文丘里供冷技术(Venturi cooling。文丘里供冷技术利用小孔节流后形成房间局部负压诱导室外冷空气流入房间并带走热量。图1中的穹形建筑就是利用这样的原理实现了空气的“自调节”。4

12、11 图1可实现“自调节”的穹形建筑(10复合式供冷(Hybrid cooling。指以上各种被动式供冷与常规供冷相结合所形成的各种复合式供冷技术。2辐射制冷2.1辐射制冷技术的原理宇宙空间接近绝对零度,外层大气的温度也相当低,因此对于地表的建筑物来说,天空是一个天然的巨大冷库。另一方面,由于水蒸气、二氧化碳和臭氧的存在,大气层对不同波长的电磁波有着不同的透射率,透射率较高的波长段称为“大气窗口”。大,人们感兴趣的是813m这一段,因为常温下的黑体辐射能量主要集中在此。夜间从大气窗口透射到建筑物的辐射功率有限,而建筑物通过813m的大气窗口向天空辐射的能量较多,使得建筑物在夜间自然冷却。由于二

13、者最终将达到动态平衡,因此,这种自然冷却方式的制冷量与最低制冷温度受到一定限制。采用选择性光谱辐射材料可以加强辐射制冷的效果。假设建筑物的外墙用某种理想选择性辐射体制成,其在8 13m波段外反射率为1,而在813m波段内辐射率为1,那么它就只在813m内吸收和辐射能量,而将813m波段外的辐射全部反射掉,外空间通过大气窗口透射的热辐射只有很少部分被建筑物吸收,而建筑物通过813m窗口大量向外空辐射热量,温度不断下降。研究表明,具有这种特性的理想辐射体可以把物体表面的温度降得比环境温度低得多(理想情况下可比环境温度低30多。当然,天然的选择性辐射体是不存在的,在高度抛光的铝板上镀SiO,在聚氟乙

14、烯上镀Al等,制成的复合材料可以有近似的光谱选择特性。白天,特别是夏季,当有太阳照射在建筑物表面时,其吸收的阳光辐射能量远大于向外辐射的能量,周围空气温度也很高,在建筑物的上方再加一“透明”盖板可以防止空气对流带来热量。所谓“透明”是指仅对813m波长的辐射有很高的透过率,它可以反射大量太阳热辐射,又不影响建筑物向外空辐射热量。如果进一步将“透明”盖板与光谱选择性辐射体组合,盖板在813m波长段外透射率低,同时光谱选择性辐射体在813m外也有很高的反射率。当这种组合体置于天空下时,813m波段外的外界辐射绝大部分被反射回外界,而辐射体自身发射的813m波长的辐射却可以透过盖板向外层空间传送,向

15、外辐射的热量高于物体吸收的热量,建筑物的温度可以降得很低。据报道,目前已找到了一些不错的光谱选择性辐射材料及组合,当然与理想的选择性要求还有不少差距,存在着发展和突破的空间。如果盖板的透过选择性很高,那么可以组成盖板和黑体的组合,由于盖板可以有选择地将大部分813m外辐射过滤掉,辐射体只需有高的辐射率就可以了。据报道,意大利和瑞典的科学家都有过较为成功的研究,但盖板要达到严格的光谱选择性难度较大。辐射制冷的研究时间虽然还不长,更为理想的选择性辐射材料还需继续寻找,但辐射制冷用于建筑物的被动式降温已经有了明显意义:对于没有空调的建筑物,它可以起一定的降温作用;而对于已采用空调的建筑物则能减小供冷

16、负荷。据文献报道,目前单位面积的辐射制冷功率可达4050W/m2,最大温差可达15左右3。2.2辐射制冷技术的应用(1建筑物的被动式降温。在建筑物的屋顶上覆盖由选择性辐射体和透明盖层组成的辐射制冷装置。选择性辐射体与屋顶间留有一定空间,屋顶设置一些通气孔,中间的孔内装有排风扇。因辐射制冷效应而冷却了的空气被风扇送入房间,屋内的热空气则顺其他通气孔到达屋顶,通过辐射体放热实现降温。夜间的降温效果比较显著;白天辐射制冷元件可以起隔热作用。这种形式可用于仓库、运动场馆及一些低层民用建筑,起降温节能作用。(2蓄冷降温。通常晚间辐射制冷效果较好,这时可将晚间制得的冷量以某种介质蓄存起来用于白天。这种形式

17、可用于办公室、学校等,也可用于一些白天既需要阳光、同时又需要降温的农作物温室。(3辐射制冷与太阳能集热器结合的系统。如图2所示的系统中,反射板具有类似理想光谱选择的特性。太阳光的辐射光谱主要集中在小于4m 的范围内,白天反射聚光镜可将大部分太阳辐射反射聚焦到吸热管上,加热管内冷水生产热水或蒸汽供利用。夜间,由于反射板对813m波长的辐射(下转第118页511图5电热地暖系统暖线布置平面示意图率为1225W,长74m的D TIP218电热暖线。(2电热暖线的安装间距。d=S2L=8.1974=0.11m式中d电热暖线的安装间距,mS2可布置电热暖线的安装面积(诸如座厕等设备下面不能布置暖线,m2

18、L所选电热暖线的长度,m5总结电热地暖系统在欧美等发达国家已有数十年的发展和应用历史,但引进到我国的时间不长,它的使用性、可靠性以及经济性可能还要在进一步研究和实践中证实。尽管如此 ,电热地暖系统自身一些独特的优点以及从用户和社会角度考虑所带来的一些好处,以及欧美国家数十年成功的使用经验,可以看到其良好的发展前景。参考文献:1晓月.超前享受的供暖方式电热地面供暖J.电气时空,2001,(11:22.2王振铭.电采暖应进行全面的科学论证J.能源政策研究,2001,(4:27-34.3张锡虎.关于电热采暖的思考J.建筑知识,2002,(5:35-37.(上接第115页图2辐射制冷与太阳能集热器结合的系统有很强的发射率,因此有很好的辐射制冷效应,贴在反射板上冷水管内的水被冷却,蓄积的冷量用于降温。(4降温型涂料。利用辐射制冷原理制成降温型涂料,用于建筑物外墙,可降低室内温度,减少空调能耗。同样,可制成舰船船壳、甲板的涂料,以及坦克、装甲车、汽车、火车等的外壳油漆,在烈日下可降温以减轻其烘烤感觉。(5冷藏箱。由于辐射制冷装