辐射制冷技术

关于辐射制冷技术一、辐射制冷技术背景

目前，我国已经拥有家用空调1亿台，商业空调120万台，空调能耗占全国耗电量的15％左右．夏季用电高峰期，空调用电量甚至达到城镇总用电量的40％．由此可见，空调方面的节能降耗，以及研究开发制冷降温的新方法、新技术，是刻不容缓的任务，探索研究降低空调能耗的方法已成为新的研究方向．辐射制冷作为一种无能耗的建筑物空调手段，得到了蓬勃的发展，表现出了明显的实际意义，并被预言给能源领域带来重大的变革，使人类在环境保护和能源利用两方面得到和谐的发展。第2页,共18页，2024年2月25日，星期天二、辐射制冷的原理第3页,共18页，2024年2月25日，星期天

结霜是由于水汽在物体表面上凝华，它意味着尽管此时气温高于0℃，但地表温度却低于0℃，这是最常见的辐射制冷现象。

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2.1“大气窗口"的概念

由科学家对大气光谱透过特性的分析可以知道，大气层对不同波长的电磁波有不同的透射率，透射率较高的波段称为“大气窗口”，例如：

0.3~2.5μm，3.2~4.8μm，8~13μm等，如图2-1所示。其中8~13μm波段是人们最感兴趣的，因为常温下的黑体辐射主要集中在这一段。第5页,共18页，2024年2月25日，星期天第6页,共18页，2024年2月25日，星期天

地表上物体的热能就是通过辐射换热，将自身热量以8~13μm电磁波的形式通过“大气窗口"排放到温度接近绝对零度的外部太空，达到自身冷却的目的。通常把这种完全以辐射方式将热量释放到宇宙空间的制冷方式称为辐射制冷．第7页,共18页，2024年2月25日，星期天2.2理想辐射体

如果有这样一种选择性辐射体，其光谱辐射特性如图所示，在8~13μm波段外反射率为1，而在8~13μm波段内辐射率为1。

理想选择性表面的辐射特性

第8页,共18页，2024年2月25日，星期天与天空之间的热交换情况就如图所示

图中曲线l，曲线2和曲线3分别代表了理想辐射体的温度T1、T2、T3辐射曲线;实线是天空对地面的辐射光谱分布曲线。阴影面积表示辐射体表面净的热散失，因此温度不断下降。即使当物体温度降至T3时，物体仍是散热大于得热。可见，具有特性的理想辐射体可以把物体表面温度降得比环境温度低很多(理想情况下可比环境温度低30℃)。

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当然，天然的选择性辐射体并不存在，但我们可以选择一些辐射材料，通过复合或组合，制成接近理想的选择性辐射体。例如，在高度抛光的铝板上镀SiO，在聚氟乙烯上镀铝，也有近似的光谱选择特性。当有阳光照射在辐射体表面时，由于黑体的吸收波段很宽广，其吸收的阳光辐射能量远大于向外辐射的能量，很难有制冷效果。理想选择性辐射体对8~13μm波段外的辐射都是全反射，而太阳辐射光谱主要集中在0.4~4μm波段。因此理论上，理想选择性辐射体也可以实现白天制冷。第10页,共18页，2024年2月25日，星期天2.3辐射制冷系统

采用理想选择性辐射体可以降低表面温度，但周围环境会通过空气对流和热传导的方式向空间中的物体传热，使得制冷效果下降。因此，必须在制冷空间周围加保温材料，特别是需在其顶部加“透明”盖板以阻止空气对流带入的热量。“透明’’盖板和保温材料可给辐射体“保冷"，但“透明"盖板必须在8~13μm波段有很高的透过率。常用的盖板材料为PE薄膜。“透明”盖板、保温层与辐射体组成一个基本的辐射制冷系统，在内部产生低温，如图所示。第11页,共18页，2024年2月25日，星期天返回第12页,共18页，2024年2月25日，星期天视盖板与辐射体的不同光谱选择性，通常有以下两种不同制冷方法：

1.全“透明"盖板与选择性辐射体组合该组合要求透明盖板对全波段的辐射均有良好的透过率，而辐射体本身具有接近理想的选择性辐射特性，即对大气窗口波段有很强的辐射能力，而对其余波段有很高的反射率。当这种组合体置于天空下时，白天来自8~13μm波段以外的辐射被反射回外空间，而夜晚辐射体自身发射的8~13μm波段的辐射可以透过盖板向空间传送。由于向外辐射的热量多于吸收的热量，故辐射体温度降低。第13页,共18页，2024年2月25日，星期天

2.选择性“透明”盖板与黑体辐射体组合该组合要求盖板本身具有选择性，即对8~13μm波段的辐射透过率很高，而对其余波段的辐射具有高反射率。这样，由于盖板将8~13μm波段以外的辐射“过滤掉”，辐射体不需具有选择性，只要有高发射率即可。辐射体在8~13μm波段发射的热辐射，透过盖板传送到外空间，从而使自身温度降低。第14页,共18页，2024年2月25日，星期天

方法(1)、(2)的应用均取决于具有光谱选择性材料的研制。由于同时具有太阳短波高反射率和红外长波高发射率的选择性辐射材料很难实现，因此可采用一种简化的方法，即只考虑材料在夜间的红外长波辐射，暂不考虑白天太阳短波的辐射，以实现夜间辐射制冷。此方法对制冷装置的要求：可以选择利用选择性辐射体或选择性透明盖板，由于寻找良好的选择性辐射体较困难，所以对选择性辐射透明的盖板的研究较多．第15页,共18页，2024年2月25日，星期天三、辐射制冷技术在建筑降温中的应用

该图是辐射制冷用于建筑物降温的示意图．将有盖板的辐射制冷装置置于房间屋顶，通过风管和房间连接．辐射散热器内的辐射体，因辐射致冷效应而降温，房间内上部的热空气被辐射体冷却后送回房间，达到降低房间温度的目的．晴朗的夜晚降温效果比较显著，而白天太阳辐射强度(700—900w／m2)相比较辐射制冷的功率(一般小于100W／m2)要大得多，所以辐射制冷在白天作用不大，但是辐射散热器能够阻断到屋顶的太阳辐射，减少房间的冷负荷．第16页,共1