（工程热物理专业论文）辐射制冷系统的理论与实验研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学荔作笔名 鞣兰a 卅年i 月巾日 指导教师签名 巩z 年 辐射制冷系统的理论与实验研究 t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho f r a d i a t i v ec o o l i n g s y s t e m 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着经济的发展和人们生活水平的逐渐提高，空调的使用越来越普及，建筑 物能耗也逐年增大。传统空调不仅能耗大，而且制冷工质氟氯烃对臭氧层的破坏 很大。辐射制冷是一种无需动力部件，低能耗，少污染的新型被动式制冷方式， 在减少建筑能耗方面具有潜在的应用价值。 本文针对辐射制冷原理、方法和制冷装置进行了以下几个方面的研究： 1 从辐射制冷的原理以及实现制冷的方法出发，通过对红外辐射理论进行分 析，从微观上认识辐射材料的红外辐射机理。通过了解辐射材料的分子结构，寻 找8 。1 3 1 a m 波段内发射率高的材料，并且进行实验。考虑实验中的易操作性、材 料的经济性、无刺激性气味等因素选择p e t 薄膜作为实验中的辐射体材料。 2 以空气为媒介，低密度聚乙烯( u ) p e ) 薄膜为盖板材料在晴朗夜晚进行 静态和连续鼓气实验。静态实验表明：装置水平放置，聚酯( p e t ) 薄膜和内部 空气与环境的温差分别为1 0 和7 2 ；装置倾斜放置，倾角为4 5 0 的实验效果 最佳。连续鼓气实验表明：在风速为0 6 , - , 0 8 m s 时，出口空气与环境的温差最大。 装置水平放置，p e t 薄膜与环境的温差最大为6 3 ，出口空气与环境的温差达 到5 6 ；装置倾斜放置，p e t 薄膜与环境的温差达到7 3 。通过计算可知，在 晴朗或者微云的夜晚，连续鼓气实验装置获得的最大制冷功率为7 3 6 w m 2 。 3 利用e m s 3 0 2 m 红外发射率测定仪测定了以p e t 薄膜为盖板材料时p e t 薄膜的透射率，讨论了p e t 薄膜作为盖板材料的可行性，并且进行了实验。结 果表明：理论上以p e t 薄膜作为盖板材料具有一定的可行性，但是，它的保温 性能较差，l d p e 薄膜更适合作盖板材料。 4 以水为冷媒，利用p e t 薄膜作为辐射体进行实验。敞口且无p e t 薄膜的 装置实验效果最佳，但是由于水蒸发，水量减少，所以该装置不利于水的循环利 用。以l d p e 薄膜为“透明”盖板材料，且水面覆盖有p e t 薄膜的装置中，实 验效果相对较好，水与环境的最大温差达到1 2 以上，制冷功率大约为4 0 8 w m 2 ，由此可见，以水为制冷媒介具有一定的可行性。 关键词：辐射制冷，红外辐射，p e t 薄膜，静态实验，连续鼓气实验，发汗制冷 辐射制冷系统的理论与实验研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r di si n c r e a s i n gg r a d u a l l y s o ， t h eb u i l d i n g se n e r g yc o n s u m p t i o nb yu s i n ga i rc o n d i t i o n i n gi n c r e a s ey e a rb yy e a l n o t o n l yt h e r ei sl a r g ee n e r g yc o n s u m p t i o n i nt r a d i t i o n a la i r - c o n d i t i o n i n g ，b u ta l s ot h e h c f c r e f r i g e r a n th a sag r e a td a m a g et ot h eo z o n el a y e r r a d i a t i v ec o o l i n gi san e w c o o l i n g m e t h o dw h i c hh a sc h a r a c t e r i s t i c so fn o m o v i n gp a r t 、l o we n e r g y c o n s u m p t i o n 、n op o l l u t i o na n dh a sag r e a tp o t e n t i a lf o rb u i l d i n gc o o l i n gi ns u m m e r t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e so np r i n c i p l e s ，m e t h o d sa n dc o o l i n ge q u i p m e n to f r a d i a t i v ec o o l i n g i ti sd i v i d e di i l t ot h ef o l l o w i n gf o u rp a r t s ： 1 f i r s t ，f r o mt h ep r i n c i p l eo fr a d i a t i v ec o o l i n ga n dt h em e t h o do fr e f r i g e r a t i o n ， t h et h e o r yo ft h e r m a li n f r a r e d r a d i a t i o ni ss t u d i e d ，a n dt h ei n f r a r e d r a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fr a d i a t i v em a t e r i a l sa r ea n a l y z e df r o mt h em i c r o s c o p i cp o i n to fv i e w i no r d e rt of i n dt h eh i g h r a d i a t i o ne m i s s i v i t ym a t e r i a l sa tt h e ”a t m o s p h e r i cw i n d o w ” b e t w e e n8 1 m aa n d1 3 1 x mf o re x p e r i m e n t sb yu n d e r s t a n d i n gt h em o l e c u l a rs t r u c t u r eo f r a d i a t i v em a t e r i a l s f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h ee a s eo fo p e r a t i o nd u r i n gt h ee x p e r i m e n t ， t h ee c o n o m i c so fr a d i a t i v em a t e r i a l s ，n o n - t o x i c , o d o r l e s sa n do t h e rf a c t o r s ，w e s e l e c t e dp e tf i l ma st h er a d i a t i o nm a t e r i a lo f e x p e r i m e n t s 2 t h er a d i a t i o nc o o l i n go fs t a t i ca n dc o n t i n u o u sa i rf l o w i n gi se x p e r i m e n t a l l y s t u d i e dw i t ha i ra st h ec o o l i n gm e d i u m ，p o l y e s t e r ( p e a ) a sr a d i a t i v em a t e r i a la n d l o w d e n s i t yp o l y e t h y l e n e ( l d p e ) f i l ma st r a n s p a r e n tc o v e lt h es t a t i ce x p e r i m e n t a l r e s u l t sw i t hh o r i z o n t a ld e v i c ei n d i c a t et h a tt h em a x i m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e b e t w e e np e ta n dt h ee n v i r o n m e n ti s1 0 * c ，a n dt h a tb e t w e e ni n t e r n a la i ra n dt h e e n v i r o n m e n ti s7 2 ；i nt h es a m ec l i m a t i cc o n d i t i o nf o rt h ed e v i c et i l t e d ，t h er e s u l t s f o r4 5 0t i l ta n g l ea r et h eb e s t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eb e t t e rt h a nt h eh o r i z o n t a l e x p e r i m e n t a ls e t u p a n dt h em a x i m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n t e r n a la i r a n dt h ee n v i r o n m e n ti s7 6 h lt h ea i rf l o w i n ge x p e r i m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s w i t hh o r i z o n t a ld e v i c ei n d i c a t et h a tt h em a x i m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei so b t a i n e d a t 埘n ds p e e do f0 6 加8 m s ，t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e np e tf i l m a n dt h ee n v i r o n m e n ti s6 3 ，t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eo u t l e ta n dt h e e n v i r o n m e n ti s5 6 ；t h er e s u l t sf o r4 5 。t i l ta n g l es h o wt h a tt h em a x i m u m 辐射制冷系统的理论与实验研究 t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fp e t f i l ma n dt h ee n v i r o n m e n tr e a c h e s7 3 a n dt h es t a b l e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei so b t a i n e dt h r o u g h o u tt h en i g h t b yc a l c u l a t i o n ，t h ee f f e c t i v e c o o l i n gp o w e ro ft h ed e v i c ei s7 3 6w m zi nt h ec l e a rn i g h t 3 t h et r a n s m i s s i o no fp e tf i l mw a sm e a s u r e db yu s i n ge m s 3 0 2 mf a ri n f r a r e d e m i s s i v i t ya n a l y s i ss y s t e mw i t hp e tf i l ma st h e ”c o v e r ”m a t e r i a lt o d i s c u s st h e f e a s i b i l i t yo fp e tf i l ma st h e ”c o v e r ”m a t e r i a l s s ow ec o n d u c t e de x p e r i m e n t st o v e r i f y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e t f i l ma st h e ”c o v e r ”m a t e r i a li s f e a s i b l ei nt h e o r y , b u tt h ei n s u l a t i o np e r f o r m a n c eo fp e tf i l mi sp o o ra c t u a l l y l d p e f i l mi sm o r es u i t a b l ea st h e ”c o v e r ”m a t e r i a l 4 w i t hw a t e ra st h ec o o l i n gm e d i u m ，w eh a dt h er a d i a t i v ec o o l i n ge x p e r i m e n t s u s i n gp e t f i l mm a t e r i a l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fe x p o s u r ed e v i c ea r et h eb e s t ，b u t t h er e d u c e dw a t e ro w i n gt oe v a p o r a t i o ni sn o tc o n d u c i v et ow a t e rr e c y c l i n g t h e e x p e r i m e n t a ld e v i c e 丽t hl d p ef i l ma st h e ”c o v e r ”m a t e r i a lw h o s ew a t e rs u r f a c e c o v e r e d 丽mp e tf i l mh a dt h eb e t t e rr e s u l t s ，a n dt h em a x i m u mt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ew a t e ra n de n v i r o n m e n ti sa b o v e1 2 t h ee f f e c t i v ec o o l i n g p o w e ro ft h ed e v i c ei s4 0 8w m zi nt h ec l e a rn i g h t t h i ss h o w st h a tw a t e ra st h e c o o l i n gm e d i u mi sf e a s i b l e k e yw o r d s ：r a d i a t i v ec o o l i n g ，i n f r a r e dr a d i a t i o n ，聊f i l m ，s t a t i ce x p e r i m e n t ， c o n t i n u o u sa i rf l o w i n ge x p e r i m e n t ，t r a n s p o r t a t i o nc o o l i n g i v 江苏大学硕士学位论文 第1 章辐射制冷技术概述 目录 1 1 1 辐射制冷的研究背景。1 1 2 辐射制冷的基本原理2 1 2 1 “大气窗口的概念。2 1 2 2 辐射制冷系统2 1 2 3 理想辐射体3 1 3 国内外研究现状5 1 3 1 国外研究现状5 1 3 2 国内研究现状6 1 4 本论文研究的主要内容8 第2 章红外辐射机理的研究 1 0 2 1 红外辐射理论的发展1 0 2 2 电磁波及其产生机理1 2 2 2 1 物体与电磁波1 2 2 2 2 电磁波的传播特性。1 3 2 2 3 电磁波的产生机理1 6 2 2 4 热辐射的辐射机理1 8 2 3 电磁波与物质的相互作用2 1 2 3 1 电磁波与介质相互作用过程2 1 2 3 2 热辐射与物质相互作用条件2 3 2 4 本章小结2 4 第3 章红外辐射材料 3 1 红外光谱与分子结构2 5 3 1 1 分子的振动形式。2 5 3 1 2 红外光谱的特征性和基团频率2 6 3 2 高红外辐射材料的选择2 8 3 2 1 有机高发射率材料2 8 3 2 2 无机高发射率材料2 9 v 辐射制冷系统的理论与实验研究 3 2 3 用于实验的材料选择3 l 3 3 本章小结3 2 第4 章夜间辐射制冷静态实验3 3 4 1 辐射制冷的可行性分析3 3 4 2 实验设备与条件j 3 4 4 3 以空气为媒介的实验3 5 4 3 1 水平静态实验3 5 4 3 2 倾斜角度的实验3 7 4 3 3 以p e t 薄膜作为盖板的实验4 0 4 4 以水为媒介的静态实验4 6 4 4 1 春季进行的实验。4 6 4 4 2 夏季进行的实验。5 0 4 4 3 制冷功率的估算5 1 4 5 本章小结5 2 第5 章夜间辐射制冷动态实验 5 1 实验设备与条件5 3 5 2 动态鼓气实验5 4 5 2 1 大孔径的对比实验5 4 5 2 2 不同风速的对比实验5 6 5 2 3 改进流道后的实验。6 0 5 2 4 倾斜角度的对比实验一6 1 5 3 辐射制冷功率的计算6 2 5 4 本章小结6 3 第6 章全文总结与展望 6 1 全文研究工作总结6 5 6 2 存在的问题及未来工作的展望6 6 参考文献 致谢 硕士期间发表的论文 v i 6 7 7 0 7 1 江苏大学硕士学位论文 第1 章辐射制冷技术概述 1 1 辐射制冷的研究背景 随着经济的发展，人们的生活水平逐渐提高，空调的需求量越来越大。据统 计，我国建筑能耗在社会总能耗中的比例约为2 0 ，而空调能耗又占建筑能耗的 8 5 左右，这给能源和环境造成了很大的压力。在太阳辐射最强的时候，空调负 荷最大。夏季用电高峰期，空调用电量甚至达到城镇总用电量的4 0 【1 , 2 1 。电力的 发展伴随着废气排放、温室效应和酸雨等环境问题，而空调制冷剂( c f c 8 ) 还 会对大气臭氧层造成破坏。因此，不管在国外还是国内，研究一种在夏季自然制 冷的方法十分必要。研究空调方面的节能降耗，以及研究开发制冷降温的新方法 和新技术，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1 3 ，4 】。 根据热力学原理，天然的大容量冷源可以作为能源加以利用。例如，地球两 极的冰山，深海底下的海水，都是这样的冷源。但是这些冷源利用起来会受到客 观条件的限制，或成本太高。地球大气层外宇宙空间的温度接近绝对零度，高层 大气的温度比地面温度也要低很多，对流层的温度几乎随高度直线下降，到对流 层顶时约为2 2 0 k 1 5 1 。我们知道，自然界中凡是有温差的地方，就有热量自发地从 高温物体传向低温物体，或从物体的高温部分传向低温部分。能量的这种交换是 以物体的辐射方式来完成的，最终结果是使两物体的温度趋于相等。利用外宇宙 空间或高层大气作为冷源，使地面上的物体以辐射换热的方式，在不消耗或消耗 少量能源的情况下，把不需要的热量以电磁波的形式辐射到外太空，就可以达到 制冷的目的。通常把这种完全以辐射形式将热量释放到宇宙空间的制冷方式称为 辐射制冷。 虽然辐射制冷的研究时间还不长，但是较为理想的选择性辐射材料还需继续 寻找，而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，它可以起到一定的降温作用，而对于己采用空调的建筑物则能减小供冷 负荷。据文献报道，目前单位面积的辐射制冷功率可达4 0 - 5 0 w m 2 ，最大温差可 达1 5 左右嘲。 辐射制冷系统的理论与实验研究 1 2 辐射制冷的基本原理 1 2 1 “大气窗口”的概念 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，大气层中含有氮气、氧气、其他 微量气体以及悬浮的尘埃等气溶胶。正是由于水蒸气、二氧化碳和臭氧能对红外 辐射产生大量的吸收，所以大气层对不同波长的电磁波有着不同的透射率，在透 过率较高的区间，该波段的电磁波可以较为自由地穿透大气层，气象学上把这些 透射率较高的区间称为“大气窗口”。大气层有多个大气窗口，但是8 1 3 1 m a 这 一波段是人们最感兴趣的，因为常温下的黑体辐射能量主要集中在此。 1 0 0 8 0 蠢6 0 嫠4 0 2 0 o 0l234567891 01 11 21 3 1 4 1 5 l t m a e i ：t t h t p t t c t t l t t s n t 嘞收分，t m r n t 舭t u ：。 t 图1 1 大气光谱透射曲线 f i g 1 1s p e c t r a lt r a n s m i s s i o no ft h ea l m o s p h e r e 图1 1 显示的是红外辐射在海平面传输通过2 0 k m 水平路程后测得的大气光 谱透射曲线川，从图中我们可以看出大气层对不同波长的辐射有不同的透过率， 这是由于大气中的水蒸气、二氧化碳和臭氧分子等对不同波段的光有不同的吸收 率所造成的。大气层的光谱透过特性主要由大气层中的水蒸气、二氧化碳和臭氧 决定，它们含量的变化会引起透过率的变化，但透射光谱的分布却是变化不大的。 1 2 2 辐射制冷系统 从热力学观点来看，外层空间可以近似地看成一个绝对温度为零的黑体，若 在大气层外设一个温度t = 3 0 0 k 的黑体( 遮住直射的太阳光) ，则它将逐渐冷却 下来。通过计算得到在8 1 3 5 p m 范围内辐射功率为1 1 3 w m 2 。因此，可以将这 些能量用在建筑领域，降低空调的负荷。 2 江苏大学硕士学位论文 图1 2 辐射制冷系统 f i g 1 2r a d i a t i v ec o o l i n gs y s t e m 辐射制冷系统主要由三部分组成：辐射体，透明盖板和保温材料，如图1 2 所示。通常辐射体与透明盖板有两种组合方式： ( 1 ) 选择性透明盖板与全辐射体的组合。该组合要求盖板本身具有选择性， 即对8 。1 3 1 m 波段的红外辐射透过率很高，而对其余波段的辐射具有高反射率。 这样，由于盖板将8 1 3 1 m 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 。1 3 m 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。 ( 2 ) 全透明盖板与选择性辐射体的组合。该组合要求透明盖板对全波段的 辐射均有良好的透过率，而辐射体本身具有理想的选择性辐射特性，即对红外长 波有很强的辐射能力，而对太阳短波有很高的反射率。当这种组合体置于天空下 时，白天来自太阳的短波辐射被反射回外太空，而夜晚辐射体本身发射的8 1 3 t m 的红外长波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。 1 2 3 理想辐射体 辐射体的制冷效果不仅与大气的辐射光谱有密切的关系，而且还受到辐射体 表面辐射特性的影响，并且辐射特性的影响起决定作用。制冷效果最好的辐射体 为我们假想的理想辐射体( 天然的选择性辐射体是不存在的) ，这种辐射体在 8 1 3 p m 波段内的发射率为1 ，而在8 1 3 p m 波段外的反射率也为1 ，所以它只能 在8 1 3 1 a m 波段内吸收和发射能量，而将此波段之外的辐射全部反射掉。辐射特 征曲线如图1 3 所示，它与天空之间的辐射热交换曲线如图1 4 所示，图中的阴 影部分表示辐射体表面的净热损失。对于三种不同温度t l 、t 2 、t 3 ( t 1 t 2 t 3 ) 的理想辐射体，当温度下降到t 3 时，物体仍然是散热大于得热，也就是说物体 3 辐射制冷系统的理论与实验研究 的温度还是在下降的，具有致冷的效果。由此可见，具有理想选择性表面特性的 辐射体可以把物体表面的温度降得比环境温度低3 0 之多。 在白天，太阳光照射到辐射体表面的时候，由于辐射体的吸收率接近于1 ， 吸收波段宽广，辐射体表面吸收的太阳辐射能量远远大于其向外辐射红外所带走 的能量，所以辐射制冷在白天的应用较为困难。但是如果辐射体为理想的辐射体， 其在8 。1 3 9 m 波段为全发射，其余波段为全反射，而能够到达地面的太阳光短波 辐射光谱主要集中在0 3 3 j m a ，属于8 。1 3 9 m 波段之外，从理论上讲，理想选择 性辐射体可以实现白天的辐射制冷。 l 褂 嘏 辨 湖 术 o48地1 3 51 6 江苏大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 从上世纪6 0 年代开始，国外就已经着手研究辐射致冷。虽然对辐射致冷方面 的研究时间不是很长，但是因为该研究具有重要意义，所以世界各地的科学家都 对其产生了浓厚的兴趣，并且展开了研究。意大利、加拿大、澳大利亚等国的科 学家已经在建筑物上进行了试验，并取得较好的效果。日本、瑞典等国的科学家 在辐射材料上也取得了突破性的进展。 在辐射致冷材料方面，s c a t a l a n o t l i 等人【8 】提出了辐射致冷的方法，并给出 了理论结果和实验数据。他们也研究了在t e d l a r 膜上蒸镀金属，取得了与大气窗 口相吻合的辐射致冷材料。m j n i l s s o n 等人【9 l 在聚乙烯薄膜上涂z n s ，它能反射 8 0 以上的太阳光，计算模拟结果显示：最大降温效果是致冷空间温度比环境温 度低1 2 。c ，性能最好的样品晚间最大致冷功率是5 2 w m 2 。k d d o b s o n 等人【1 0 1 采用c s d 技术在z n s 和z n o 聚乙烯涂料膜上沉降p b s 。m a s a t ot a z a w a 等人【1 1 , 1 2 在理论上设计新的辐射致冷材料s i o 多层膜，它的致冷效果受膜厚的影响较小， 而且比单层s i o 膜效果要好。 在实验研究方面，a h a m z a 和h a i i 等人1 1 3 l 用水流过辐射致冷器测量有效致 冷功率。分析结果表明，敞口的水箱中水深由0 2 增加到0 6 m ，总的制冷量由 1 0 5 3 m j m 2 增加到1 9 7 m m 2 ，同时水温的变化范围为1 4 3 2 7 1 。e r e l l 和 e t z i o n l l 4 】等研制了结合太阳能平板集热器的屋顶水池致冷系统，分析了辐射致冷 的潜能。 在应用研究方面，d a n n ys p a r k e r t l 5 】等人研究了一种创新型的住宅制冷系统， 它利用导电率很高的金属做成屋顶并围成一个密封的阁楼，与辐射体结合后在夜 晚向天空中辐射热量，房屋能有效地储存冷量。m a r cm u s e l l i 1 6 1 研究了一种利用 低成本辐射涂料使得空调节能的被动式制冷方式，模拟结果表明：当没有覆盖材 料的表面温度为6 0 时，低成本白色反射屋顶能够减少2 6 - 4 9 带j j 冷能量的消耗。 j k h e d a r i t l 7 】等人研究了热带气候下夜晚的辐射制冷，对于不同类型的c p a c m o n i e r 结构的房屋( 如图1 5 ) ，在有云和晴朗的夜晚，不同表面的温度比环境温 度低1 6 。c 。c h e b i h i 等1 1 8 】建立了辐射致冷三维封闭空间模型，研究了环境温度、 5 辐射制冷系统的理论与实验研究 大气温度、太阳光强度、墙壁的辐射性能和选择性辐射体的辐射性能对辐射致冷 功率的影响，并得出理想选择性辐射体的致冷功率为6 0 1 3 0 w m 2 。加拿大卡尔 加里大学物理系【1 9 l 在夏季把以啊0 2 为基的特种油漆涂到建筑物外表面后，测得其 壁面温度比环境温度低1 5 。 太阳辐射的热量 1 3 2 国内研究现状 图1 5c p a cm o n i e r 结构的房屋嗍 f 逸1 5b u i l d i n go fc p a cm o n i e r 近二十年来，辐射致冷研究在国外取得了不少进展。在国内，辐射致冷方面 的研究也已经有了一定的报道，但仅仅是局部应用。例如，北京海淀区华海高新 技术公司开发的防辐射布，最先用于冶金炼钢系统工作人员的工作服，以反射炉 内的高温物体发射的红外辐射；中国建筑第一工程局建筑科研所研制出热反射窗 帘布，作为一种节能材料已广泛用于北京的一些重要建筑。其实，上述两种防热 辐射材料，均可用到制伞和夏季戴的帽子上。同时，中国科技大学长期以来进行 过大量的理论和实验研究，特别是理论计算模型方面有独特的创新性。中国科学 院广州能源研究所等单位在试验和应用方面也做了不少工作。 辐射致冷的方法有很多。目前，对于用透明盖板和选择性辐射体组合的辐射 致冷方法【2 1 】研究得比较多，也已经找到了很多不错的选择性辐射材料及组合。李 戬洪等人【2 2 】提出的聚酯薄膜衬镜面不锈钢；梁宗存等人【冽采用频射等离子化学 沉降法制备的s i n o 3 5 薄膜。但上述材料制备工艺复杂，价格昂贵，不宜大量生 产，且辐射冷却极限功率低于1 0 0 w 加2 ，用来改善人们居住和劳动条件还很不现 6 江苏大学硕士学位论文 实，因而寻找更加优良的辐射制冷材料还是其领域的重要任务。对于用具有选择 透过特性的盖板与黑体辐射体组合的方法，瑞典和意大利有过成功的报道，但要 求盖板的选择透过性很高，难度相当大。在传热理论方面，葛新石等1 2 4 1 分析了辐 射致冷系统中辐射体与天空之间辐射换热的计算方法，计算了理想辐射体、铝化 的聚氟乙烯表面和以t i 0 2 为基的白漆三种辐射致冷系统的辐射致冷效果。在没 有考虑对流与热传导影响的情况下，计算结果显示，以t i 0 2 为基的白漆表面达 到的平衡温度也比环境温度低1 2 1 3 。c ，最大致冷功率在6 0 w m 2 左右。 中国科学院广州能源研究所【2 5 l 在辐射制冷研究中，通过对光谱选择性辐射致 冷材料进行筛选，以及对致冷辐射体制备工艺进行反复试验，得出了既简单、效 果也好、又容易实现的辐射致冷新方法，并已实际应用于解决电视中转微波站仪 器室的降温问题。在辐射致冷试验台上，他们测得致冷空间某点与环境温度最大 温差为9 6 ，平均最大温差为9 2 。c ，在不同季节的晴天，所作的结果一般都在 7 5 8 之间，与天气的相对湿度有一定关系。他们还进行了辐射致冷技术实际 应用的尝试，1 9 9 8 年为某公司建造了1 2 套辐射致冷被动降温装置，其中致冷器 面积2 m 2 ，仪器房面积约7 m 2 。装置的实测效果为：夏日中午环境温度为3 5 时， 仪器房内仅为2 8 ；环境温度为3 0 时，房内为2 6 。 对于建筑物的降温来说，反射红外辐射比反射可见光更为重要。按不同需要， 采用有严格光谱选择性的涂层、薄膜或功能性玻璃，对于建筑物的降温和节能是 很有意义的。清华大学对光谱选择性涂层有全面、深入的研究，特别是玻璃的镀 膜方面、矽口变色玻璃、各种选择性透过、吸收和反射玻璃等，都已经取得了不 同程度的进展。在光谱选择性涂料方面，广州能源研究所成功研究了一种船用的 热反射涂料。热反射涂料与辐射致冷在原理上虽然不尽相同，但对辐射波长的选 择性( 反射和吸收) 在本质上是一致的。热反射涂料的热性能指标达到：红外反 射率大于8 0 ，与标准板相比，板温可降低2 0 ( 标准板6 4 ，样本板4 4o c ) 。 重庆大学材料工程学院韩志范教授 2 6 1 研制的复合红外辐射添加剂，在0 4 。2 4 1 m l 的短波区域内有着大干0 8 3 的太阳反射比和半球发射率；而在7 8 。1 3 5 t u n 的长波 范围内，则同时具有转换吸收热量和大干0 8 5 的法向红外发射率。 孙汉东等 2 7 1 在以s i 0 2 和a 1 2 0 3 为主要成分的原料中掺过渡金属氧化物，通过 高温热处理制成了全发射率达o 9 3 的红外辐射涂料。潘儒宗等1 2 8 1 探讨了高性能红 7 辐射制冷系统的理论与实验研究 外辐射材制途径，实验中选用了堇青石、莫来石为主要组成配方，并加入了少量 过渡元素氧化物，得到了热膨胀系数小，热稳定性好的高发射率材料【2 9 】。刘晓国 等【删探讨了红外辐射制冷的原理，给出了模型图，指出了红外辐射制冷的可能性 及存在的问题。李戬洪等i 矧选取合适的辐射制冷化合物作为辐射体涂层，实现了 制冷空间温度比环境温度低9 6 。c 的结果。马一平等f 3 1 捌利用物质红外光谱的相 关规律，提出了在众多的萨德勒标准光谱图中筛选辐射制冷新物质的方法，并对 筛选的物质进行了对比实验，得到6 8 。c 的温降。芮智刚、左然【3 3 1 等对几种常用 的辐射材料进行了对比实验，发现在晴朗的夜间，p e t 薄膜表面最低可降温1 1 ， 装置有效制冷功率达到7 4 5 w m 2 。可见，辐射制冷已显示出明显的实际意义，特 别是用于建筑物的被动式降温。 1 4 本论文研究的主要内容 从中国的发展现状看，夏季的太阳辐射最强，此时空调的用电负荷也最大。 空调的普遍使用增加了电力的供应，使得用电达到高峰。在中国主要是火力发电， 这样就对能源、环境造成了一定的影响，而且电力需求越大对环境的影响越严重。 为了减少这样的影响，降低空调的负荷，我们研发了辐射制冷装置。不同材料的 光谱发射率不同，正是利用这个原理将空间热辐射以红外的形式发射到低温的太 空中，从而降低了环境的温度。 本文在系统地了解了国内外辐射致冷的研究状况后，结合实际情况对辐射致 冷装置进行以下几方面的研究： 1 系统地分析了材料红外热辐射的机理，通过研究建立了热辐射模型，寻找 在8 。1 3 t t m 的“大气窗口范围内发射率较高的辐射制冷材料，以用于辐射制冷 装置进行实验。 2 以空气为制冷媒介，用发射率高的辐射体在夜晚进行静态实验，测量环境 温度和实验装置内部的温度，通过二者温差的对比分析辐射致冷的效果，进而分 析影响辐射制冷的各种因素。同时对实验装置选择不同的倾角进行实验，找出实 验中最佳的倾斜角度。 3 将水作为制冷媒介进行静态的辐射制冷实验，分析以水作为辐射体的可行 性，同时与以空气为媒介的制冷实验进行对比，分析二者中的最佳媒介。 8 江苏大学硕士学位论文 4 利用风机进行连续鼓气实验，对实验装置进行改进，测量相同风速时，不 同实验装置的出口空气温差的对比，以及对于同一个实验装置在不同的风速下， 出口空气温差的对比，通过对这些实验数据的分析找出实验装置获得最大出口温 差时风机的最佳风速。 5 对实验中的制冷装置进行分析，计算其辐射制冷功率，尝试将辐射制冷技 术广泛应用于建筑物夜间的连续降温。 9 辐射制冷系统的理论与实验研究 第2 章红外辐射机理的研究 2 1 红外辐射理论的发展 物体以电磁波向外传递能量的过程称为辐射，热辐射则是由热运动产生的电 磁波。任何物体在任何温度下( t 0 k ) ，都有发射各种波长的电磁波的本领。 在不同的温度下发出的各种电磁波的能量按波长的分布不同，这种能量按波长的 分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射。温度愈高，辐射出的总能量就愈大， 短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0 直至o o 。 由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。 热辐射也称为红外辐射或者红外线，是1 8 0 0 年由英国的天文学家赫谢耳 ( h e r s c h e l ) 在研究太阳七色光的热效应时发现的。随后出现了多种测量热辐射 能量的仪器，开始对热辐射进行了定量的研究。十九世纪下半叶，随着西欧重工 业的迅速发展，很多热辐射现象引起了实验物理与理论物理界的注意，出现了比 较精密的测量热辐射的仪器，为热辐射的实验研究提供了有力的武器。同时，经 典物理学中的热力学、光谱学、电磁学有了足够的进展，这些都为热辐射的理论 与实验研究做了很好的准备。 黑体( 或者绝对黑体) ，是指在任何温度下能够全部吸收任意入射辐射波长 的物体。基尔霍夫( g r 1 ( i r c i l l l o f ) 在1 8 5 9 年证明【3 4 , 3 5 1 ，绝对黑体与热辐射达到热平 衡状态时，辐射能量密度随频率变化曲线的形状与位置只与黑体的绝对温度有关 ( 如图2 1 所示) ，而与空腔的形状及组成的物质无关。这样，利用黑体就可以撇 开材料的具体性质，从而普遍地研究热辐射本身的规律。 斯忒藩( j s m f a n ) 和波耳兹曼( l b o l t z m a n n ) 先后- 于1 8 7 9 年和1 8 8 4 年由热力学 理论推导出了黑体辐射的四次方定律，从这时起，科学家们就展开了对黑体光谱 辐射能分布的研究1 3 6 , + 7 。但是，直至1 9 世纪末的2 0 年中，一直没能取得决定性的 进展。1 8 9 0 年，瑞利( j w s r a y l e i g h 卜金斯( j h j e a n s ) 按照电磁场基本规律及分 子运动理论中能量按自由度均分原理，得出在长波处与实验相符的热辐射公式。 维恩似w i e n ) 于1 8 9 3 年利用热力学推理、导出了偏移定律，又于1 8 9 6 年利用麦克 斯韦分子速度分配律得出了黑体光谱辐射能的维恩公式。1 9 0 0 年瑞利和金斯则用 1 0 江苏大学硕士学位论文 严谨的经典电动力学理论讨论了这一问题，得出了瑞利一金斯公式【3 8 捌。但是维 恩公式和瑞利一金斯公式都不完全符合实验结果，不同理论的对比如图2 2 所示。 o 图2 1 绝对黑体的辐射出射度随波长的变化曲线 f i g 2 1t h ec u r v e so fr a d i a t i o ne m i t t e dd e g r e eo fa b s o l u