夜间天空冷资源利用

1、 第 1 页 （共 7 页）夜间天空冷资源利用 摘要 地球大气外的宇宙空间温度接近绝对零度，高层大气的温度也相当低，都比地面温度低很多。因此对于地表物体来说，天空是一个巨大的天然冷库。大气层外的宇宙空间可与暴露在夜空下的地面物体进行辐射换热。如果我们把地面上不需要的热量以电磁波的形式向宇宙空间排放，就可以达到制冷的目的。关键词 夜空冷资源 辐射致冷 节能一 引言 “可持续发展”，随着世界常规能源的逐渐枯竭，同时也伴随着地球环境的逐渐破换，这一理念越来越深入到更多人的心中。于是，“节能”、“绿色”、“生态”.,这样的名词也出现的越来越多，越来越频繁。在建筑界，相应也有了“节能建筑”、“绿色建筑”

2、、“生态建筑”这样的名词。据统计，建筑能耗在社会总能耗中占有很大的比例，达30%-40%；而且经济越发达，生活水平越高，所占比例越大。可见，建筑节能对保护生态环境，对人类摆脱生态危机有相当大的意义。在建筑能耗中，用于冬季供暖和炎夏空调的能量往往占全年能量总消耗的20%以上；因此，探索和研究用新的方法进行供暖或空调，将是一个十分重要的课题。 二 夜空冷资源 白天，太阳是地球的巨大热源，地球与这个热源以辐射换热的形式来获得热量，我们可以利用太阳能为建筑供暖；同样，夜晚，无阳光的太空对地球来说是个冷源，地球以辐射的形式来散失热量，我们同样也可以利用夜空冷资源对建筑空调。 从热力学的观点来说，自然界中

3、凡是存在温差的大容量热源和冷源都可作为能源加以利用。地球大气外的宇宙空间温度接近绝对零度，高层大气的温度也相当低，都比地面温度低很多。因此对于地表物体来说，天空是一个巨大的天然冷库。大气层外的宇宙空间可与暴露在夜空下的地面物体进行辐射换热。如果我们把地面上不需要的热量以电磁波的形式向宇宙空间排放，就可以达到制冷的目的。 三 夜空冷资源致冷原理夜间环境以四种方式向地面上的物体表面传热：1 夜空与物体表面的辐射换热；2 周围空气与物体表面的对流换热； 3 周围其他物体表面与物体的辐射换热；4 与物体接触的固体以热传导的方式加热物体，传热随温差的增大而增强。 夜空冷辐射致冷原理如图1，辐射体（表面温

4、度trad）与夜空（夜空温度tsky）进行辐射换热，将自身的热量排放到夜空中，同时周围的空气（温度tamd）以对流换热方式、周围其他物体（表面温度tz）以辐射换热形式、辐射体的支撑（温度为tzc）以导热形式将热量传给换热面。整个系统时刻存在着动态的平衡，热平衡方程为： qr+qc+qr+qcond+qm=0其中，qr辐射体与夜空的辐射换热量（瓦/平方米） qc辐射体与空气的对流换热量（瓦/平方米） qr辐射体与周围物体表面的辐射换热量（瓦/平方米） qcond辐射体与支撑的导热量（瓦/平方米） qm辐射体上凝结水的潜热换热量（瓦/平方米），未产生凝结水时为0。四 夜空冷资源具体利用1 主动辐射

5、致冷1）夜空辐射散热器 夜空辐射散热器是一种以空气作为冷源，以水或者空气等流体作为传热媒介的换热器，通过夜空与传热媒介以热辐射方式换热。辐射散热器根据传热流体不同，常用的有空气辐射散热器和水辐射散热器，辐射散热器的外观类似太阳能平板集热器，如图2所示。其工作原理为：在夜空辐射下，辐射散热器的换热管表面与夜空进行辐射换热，将夜空的冷量传递给管内的传热流体（水或者空气）。将辐射散热器与室内换热设备或者储能设备连接起来，传热流体降温后可以通过自然循环或者强迫循环（泵或者风机循环）的方式将冷媒供给室内降温或储能设备运行。 图2 辐射换热器2）利用空气辐射散热器通风降温（与夜间通风技术结合） 空气辐射散

6、热器是以空气为载冷流体，它是将室外空气吸进散热器，直接向天空释冷，送入室温。也可以直接抽取室内空气进散热器与其直接换热，再送如室内。由于载冷流体为空气，换热管以及换热器的体积比较大。如图3。 辐射散热器夜间与空间的冷辐射换热量越大，管内空气与管壁的对流换热系数越大，散热器出口的温度越低。这就需要辐射散热器表面具有较高的太阳辐射反射率，使得其在白天吸收尽可能少的太阳辐射，具有较高的长波辐射发射率使得夜晚向夜空发射更多的热量。因此，必须在铝管散热器表面涂一层白漆，使散热器表面具有选这姓辐射特性。 图3 空气辐射散热器3）水辐射散热器（与吊顶辐射致冷相结合）水辐射散热器是以水为传热媒介的夜空辐射散热

7、器。其应用技术路线为：可以将水辐射散热器与建筑物内部的制冷设备连接起来用于夜晚降温并蓄冷。由于利用向夜空散热制得的冷水温度不是很低，直接用于风机盘管致冷效果不好，采用吊顶辐射制冷刚好可以解决此问题，它承担一部分建筑物的屋顶冷负荷，同时还可以在混凝土屋顶蓄存冷量，次日白天屋顶蓄存的冷量按照建筑物逐时冷负荷曲线慢慢释放出来，保证白天散热器不运行时室内温度仍然在一个较舒适的范围内。如图4。 图4 水辐射散热器4）辐射致冷与太阳能利用相结合 夜空辐射散热器与太阳能集热器无论从原理上还是从结构上都有极大的相似之处，且两者都是利用天空资源，只是一个利用热资源，用于白天，一个利用冷资源，用于晚上。夜空集热器

8、与太阳能集热器昼夜轮换利用天空，也就是说利用夜空冷源就是在与太阳能利用争夺空间和时间。如果用于致冷，就要避免白天太阳辐射的反向热作用，就要进行白天遮阳，将热量采集储存应用。这就需要开发新技术白天太阳辐射集热（遮阳）、夜间天空散热的双功能装置。由于水的蓄热性能较空气要好，以水为媒介的辐射换热器可以肩负这两种功能。如图5。图5 辐射制冷与太阳能集热器结合2 被动与混合式辐射致冷 被动式辐射降温系统是使用建筑维护结构如屋顶、墙体和开启的窗户结构如屋顶、墙体和开启的窗户作为辐射部件。这种致冷形式要求建筑物维护结构直接暴露于空气之中。可以将用于辐射致冷的选择性辐射体与建筑物外围护结构结合在一起或者将选择

9、性辐射涂料涂于建筑外围护结构上，使建筑物白天可以反射大量的太阳辐射热，晚上依靠夜空辐射迅速降温，也属于被动降温的一种。如图6。 图6 混合式辐射致冷3 冷辐射屋顶的热管效应降温 通过改变屋顶的性能来减少由屋顶传入房间的热量。蒸发反射屋顶结合利用了许多致冷的技术（如屋顶水池、地发射率表面、岩石的高热容量），其工作原理类似热管效应。在混凝土屋顶上建一屋顶水池，水池里铺有岩石，水池上面盖一铝板，使水池与外界环境隔离开来。铝板上表面涂有以钛为基底的涂料，增加反射率，减少半天太阳辐射得热。另外，混有岩石的水池中的高热容量的岩石可以延迟白天由屋顶进入房间的热量；夜间，铝板的温度迅速降低，低于混有岩石的水层

10、的温度，空气夹层中饱和的水蒸气在冷的铝板上凝结，凝集水由于重力作用又落回水层。这种热管效应将屋顶内多余的热量排除，可降低室内温度。岩石+水层中灌有少量的水，为防止水蒸发外逸，需要此屋顶结构绝对密闭。此种利用热管效应的蒸发反射屋顶结构简单，经常与夜间自然通风结合起来应用，节能效果明显。4 夜空辐射蓄冷 类似于太阳能蓄热，我们可以利用夜间天空辐射蓄冷。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。蓄冷箱里面装有水或者其他流体，夏天白天以隔热材料覆盖，防止热获得，夜间拿开隔热材料，将液体中的热量通过外逸长波辐射热到夜空中，蓄冷箱里面的冷流体用于冷却建筑物。这种形式的系统可用

11、于办公室、学校等，也可以用于一些白天即需要阳光、同时又需要降温的农作物温室。五 应用实例南宁日本友好太阳房1 概况：时间：1999年建成地点：中国南宁所用技术：隔热墙体、空气调节技术、屋面铁板辐射致冷等地区气候：南宁位于北回归线以南，属亚热带季风气候，高湿热季节长达半年以上，阳光充足，雨量充沛，霜少无雪，气候温和，夏长冬短，年平均气温在21.6。冬季最冷的1月平均12.8，夏季最热的7、8月平均28.2，极端最低气温2.1，极端最高气温40.4。年均降雨量达1304.2毫米。可见，南宁夏季高温高湿。如图7。 图7 南宁气象数据年变化图2 夜间辐射制冷设计 太阳房屋顶的特殊结构有保温隔热作用，如

12、图所示，突出的特点是夏季可以利用夜空辐射降温除湿。夏天夜间，天空晴朗时高空中的温度为-40-60摄氏度。因此，屋顶面不断向天空辐射热量，结果屋面温度降低，一般情况下，比外界气温低24摄氏度。这时，引进屋外空气，屋顶通气层8内的空气则被温度降低的铁板降温，沿着直立管道被送到地板下面，然后流入房屋内，并储存在地板下面，达到取凉效果。南宁夏天的空气非常潮湿，湿度高的空气与温度低的表面接触时，必然发生结露。由于在屋顶通气层8内发生结露，空气中的一部分水蒸气变成水珠，结果送进室内的空气就会比外界空气干燥。用此方式获得的干燥空气给人体带来的凉爽感觉比低温空气要明显，因为皮肤接触干燥。用此方式获得的干燥空气

13、给人体带来的凉爽感觉比低温空气要明显，因为皮肤接触干燥空气时的蒸发速度加快，结果是皮肤表面散热量增大。为了提高去湿效果，屋面通气层内和屋脊通道表面铺上了一层吸湿材料。这层吸湿材料除了吸收空气的水分，还能吸收从铁板背面滴下来的水珠。防止屋顶内部的金属部分受腐蚀。因为结露时，大气中的灰尘等物质会凝结在露水里，致使露水变成带有酸性液体。第二天白天，屋顶通风层内吸收太阳能变热，使吸湿材料中的水分蒸发，开动风箱吸气排热时，水蒸气随着集热空气被排到屋外。如图8。 图8 屋面构造图3 节能效应 利用太阳房屋顶的漆黑铁板的夜间辐射降温，可以节省大量能源的消耗，这种降温方式受到室外气象条件的影响，一般与房间空调

14、器结合使用，在仅有夜空辐射降温达不到室内温湿度要求时就要利用房间空调器等辅助设备，对比此太阳房与普通房间的夏季辅助能源的能耗可知晴朗夜空下，最大耗冷时刻的能耗为0.5千瓦/平方米，仅为普通房间的四分之一，节能效果明显。而且当日24：00至次日8：00供冷设备不运行、不耗能。六 结语夜间天空冷资源利用技术不耗能、无污染，甚至还可以将污染的水二次回收利用，它以其节能减排的效果而越来越受到人们的关注。但是，由于城市密集的建筑群的互相遮挡，除了最高建筑的屋顶，其他建筑很少有完整的180度天穹空间角度，所以技术的利用受到限制；其次，夜晚电磁波透过大气层时，其中一部分被大气层中的水蒸气、二氧化碳和臭氧吸收，特别在空气