典型天气条件下辐射制冷换热模型分析康海宏董华李英青岛理工大学.doc

典型天气条件下辐射制冷换热模型分析 康海宏 董华 李英 青岛理工大学山东省城市灾变预防与控制工程技术研究中心 摘 要：介绍了辐射制冷原理，对辐射制冷实现方法进行了分析，并设计辐射制冷实验，基于辐射制冷原理，建立了三种典型天气条件下辐射体的换热模型，并推导出辐射体在热平衡状态下所能达到的平衡温度。 关键词：辐射制冷 换热模型 辐射体 1 引言 降低夏季制冷能耗是提高建筑节能水平、解决能源危机的重要途径之一。研究利用宇宙空间这一巨大的天然冷源，使地面上的物体透过8～13μm这一大气“窗口”，以红外辐射方式来实现自然冷却的辐射制冷方法，成为近年来国内外热能领域研究的重要课题。辐射制冷应用于没有空调的建筑物上，可以起一定的降温作用。对于已采用空调的建筑物则能减小供冷负荷，起节能作用。据文献报道，目前单位面积的辐射制冷功率可达40~50W/m2，最大温差可达15℃左右[1]。辐射制冷实现方法主要由两种组合形式：（1）“透明”盖板和选择性辐射体的组合；（2）具有选择透过特性的盖板和黑体辐射体的组合。天气因素对辐射体与天空之间辐射换热过程的影响是至关重要的，本文选取“透明”盖板和选择性辐射体的组合设计辐射制冷实验，并针对实验装置，建立了不同天气条件下辐射体的传热模型。 2 辐射制冷概述 辐射制冷，即通过辐射换热，把地面上的热能以8～13μm波长的电磁波形式，穿过大气层向外层空间的低温冷源放热，达到自身冷却的目的。 根据热力学原理，有温差的两个物体之间不需要任何媒介，就能以辐射的形式交换能量。地球大气层外的宇宙空间的温度接近绝对零度，高层大气的温度与地面温度相比也远低得多，这是一个天然的巨大冷源。如果把地面上不需要的热量以电磁波的形式向宇宙空间排放，就可以达到致冷的目的。探索利用上述冷源使地面上的物体在不耗能或少耗能的情况下进行自然冷却的可能性，已从太阳能的热利用技术中引起广泛的注意。近十年来的一些理论和实验研究表明，作为建筑物空调的一种手段，这种可能性有明显的实用意义[2]。 尽管外层空间接近于绝对零度，地球被厚厚的大气层所覆盖，阻碍了地面上的物体向外部空间的直接散热；而且大气层中含有的水蒸气、二氧化碳和臭氧层等成分，使得大气层对不同波长的电磁波有着不同的透射率，在一定程度上阻碍了地面物体以红外辐射方式和外太空换热。不同波长的辐射透过大气层的能力是不一样的，大气层对不同波长的辐射有着不同的透射率。在透射率较高的区间，该波长段的电磁波可以较为自由地穿透大气层，气象学上把这些区间称为大气的“窗口”。在几个大气“窗口”当中，人们感兴趣的是8～13μm这一波段，因为常温下黑体(20-50℃)辐射波长主要集中在这一波段内，大气层中水蒸气、二氧化碳和臭氧对这段波辐射的吸收能力很弱[4]，因此，大气在这个波段内的透明度很高。地面上的辐射可以直接透过8～13μm这一段的大气“窗口”进入外层空间，把热量辐射向外太空，从而得到一定程度的冷却效果。 假设一种材料在8～13μm波段发射率接近1，而在其它波段反射率接近1，那么物体在常温下发出的辐射能透过大气层被外太空所吸收，而来自太阳的辐射能则被反射掉，被反射掉的这一部分辐射能正是地球表面物体主要热量来源，相当于物体向外发射能量多，吸收能量少，造成能量收支不平衡，从而温度减低实现制冷。当然这种理想化的材料并不存在，辐射制冷的目标就是寻找一种接近理想状态的材料。 3 辐射制冷的实现方法 采用理想辐射体向外太空辐射能量来降低物体温度从而实现制冷，但物体周围环境会通过对流换热的方式向物体传热，使得制冷效果降低。通常在物体顶部加“透明”盖板，四壁和底部加保温材料，阻碍周围环境的换热，减少制冷物体冷量损失。 根据盖板和辐射体的不同光谱选择性，辐射制冷装置有两种组合形式。 （1）“透明”盖板与选择性辐射体的组合 这种组合要求盖板对8～13μm波长段的辐射要有良好的透射率，而对其余波长辐射的透射率可以要求低一些，但辐射体需具有接近理想的选择性辐射特性，即对大气“窗口”波长段的辐射有很强的辐射能力，而对其余波长段（太阳辐射能集中0.4～2.5μm波段内及近红外波段内）的辐射有很高的反射率(不致被太阳辐射加热)。当这种组合置于天空下面时，8～13μm波段外的外界辐射被辐射体反射回外界，而辐射体本身发射的8～13μm波长的辐射可以透过盖板向外层空间传递。向外辐射的热量大于物体吸收的热量，物体的温度得以降低，达到辐射制冷的目的。 （2）具有选择性透过特性的盖板与黑体辐射体的组合 这种组合要求盖板本身对8～13μm波长段内的辐射透过率很高，而对其余波长段的辐射具有很高的反射率。这样，由于盖板将8～13μm波长段以外的辐射“过滤掉”，辐射体就不需要具有严格的选择性，只要有良好的热辐射率就可以了。辐射体发射的热辐射只有8～1