太空辐射致冷空调装置的实验研究

芮智刚 左 然

(江苏大学能源与动力工程学院 镇江 212013)

在秋冬季节的清晨，草叶上、土块上常常会覆盖一层白色的结晶，这就是俗称的“结霜”。结霜是由于水汽在物体表面上凝华，意味着尽管此时气温高于0℃，但地表温度却低于0℃。这种现象就是辐射致冷，它是指地面上的物体通过辐射换热，将自身热量以电磁波的形式发射到接近绝对零度的太空，达到自身冷却的目的。

在地面与太空之间，存在大气层的阻隔。大气层对不同波长的太阳和大气辐射有不同透射率，如图1(a)所示。透射率较高(或反射率较低)的波段称为“大气窗口”，如图中实线所示的凹部。物体在常温下发出的红外辐射(8～13µm波段)，恰好能透过“大气窗口”辐射到外太空，如图中虚线所示。因此可以把物体表面降到比环境更低的温度。

辐射致冷的目标是：寻找一种材料作为辐射体，其在8～13µm波段的发射率接近1，在其余波段的反射率接近1，则物体在常温下发出的辐射将透过大气层辐射到外太空，而来自太阳的辐射将被反射掉，从而造成能量收支不平衡，实现致冷[1]。理想的辐射体性能曲线如图1(b)所示。

国外从上世纪60年代开始对选择性辐射原理、选择性辐射材料、相关装置开展研究[3-7]。国内科研人员从上世纪80年代开始类似的研究[8-9]。到目前为止，前人所做的实验都是尝试不同的辐射体材料进行静态试验，即测量无介质流动时辐射体的温度[10-11]。但是，要将辐射致冷技术应用于建筑物的连续降温，就必须利用一种流动介质来交换热量。为此，研制了利用空气为冷媒介质的辐射致冷试验装置，进行了相关的试验和计算，目的是为辐射致冷用于实际建筑物的夏季致冷提供理论和试验依据。

首先介绍了辐射致冷的实现方法，然后采用红外发射率测定仪测定了几种典型材料的红外发射率，并间接确定了低密度聚乙烯(LDPE)薄膜对不同辐射体的透过率，最后将这些材料应用在自行设计的致冷装置中，进行夜间静态与连续抽气实验，探讨了辐射致冷用于建筑物夜间连续降温的可行性。

图1 (a)理想辐射体的能量收支图Fig.1 (a) Radiative cooling by ideal selective surface

图1 (b)理想辐射体的辐射特性Fig.1 (b) Emissivity of ideal radiator

1 辐射致冷材料的选择

1.1 辐射致冷系统及实现方法

图2 辐射致冷系统Fig.2 Radiative cooling system

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，阻止外界热量的传入，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”，而透明盖板必须在8～13µm波段有很高的透过率。常用的盖板材料为LDPE薄膜。透明盖板、保温层与辐射体组成一个基本的辐射致冷系统，在内部产生低温，如图2所示。

根据盖板与辐射体的不同光谱选择性，通常有两种不同的辐射致冷组合。

1.1.1 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，而夜晚辐射体本身发射的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。

1.1.2 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。

以上两种方法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，因此这里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，暂不考虑白天对太阳短波的反射，目的是首先实现夜间辐射致冷。此方法对致冷装置的要求主要有两条：1)盖板对全波段的辐射具有良好的透过率；2)辐射体在8～13µm波段具有高的红外发射率。

1.2 辐射体材料的选择

一般文献中查到的材料发射率或者薄膜的透过率都仅为理论值，由于不同地域大气中的水分和粉尘含量、不同材料的成分等均存在差异，因此有必要对材料发射率与薄膜透射率作实际测量。在本地气候条件下，采用红外发射率测定仪测定实验所选用的材料发射率，经过多次测量得到一个平均值，作为实验与计算时的参考依据。

1.2.1 材料发射率的测定

利用EMS302M红外发射率测定仪，在同样条件下(环境温度为28℃)，测定了碳黑粉末、PET薄膜、PTFE薄膜、NaCl粉末、TiO2粉末、白糖粉末在8～13µm波段的发射率，分别为0.859、0.808、0.805、0.841、0.81、0.868，见图3(仅示出碳黑和PET薄膜，其余类似)。从测定的值来看，几种粉末材料的红外发射率均高于薄膜材料，同样可作为辐射体用于实验中。

图3 碳黑与PET薄膜的发射率曲线Fig.3 Emissivity of black carbon and PET fi lm

1.2.2 LDPE薄膜透过率的测定

LDPE薄膜对全波段的辐射透过率都较高[12](见图4)，主要关注常温时(8～13µm波段)LDPE薄膜对碳黑、TiO2、NaCl晶体、PET薄膜、PTFE薄膜等材料的透过率。为此设计了一种简单的测量薄膜红外透射率的方法，实验原理如图5所示。

图4 LDPE薄膜的法向透过率曲线[12]Fig.4 IR transmittance of LDPE fi lm

图5 测量LDPE薄膜红外透射率的实验原理图(a)无薄膜；(b)有薄膜Fig.5 Schematics of measurement of IR transmittance of LDPE fi lm: (a) no fi lm; (b) with fi lm

如图5(a)所示，将待测材料置于圆柱状金属盒内，无LDPE薄膜覆盖，测量值即为材料的红外发射率E。如图5(b)所示，同样条件，但有LDPE薄膜覆盖，实际测得值为透过薄膜的红外发射率E1。二者之间的关系推导如下：

材料的发射率为材料的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值[13]，即此即图(a)中测得的值。而图(b)中测得的穿过薄膜后的材料发射率为。由于E1=τE，其中τ即为LDPE薄膜的透射率。有，得

通过以上推导，可计算出LDPE薄膜对几种高发射率材料的透射率，见表1。

表1 几种主要材料的红外发射率和LDPE对它们的透射率Tab.1 Emissivity of several materials and transmittance of LDPE fi lm

从表中可知，LDPE薄膜对前述几种材料的透射率均在0.9以上，其中对PTFE薄膜的透射率最高，为0.976；对碳黑粉末的透射率最低，为0.939。这进一步说明了LDPE薄膜用作辐射致冷盖板的可行性。

2 辐射致冷的实验研究

2.1 实验条件及设备

实验在2009年5月晴朗或微云的夜间进行，位置为镇江市东郊的一所六层平面楼顶，采用TC-2008多路温度测试仪(精度为0.5级)与计算机连接进行夜间连续测量，分别测量辐射体板温和进、出口空气温度，辐射体温度的测量点位于盒子正中心(已经通过大量实验证明，装置中不同的测温点的误差为±0.0或0.1)，实验中环境温度取每个时间段内(1小时)的平均值。用AVM-03风速仪测定风速。

2.2 静态对比实验

图6 静态对比实验Fig.6 Temperatures in static experiment

静态实验装置与图2类似。保温材料为厚度2cm的聚氨酯，盖板材料为单层LDPE薄膜，厚度为0.15mm，致冷空间为40cm×40cm×10cm，采用前面已测定的几种高红外发射率材料为辐射体。碳黑、NaCl晶体、TiO2三种粉末的厚度均为5mm，PET和PTFE薄膜厚度均为0.0125mm。实验结果见图6。从图中可看出，PET薄膜和PTFE薄膜与环境的最大温差分别为11℃和9℃，证明二者均为良好的辐射体材料。从红外发射率测定值来看，碳黑和NaCl粉末的发射率比PET和PTFE薄膜的发射率高，应具有更好的降温效果，但实验效果却不如薄膜材料，这可能与粉末材料的尺寸、厚度、杂质成分等有关。

2.3 连续抽气实验

如图7所示，实验装置外形尺寸：75.5cm×75.5cm×20cm，上部致冷空间高度3cm，气体进、出口直径均为6cm，聚氨脂保温层厚度4cm，木板框架。辐射体分别采用PET薄膜与PTFE薄膜，有效面积为62cm×62cm。挡板尺寸为11cm×55cm×1cm，间距14cm。每个装置布置3个挡板，挡板有两个作用：1)使空气在下部夹层的流动为“S”型，与薄膜充分换热；2)对薄膜起支撑作用。功率为3W的风扇向装置内部鼓气，出口风速为1.6m/s。从图8可看出，连续鼓气、室外温度为29℃、以PET和PTFE薄膜为辐射体时，获得装置出口处冷空气与环境的最大温差依次为4.7℃和5.9℃。

图7 抽气实验装置图Fig.7 Schematic of air fl owing system

图8 连续抽气实验对比图Fig.8 Temperatures in air fl owing experiment

2.4 致冷效率计算

致冷装置的冷量损失情况见图9，能量方程为：Qrad=Qf+Qb+Qe，其中，Qrad为辐射体获得的制冷量，Qf为盖板处的冷量损失，Qb为制冷装置底部和侧壁的冷量损失，Qe为制冷装置的有效制冷量。实验中，出口处的空气流量V＝0.0045m3/s，进出口温差取为ΔT =5℃，可计算出该致冷装置的有效制冷量：

其中取空气的比热容CP=1.005kJ/kg.K，空气密度 ρ =1.24kg/m3。

图9 辐射致冷系统的冷量损失Fig.9 The cooling loss of radiative cooling system

由于上层温度高于下层温度，因而可忽略空气的自然对流，故传热计算时只考虑导热。在稳定工况下，盖板处的冷量损失Qf即为盖板与辐射体之间的导热量。设上部制冷空间空气顶部的温度和盖板温度相同(等于环境温度)，底部的温度和辐射体温度相同，则上部制冷空间的冷量损失为：

式中，上盖板横截面积A＝0.38m2，空气顶部和底部的温差ΔT=29-23.1=5.9℃，空气导热系数k＝0.0259W/m.K；上部空气夹层高度Δx＝3cm，计算得Qf=0.73W。

对于上部制冷空间的侧壁冷量损失Qb，取装置外表温度近似为环境温度，而将内壁温度近似取为辐射体的温度，即ΔT=29-21.9=7.1℃。这样取的原因是：内壁温度实际上高于辐射体的温度，与外界环境的温差较小，将内壁温度近似取为辐射体温度后，内壁与外界环境的温差变大，冷量损失相应变大，这样可计算致冷装置在最不利条件下的致冷效率。对于下部致冷空间侧壁与装置底部的冷量损失，取内壁面温度近似为装置出口处空气温度，即ΔT=29-23.1=5.9℃。

根据傅立叶导热定律[13]可计算出致冷装置壁面与底部的制冷量损失

式中：h1、h2分别为制冷空间内外侧空气的对流换热系数，取h1=h2=10W/m2.K，d1=4cm、d2=2cm分别为聚氨酯和木板的厚度；λ1=0.022W/m.K、λ2=0.043W/m.K分别为聚氨酯和木板的导热系数；A分别为上部制冷空间壁面、下部制冷空间壁面和制冷装置底部的面积。计算得整个装置壁面的冷量损失Qb=1.46W。

综上，总的能量为Qrad=Qf+Qb+Qe=30.39W。装置制冷效率为η =Qe/Qrad=92.7%。有效制冷面积为0.38m2，故制冷功率为74.5W/m2。而对于节能型建筑，制冷功率的要求一般为60～80W/m2，故该装置基本可满足节能型建筑夏季夜间的连续降温。同时，随着对装置内部流道的改进，辐射致冷功率肯定会进一步提高。

图10示出设计的用于建筑物连续降温的辐射致冷系统，房间内的热空气因为密度小而上浮，在风机的驱动下被送入装置下部空间，空气经过挡板流动的同时与PET薄膜充分换热，最后出口处的空气为降温后的冷空气，可直接送入房间降温。

图10 辐射致冷在建筑物降温中的应用Fig.10 Radiative cooling system applied to buildings

3 结论

介绍了辐射致冷的原理和实现方法，利用红外发射率测定仪测定了PET薄膜、PTFE薄膜、NaCl晶体、TiO2和碳黑等材料的发射率，以及LDPE薄膜对上述红外发射体的透射率，并利用上述材料，在同一条件下做了静态与连续抽气辐射致冷实验。得出以下结论：

1)PET薄膜、PTFE薄膜、NaCl晶体、TiO2和碳黑的发射率均在0.8以上，均可作为红外辐射体用于辐射致冷系统；LDPE薄膜对上述几种材料的透射率均在0.9以上，可作为系统的盖板材料。

2)在晴朗的夜间，静态实验获得与环境的最大温差为11℃。连续抽气时，以PET和PTFE薄膜作为辐射体材料时获得与外界环境的稳态最大温差分别为4.7℃和5.4℃。实验条件为有风，微云、有烟尘的夜间，对实验结果的影响较大。同时，该装置不能实现空气除湿，故对于湿度高的地区有一定的局限性，但对于一般的气候条件有较大的实际价值。

3)通过计算，装置的有效制冷功率为74.5W/m2，冷量损失为1.46W，制冷效率为92.7%，计算结果表明，辐射致冷技术目前可以满足至少一半的建筑物夏季夜间制冷要求。

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