长波辐射的计算理论及在节能设计中应用

黄东

摘要：本文从长波辐射换热的理论着手进行分析，给出了改变辐射热的措施，提出建筑在进行节能设计时考虑下垫面反射辐射和夜空冷辐射的重要性，并对长波辐射在建筑节能中的一些应用进行了探讨。

关键词：长波辐射；节能

Abstract: this paper in heat longwave radiation theory to analysis, gives the change of radiant heat measures, put forward building on energy saving design considerations when the underlying surface reflection radiation and the night sky cold radiation, and the importance of building energy longwave radiation in some of the application are discussed.

Keywords: longwave radiation; Energy saving

中图分类号：TE08文献标识码：A 文章编号：

0 引言

建筑作为自然界的一部分，必然会受到种种因素的干扰。就热辐射而言，建筑外表面就受到太阳辐射和下垫面以及天空的辐射，此外在建筑内部也存在着热辐射。本文从辐射换热的理论着手，对影响辐射换热的因素进行分析，并给出了一些改变换热量的措施，还探讨了长波辐射计算理论在建筑节能设计中的应用。

1 长波辐射理论

在建筑热工中，把波长大于3微米的辐射线成为长波辐射。[1]地表面的实际平均温度约为300K,对流层大气的平均温度约为250K。在这样的温度条件下,地面和大气的辐射能主要集中在3~120微米的波长范围内,均为肉眼所不能看见的红外辐射。一般围护结构表面温度约在300K左右，其辐射能主要集中在4~70微米的波长范围，也属于长波辐射。

1.1 长波辐射能量

一般建筑材料都可以看成灰体。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律，灰体的全辐射能力为：

（1）

式中，ε为物体表面材料的黑度，T为物体表面绝对温度，Cb为黑体辐射系数，其值为5.67 W/（㎡•K4），σb为黑体辐射常数，其值为5.67×10-8W/（㎡•K4）。

在工程辐射换热计算中，只要参与辐射换热的各物体温差不过分悬殊，可以把物体表面当做漫射灰表面。对于任一特定的波长，漫灰表面的发射率等于该表面的吸收比[2]，也即材料表面对外来辐射的吸收系数与其自身的发射率或者黑度在数值上是相等的。在计算时我们还假定在所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度时均匀的。这样，我们可以通过下面的公式来计算两物体之间的角系数。

（2）

式中，A1、A2为两个有限大小的面的面积，r为所取的两个面积微元之间的距离， 、 分别是两微元 、 的法线与连线r之间的夹角。

对于两黑体而言，其表面间的辐射传热为

（3）

而灰表面间的辐射换热要考虑到灰表面对辐射的吸收和反射，灰表面单位时间离开单位面积表面的总辐射能，即有效辐射包括表面本身辐射和投入辐射的反射两部分。

有效辐射J1的表达式：

J1= E1+ ρ1G1= ε1Eb1+ (1-ε1)G1 [2] （4）

上式已考虑了假定的物体为漫灰表面的条件，发射率等于该表面的吸收比，即ε=α，G1为投入辐射。

采用辐射换热网络图的方法可以得出，组成封闭腔的两灰表面间辐射换热计算式为：

[2] （5）

式中 和 分别为灰表面1和2的表面辐射热阻， 为空间辐射热阻。

特殊情况下，对两无限大平行灰平壁而言，其换热量为

（6）

1.2 物体表面长波辐射吸收能力

材料的发射率越大，其辐射能力也就越大，它对外来辐射的吸收能力也越大。抛光金属表面对所有辐射的反射能力都很强，而白色表面对可见光的反射能力最强，对长波辐射则效果与黑色表面相差很小。金属的发射率要比非金属的小很多，对长波辐射的吸收系数也要比非金属表面小。由此可见，对于短波辐射，颜色起主导作用；而对于长波辐射，则是材性起主导作用。一般的窗玻璃能透过绝大部分短波辐射，而长波辐射则很少能透过。[1]

1.3 辐射换热的改变

从辐射换热的公式可以看出，强化辐射换热的主要途径有两种：增加发射率和增加角系数。

在一定温度下要强化两表面间的辐射换热，可以采取增加换热表面发射率的方法。采用改变表面发射率的方法时应注意首先增加对换热影响最大的那一个表面的发射率。

另外还可以改变两表面的布置以增加角系数。下面我们可以考察一下几种特殊情况下两表面的角系数，来看一下角系数变化规律。

考察单一变量时两平行等面积平面的角系数变化

图1 X=Y=1时，角系数随D值变化曲线

图2 D=1时，角系数随X（Y=1）和Y（X=1）值变化曲线

由图1和图2可以看出，对于两平行等面积平面，其相互的角系数是相等的，具有互换性。当面积一定的时候，两者的角系数随着两平面截距的增加而减小，而且大致呈对数曲线变化。当截距为表面边长5倍的时候，角系数变化已经不太明显。若保持截距不变，单一增加表面边长的尺度，也可以发现，随着边长的加大，角系数值呈上升趋势，大致按对数变化，当边长达到截距10倍以上时，角系数增加缓慢。这也就表明，当表面面积加大时，角系数会增加，但是面积达到一定值后，角系数趋于稳定。这样的话，在一定范围内，增加面积可以加大辐射换热量，减小间距也能增大辐射换热量。反之，在一定范围内，增大间距能减少辐射换量，减小面积也能减少辐射换热量。

考察单一变量时两垂直平面的角系数变化

图3 Y=Z=1时，角系数随X值变化曲线

图4 X=1时，角系数随Y（Z=1）和Z（Y=1）值变化曲线

由图3和图4可以看出，两垂直平面的角系数变化与平行表面的有区别，它们相互的角系数并不是相等的，也就是没有互换性。当面积一定的时候角系数随着两平面交线的增大而增加，其趋势仍然是类似对数曲线。当长度增加到平面宽度10倍过后，当其宽度达到交线宽度5倍以后角系数就基本无变化。利用这样的规律，我们就可以在设计中合理考虑周围环境的布置，合理调整角系数来为室内热舒适服务。

削弱辐射换热的主要途径有三种：降低发射率；降低角系数；加入遮热板。

人造地球卫星为了减少迎阳面与背阳面之间的温差，采用对太阳能吸收比小的材料作表面涂层；置于室外的发热设备，为了防止夏天温升过高而用浅色油漆作为涂层。这些都是用减小发射率的方法来削弱换热的例子。在实际工程应用中，多采用遮热板来减少辐射换热。在两灰体表面间插入与灰体黑度相等的薄板，其辐射换热减少一半。

2 长波辐射理论在建筑节能中的应用

太阳以短波辐射的形式向地球传输热量，地球上的物体表面吸收热量后又以长波辐射的形式向周围传热，热量最终从高温物体传向低温物体。如今城市下垫面多为混凝土，其吸热蓄热能力强，贮存大量热量，导致热岛效应。如果能够减少下垫面对热量的吸收和传递，加大围护结构的长波散热力度，即可对室内热环境的改善作出一定贡献。

2.1 绿化对长波辐射的影响

植物能够有效地吸收太阳辐射，并通过蒸腾作用降温，创造阴凉的环境。而下垫面的长波辐射正是由于太阳的短波辐射被下垫面吸收而引起的。如此一来，下垫面作为长波辐射发射面，其与接收面之间的辐射换热就会减少，甚至出现热量由围护结构传递给下垫面的情况。

2.2 选择合理的围护结构材料

增大建筑外表的反射，减少辐射热吸收有利于减少传向室内的热量,因此夏热冬冷地区建筑外墙通常采用白色粉刷或浅色饰面来达到外墙反射隔热的效果。不过这只是应对太阳辐射而言。在长波辐射的传递中，颜色是起不了多大作用的。在屋面上刷涂选择吸收材料,利用某些狭窄光谱带的光会无阻碍的通过大气,产生的长波辐射可使屋面在夏天冷却,降低屋顶和房间温度。

2.3 夜空辐射制冷

对建筑外表面温度分布及气流特征的研究中发现，辐射和对流是影响外墙外表面温度分布的直接原因：即在白天外墙外表面温度和空气温度相差较大时对流换热起主要作用；晚上则是长波辐射起主要作用．大气层外的宇宙空间接近绝对零度，高层大气的温度也相当低，这对地表物体来说是一个巨大的天然冷库。夜空作为冷源具有容量大、品味高、可靠性好、稳定性好、持续性好等优点。

一般而言，夜空辐射散热器没有透明盖板，它需要换热管表面有选择性辐射特性，白天可以反射大量阳光，夜晚可以使得大气窗口附近的光波通过。换热管可以用钢管，铜管等，在换热管表面贴涂有硫化锌涂层的铝箔、涂有氧化钛为基底的白漆，白天可适当遮阳。在散热器的左右下表面要加保温层，减少三个面的冷损失。[5]

3 结论

3.1 增大建筑外表的反射或刷涂选择吸收材料有和于减少传向室内的热量；

3.2 再设计时考虑辐射角系数的影响可以调整长波辐射得热量；

3.3增加绿地面积，对建筑进行垂直绿化，可以减少太阳辐射和平衡建筑外表面以及下垫面间的长波辐射；

3.4 对于夏季晚上还过热的地区，晚上无法利用太阳能，夜间通风也不适宜，则可采用辐射冷却降温。将屋顶部分和辐射散热器一体化设计，白天减少辐射得，夜间利用夜空冷源对媒介冷却，向室内供冷，改善室内热环境。

3.5 在建筑设计时，也应充分考虑全天房间可能得到的长波辐射情况，尽量减少长波辐射得热，改善周边表面的辐射特性，例如多设绿地或采用选择吸收材料。

参考文献：

[1] 刘加平.建筑物理[M]．北京:中国建筑工业出版社，2003．

[2] 章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学(第五版)[M].北京: 中国建筑工业出版社，2007

[3] 王春彦,裔妹,陆烨.屋顶薄层绿化对环境条件的影响[J].西北林学院学报,2010,25(3)：192-195

[4] 李有，施琪.住宅侧墙绿化的降温增湿效应研究.气象与环境科学.2007年2月第1期

[5] 付祥钊.可再生能源在建筑中的应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2009

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。