辐射制冷涂料在环网柜上的降温效果测试

姚 硕，刘洪正，徐绍禹，杨荣清，孔祥清

（1.山东电力研究院，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；3.宁波瑞凌新能源科技有限公司，浙江 宁波 315000；4.国网福建省电力有限公司莆田供电公司，福建 莆田 351100；5.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东 淄博 255000）

0 引言

夏季环网柜设备长期超负荷运行发热严重，若散热不及时将会造成热量堆积，影响设备的可靠性和运行稳定性，因此提高环网柜设备的散热降温能力对确保电网的稳定运行具有重要意义［1-5］。目前对设备降温散热的研究主要集中在设计冷却系统、改进设备组件结构、调整箱体构造等方式提升散热能力。但这些方式会增加设备结构的复杂性，提高生产成本，且应用范围和散热能力有限，不能有效解决设备运行中热量堆积问题［6］。

辐射制冷涂料是一种高太阳反射率和红外发射率的功能涂料，能够有效反射太阳光，同时把物体热量以红外辐射形式高效地发射出去，从而达到辐射制冷和降低能耗的目的［7］。使用辐射制冷涂料进行散热，无须改变设备结构，简捷有效，具有经济节能、效果优良、适用范围广泛等优点［8］。我国所研制LJCS-1 型远红外辐射涂料性能好、无毒性，该涂料的发射率达92%，涂层经过60 次冷热循环后无脱落现象，经500 h热处理后，无鼓泡裂纹剥落等现象，涂覆于电加热管后可节电10%～30%左右［9-11］。杨荣贵团队在《Science》上发表的辐射制冷超材料引起了学术界的广泛关注［12］，通过微纳结构设计与尺寸调控电磁波，使得材料表面红外发射率高达94%，可以实现良好的降温效果，同时制得的辐射制冷涂料在建筑降温领域也有较为广泛的应用前景［13］。

虽然辐射制冷涂料的研究较多，但主要应用在建筑物节能和露水收集方面，将其应用在环网柜设备上的降温研究鲜有提及［14-18］。为探究辐射制冷涂料应用于环网柜设备上的降温效果，解决设备的散热问题，对辐射制冷涂料的多种性能进行了测试，并将涂料涂覆在平板试样和环网柜上，探究辐射制冷涂料的实际降温效果。

1 辐射制冷涂料的性能测试

1.1 测试方法

机械性能。将辐射制冷涂料涂覆于马口铁板上，干燥固化后制得辐射制冷涂层。涂层附着力是评价涂层对被涂产品防护效果的关键指标。按照标准GB/T 9286－1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》，采用划格法对辐射制冷涂层的附着力进行分级检测评定。按照标准GB/T 6739－2006《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》，使用组合式铅笔硬度计进行涂层的硬度测试，选用不同硬度的铅笔，测试马口铁板上辐射制冷涂层的硬度。

耐老化性能。将辐射制冷涂料涂覆在100 mm×80 mm 玻璃片上，待完全固化成膜后，将平板试样置于UV-290紫外加速老化试验箱中，在紫外光波长为340 nm，辐照强度为0.5 W/m2、温度为50 ℃条件下进行人工加速老化性能试验。每隔一段时间进行取样，用PS200 精密色差仪测试涂层老化前后色差ΔE的变化。

耐腐蚀性能。根据标准GB 9274—1988《色漆和清漆耐液体介质的测定》，配制3%的NaCl 溶液、3%的NaOH 溶液和3%的H2SO4溶液，将涂覆辐射制冷涂料的3 个同样尺寸的马口铁样片分别浸泡在3 种溶液中，静置168 h，取出观察涂层表面是否起泡、起皱、脱落、变色。

1.2 性能测试结果

机械性能。采用百格刀按照格阵图形对辐射制冷涂层进行划格，划格深度应穿透整个涂层直至马口铁基材表面。根据涂层的损伤情况，可以判断出辐射制冷涂层与基材的附着力可达到1 级。利用组合式铅笔硬度计负载为750 g时测得涂层硬度为3 H。说明辐射制冷涂层具有良好的机械性能，可以保证涂层在户外不易受到磨损或坚硬物体的破坏，延长涂层的使用寿命。

耐老化性能。在老化试验箱中放置0 号、1 号和2号3个样片，0号样片在试验箱中遮光放置，作为对照标准样片，1 号和2 号作为试验组样片，在老化试验箱中进行紫外灯照射加速老化。紫外光照540 h后，涂层外观变化如图1 所示。由图1 可知，1 号和2号涂层外观在老化540 h 后未出现裂痕、脱落、严重变色、粉化等现象。紫外光照时间对辐射制冷涂层色差的影响如图2 所示。可以看出随着紫外光照时间的延长，1号涂层的色差值呈现先增加后稳定的趋势，但涂层的色差值变化仍小于1.0，2号涂层的色差值基本保持不变。结果表明辐射制冷涂料的耐老化性能优异，可在户外辐照强度高的大气环境中长期发挥作用。

图1 紫外光照540 h后涂层

图2 老化时间对辐射制冷涂层色差的影响

耐腐蚀性能。辐射制冷涂层在3%的碱、盐、酸溶液中浸泡168 h 后涂层外观如图3 所示。在碱和盐溶液中浸泡后，涂层表面未发生明显变化，无起泡、起皱、脱落、变色等现象发生。但在酸溶液中浸泡后涂层表面有微小气泡产生，在干燥的环境中放置一段时间后，气泡消失，这可能是由于在样片制备涂覆过程中局部存在微小缺陷，导致溶液从缺陷处缓慢渗入而出现微小气泡。根据以上试验结果可知，辐射制冷涂层具有良好的耐腐蚀性能。因此，辐射制冷涂层可以有效抵抗大气环境中不同的腐蚀介质，应用于环网柜设备上可发挥一定的防护作用，广泛适用于不同的大气环境中。

图3 辐射制冷涂层在不同溶液中浸泡168 h外观

2 辐射制冷涂料的降温效果测试

2.1 降温效果测试方法

为测试辐射制冷涂料的降温效果，采用两种测试方法：红外热像仪测试和温度自记仪实时检测。红外热像仪可以将温度转换为可见的图像，更加直观清晰。与未涂覆涂料的空白样片对比，将辐射制冷涂料涂覆在玻璃和马口铁两种基材上，使用LCS-312 红外热像仪测试辐射制冷涂料的降温效果。使用WYZ-1 温度自记仪分别记录相邻位置空白环网柜和涂料环网柜的温度。在两环网柜相对应位置上设置3 个温度检测点，分别为环网柜顶部外表面、顶部内表面以及环网柜内部空气温度，如图4 所示。计算两个环网柜相对应位置的温度差值，获得辐射制冷涂料在户外环境中环网柜上的实际降温效果数据。

图4 环网柜测温点

2.2 测试结果分析

利用红外热成像仪测试的辐射制冷涂层的热像图如图5 所示。图5（a）为玻璃基材表面涂层的降温效果对比，左侧为空白样片，右侧为涂覆辐射制冷涂料的试验样片，可以看出在玻璃基材表面涂覆辐射制冷涂料后，表面温度可降低2.2 ℃。图5（b）为马口铁基材表面涂层的降温效果对比，左侧为空白马口铁板，右侧为涂覆辐射制冷涂料的马口铁板，根据图中测温点的温度可知涂覆辐射制冷涂料后马口铁表面平均温度降低了3.2 ℃，降温效果显著。图5（c）和（d）分别是空白环网柜和涂料环网柜，空白环网柜的表面平均温度为42.0 ℃，而涂料环网柜表面的平均温度为33.5 ℃，相比于空白环网柜降低了8.5 ℃，而在两环网柜相应通风口处温度分别为38.1 ℃和31.9 ℃，温差为6.2 ℃，降温效果优异。

图5 不同基材表面的热像图

为了更加精确掌握涂覆和未涂覆辐射制冷涂料环网柜的降温效果和降温规律，对两个相邻位置涂覆和未涂覆辐射制冷涂料的环网柜运行中温度变化情况分别进行连续记录，分别检测环网柜顶部外表面、顶部内表面和柜体内部空气的温度，选取了其中一周的记录数据，如图6所示。

由图6（a）可知，与空白环网柜顶部外表面相比，涂料环网柜的降温效果十分显著，最大温差可达到30.9 ℃；由图6（b）和（c）可知，对比涂料环网柜与空白环网柜顶部内表面和内部空气温度，最大温差分别为21.5 ℃和13.5 ℃，也展示了优良的降温效果。同时从图6 也可以看出，在夜间时段，辐射制冷涂料的降温效果并不明显，而在日间时段太阳辐照强度大、温度高时，降温效果显著。这主要是因为辐射制冷涂料对太阳辐射热有良好的发射能力，在物体温度较高时，及时高效地将热量发射到外部空间给物体降温［19-20］。综上可知，在环网柜表面应用辐射制冷涂料，可以起到十分显著的辐射降温作用，降低设备能耗。

图6 空白环网柜与涂料环网柜不同位置的温度变化对比

为进一步解释辐射制冷涂料的降温效果，分别用带积分球的紫外—可见—红外分光光度计和傅里叶变换红外光谱仪对涂料在太阳光（波长0.3～2.5 μm）和中远红外（波长2.5～25 μm）区域的光谱性能进行了表征，结果如图7所示。

图7 辐射制冷涂料发射率

从图7 中可以看出，涂料在可见光波段对太阳光反射率高达92.5%，在“大气窗口”处平均发射率高达96.2%。这主要是由于在涂料制备过程中添加了高太阳光反射率和红外发射率的无机颜填料粒子，可以将辐射在涂层表面的部分太阳光反射出去，降低设备对太阳辐射热量的吸收［21］。根据基尔霍夫定律，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等于其发射率，即物体的吸收能力高，发射能力一定强，反之亦然［22］。在8～13 μm“大气窗口”波段，涂料中高发射率的颜填料粒子所吸收能量较高，可以将热量以红外辐射的形式透过大气层吸收能力较弱、透明度高的“大气窗口”波段高效发射到外部空间，从而实现良好的降温效果。

3 结语

通过对辐射制冷涂料的机械性能、耐老化性能、耐腐蚀性能以及实际降温效果进行测试，验证辐射制冷涂料具有优异的机械性能、耐老化性能以及耐腐蚀性能，可以有效适用于户外不同的大气环境中，耐久性良好。在“大气窗口”处有高达96.2%的发射率，在太阳光波段的反射率为92.5%。辐射制冷涂料以高的发射率将热量发射到外部空间，同时反射在物体表面的太阳辐射，获得显著的降温效果。

辐射制冷涂料在环网柜上实现了优良的降温效果，可以根据实际需要在输变电设备上应用辐射制冷涂料，以满足设备的降温节能需求，延长设备的使用寿命，为输变电设备的稳定运行提供保障。