典型天气条件下辐射制冷换热模型分析

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1、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，建立了三种典塑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，使地而上的物体透过8〜13pm这一大气“窗口"，以红外辐射丿j式来实现自然冷却的辐射制冷力法，成为近年来国内外热能领域研究的重耍课题。辐射制冷应用于没有

2、空调的建筑物匕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，冃前单位而积的辐射制冷功率可达40〜50W/n?,最大温差可达15°C左右⑴。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Z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，把地血上的热能以8〜13pm波长的电磁波形式，穿过大气层向外

3、层空间的低温冷源放热，达到自身冷却的冃的。根据热力学原理，有温并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，这是一个天然的乜大冷源。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，就可以达到致冷的口的。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，己从太阳能的热利用技术中引起广泛的注意。近十年來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⑵。尽管外层空间接近丁•绝对零度，地球被厚厚的人气层所覆盖，阻碍了地

4、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，人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山地穿透大气层，气象学上把这些区间称为人气的“窗口在儿个大气“窗口"当中，人们感兴趣的是8〜13

5、im这一波段，因为常温下黑体(20-50°C)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⑷，因此，大气在这个波段内的透明

6、度很高。地而上的辐射可以直接透过8〜13呵这一段的大气傭口”进入外层空间，把热星辐射向外太空，从而得到一定程度的冷却效果。假设一种材料在8〜13屮“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暈来源，和当于物体向外发射能量多，吸收能暈少，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LI标就是寻找-•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

7、体周囤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''盖极，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8〜13ym波氏段的辐射要有良好的透射率,而对其余波长辐射的透射率对以要求低一些,但辐射体需具有接近理想的选择性辐射特性，即対大气“窗II”波长段的辐射有很强的辐射能力，而对其余波长段（太阳辐射能集屮0.4〜2.5艸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

8、空下面时，8〜13pm波段外的外界辐射被辐射体反射冋外界，而辐射体木身发射的8〜13pm波M的辐射町以透过盖板向外层空间传递。向外編射的热量人于物体吸收的热量，物体的温度得以降低，达到辐射制冷的口的。（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対8〜13pm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8〜13艸波长段以外的辐射“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8〜13屮“波性段能透过盖板发送到外层空间，达到辐射制冷的冃的。上述两种方法小，目前