建筑物辐射制冷研究

　　0 引言

　　目前,我国已经拥有家用空调1亿台,商业空调120万台,空调能耗占全国耗电量的15%左右.夏季用电高峰期,空调用电量甚至达到城镇总用电量的40%^[1].由此可见,空调方面的节能降耗,以及研究开发制冷降温的新方法、新技术,是刻不容缓的任务,探索研究降低空调能耗的方法已成为新的研究方向^[2-3].

　　自然界中凡是有温差的地方,就有热量自发地从高温物体传向低温物体,或从物体的高温部分传向低温部分.地球大气层外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要低得多,对流层的温度几乎随高度直线下降,到对流层顶时约为220K^[4].利用外宇宙空间或高层大气作为冷源,使地面上的物体以辐射换热的方式,在不消耗或消耗少量能源的情况下,把不需要的热量辐射到外太空,就可以达到制冷的目的.通常把这种完全以辐射方式将热量释放到宇宙空间的制冷方式称为辐射制冷.本文将设计一种利用选择性透明盖板的辐射制冷器.

　　1 辐射制冷的原理

　　1.1 大气窗口的概念

　　科学家对地球大气层的光谱透射特性进行了分析研究,图1是红外辐射在海平面传输通过20km水平路程后测得的光谱透射曲线^[4],图1的下部标出了水蒸气、二氧化碳和臭氧分子所造成的各个吸收带.由图1可见,大气层对不同波长的辐射有不同的透过率.在透过率较高的区间,该波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”.大气层的光谱透过特性主要由大气层中的水蒸气、二氧化碳和臭氧决定,它们含量的变化会引起透过率的变化,但透射光谱的分布却是变化不大的.

　　1.2 辐射制冷理论分析

　　如前所述,以热力学观点来看,外层空间可以近似地看成一个绝对温度为零的黑体,若在大气层外设一个温度T=300K的黑体(遮住直射的太阳光),则它将逐渐冷却下来.根据斯蒂芬定律,可近似算出其单位面积的辐射功率

　　通过前面的分析,在地面上发出的红外辐射,常温下能透过大气层到外层空间的辐射波长主要集中在8~13.5Lm这一段,在此范围内单位面积的辐射功率为

　　假若地面上的物体只和高层大气之间通过辐射散热,大气对流层顶端温度约为220K,则按照上述方法计算可得

　　而在8~13.5Lm范围内辐射功率应为113W.如果在辐射体表面涂一层选择性涂层,其辐射特性曲线如图2所示,图2中纵坐标为光谱辐射率.具有了理想选择性光谱特性涂层的辐射体和天空的辐射换热也就被限制在了8~13.5Lm波段内(如图3所示),图3中曲线1,曲线2和曲线3分别代表了理想辐射体的温度在T1,T2,T3时(T1<T2<T3)辐射功率与波长的关系.由图3可以看出,即使是理想辐射体的温度降到了T3,它仍然只发射热辐射而没有辐射收益,也就是说它仍然会继续冷却.