透射型輻射制冷膜對(duì)冷飲柜降溫節(jié)能模擬分析

夏海賓,馮海燕,呂銀燕,許偉平,徐靜濤

(1.湖杭鐵路有限公司，浙江 杭州 310000;2.寧波瑞凌新能源材料研究院有限公司，浙江 寧波 315500；3.寧波瑞凌新能源科技有限公司，浙江 寧波 315500)

隨著我國(guó)及全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民對(duì)食品的品質(zhì)需求日益增長(zhǎng)，促使全球冷鏈技術(shù)不斷發(fā)展完善，同時(shí)冷鏈所造成的環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)重。在冷鏈的所有環(huán)節(jié)中，終端設(shè)備冷凍冷藏產(chǎn)生的耗能以及碳排放在整個(gè)冷鏈的50%以上[1]，因此對(duì)終端設(shè)備(如無(wú)人售貨冷柜)進(jìn)行節(jié)能改造以提升其能效對(duì)節(jié)能減排具有重要意義。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人售貨冷柜等商用冷柜的數(shù)量不斷攀升。而商用冷柜卻普遍存在能耗普遍較高的問(wèn)題，其節(jié)能設(shè)計(jì)存在較大改進(jìn)空間[2]。冷柜的節(jié)能設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱特性的控制，目前通常采用較好的保溫材料隔絕外界得熱，對(duì)于商用冷柜，為方便物品展示，通常有部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用玻璃，如冷藏柜，冷飲柜等，尤其是冷飲柜，同時(shí)，為吸引消費(fèi)者、促進(jìn)飲品銷售，有大量冷飲柜放置于戶外，而冷飲柜的玻璃的傳熱性能，對(duì)冷飲柜的能耗情況具有重要影響[3-4]。為減少玻璃結(jié)構(gòu)得熱、降低空調(diào)制冷能耗，目前市面上冷飲柜的透明玻璃結(jié)構(gòu)多采用中間充入氬氣(Ar)或氪氣(Kr)等惰性氣體的雙Low-e中空玻璃[5]。Low-e玻璃對(duì)波長(zhǎng)在4.5～25 μm范圍內(nèi)的遠(yuǎn)紅外具有較高的反射率，可以將大部分遠(yuǎn)紅外輻射反射出去，其表面發(fā)射率低于0.25，阻隔了外部長(zhǎng)波輻射傳入，抑制了外部熱量向內(nèi)傳導(dǎo)，達(dá)到節(jié)能保溫的作用[6-10]。但另一方面，也阻隔了內(nèi)部長(zhǎng)波輻射向外傳播，抑制了內(nèi)部熱量向外傳導(dǎo)。因此，在冷飲柜制冷設(shè)備停用狀態(tài)下，受Low-e中空玻璃光學(xué)性能的影響，冷藏室內(nèi)部熱量無(wú)法傳遞至外界環(huán)境中，內(nèi)部溫度超過(guò)保溫材料(如聚氨酯泡沫等)的形變限定溫度(穩(wěn)定性測(cè)試溫度80 ℃[11])，材料變形導(dǎo)致柜體損壞無(wú)法繼續(xù)使用。

近年來(lái)，隨著輻射制冷技術(shù)的研究及發(fā)展，具有選擇性光學(xué)特性的透射型輻射制冷材料已廣泛應(yīng)用于建筑玻璃結(jié)構(gòu)外表面，具有高選擇性發(fā)射率的材料通過(guò)大氣窗口將中紅外電磁波傳入外太空[12-21]；Zhitong Yi等人[21]在透射型輻射制冷材料降溫試驗(yàn)研究中取得了最大溫差為21.6 ℃的成果。透射型輻射制冷薄膜(下稱：透射膜)是一種由柔性聚酯和二氧化硅微球制成的輻射制冷超材料[13]，其可見光波段透射率和中紅外波段發(fā)射率光譜曲線如圖1所示，從圖中可以得出透射膜在可見光波段的透射率為0.710；中紅外波段的半球發(fā)射率為0.852，8～13 μm大氣窗口發(fā)射率0.920。

圖1 透射膜光譜性能

本文以實(shí)體冷飲柜為例，采用Energyplus全建筑能耗模擬軟件，模擬分析透射型輻射制冷材料應(yīng)用于冷飲柜玻璃結(jié)構(gòu)外表面后柜體內(nèi)部溫度及冷飲柜制冷能耗變化。

1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 數(shù)學(xué)模型

冷飲柜玻璃門表面?zhèn)鳠釘?shù)學(xué)模型如式(1)所示[16]

qradA+K(Ts-Tm)=qatmA+qcon,outA+qsunA

(1)

式中qrad——輻射制冷膜的輻射量;

K——冷飲柜玻璃門一半的熱導(dǎo)率;

Tm——冷飲柜玻璃門結(jié)構(gòu)的平均溫度;

qatm——大氣輻射量;

qcon,out——室外空氣與輻射制冷的對(duì)流換熱量;

qsun——輻射制冷膜吸收的太陽(yáng)輻射量;

A——冷飲柜玻璃門表面面積。

式(1)中qrad由半球積分得出，如式(2)所示[16]

(2)

式中εfilm——輻射制冷膜的發(fā)射率。

1.2 模型建立

Energyplus是一款全建筑能耗模擬軟件，其負(fù)荷計(jì)算模塊采用傳遞函數(shù)法、熱平衡法和熱網(wǎng)格法模擬計(jì)算建筑窗、墻結(jié)構(gòu)負(fù)荷變化；窗玻璃的太陽(yáng)輻射得熱通過(guò)設(shè)置其反射率和發(fā)射率等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[22]。本文采用Energyplus 8.7版本對(duì)冷飲柜內(nèi)部溫度和能耗進(jìn)行模擬計(jì)算。

參照實(shí)體冷飲柜實(shí)際尺寸(0.66 m長(zhǎng)、0.58 m寬、2.04 m高)，繪制三維幾何結(jié)構(gòu)模型，并按燈箱、冷藏室、空調(diào)機(jī)組對(duì)冷飲柜進(jìn)行分區(qū)，分為3個(gè)熱區(qū)域(Thermal Zone)。如圖2所示，Thermal Zone 1為燈箱熱區(qū)，Thermal Zone 2為冷藏室熱區(qū)，Thermal Zone 3為空調(diào)機(jī)組熱區(qū)。模擬過(guò)程中依據(jù)不同類型的柜體玻璃，將分為3個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算。工況1：雙Low-e中空玻璃；工況2：雙Low-e中空玻璃外貼透射型輻射制冷膜(下稱：雙Low-e中空玻璃+透射膜)；工況3：雙層中空白玻璃外貼透射型輻射制冷膜(下稱：雙層中空白玻璃+透射膜)。此外，溫度及能耗模擬計(jì)算中又分為負(fù)載和空載工況分別模擬計(jì)算。

圖2 冷飲柜實(shí)體圖(左)和Energyplus冷飲柜三維模型(右)

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

冷飲柜柜體不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)由外殼和保溫材料構(gòu)成，其中外殼為不銹鋼板，保溫材料為硬質(zhì)聚氨酯泡沫，圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)如表1所示。表1為不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)[5]。

表1 不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)[4]

冷飲柜柜門的典型結(jié)構(gòu)由中間填充氬氣(Ar)的雙Low-e中空玻璃或雙層中空白玻璃構(gòu)成，玻璃結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中玻璃1/2分別表示雙層玻璃的外側(cè)/內(nèi)側(cè)玻璃。單片Low-e中空玻璃或白玻璃的相關(guān)物理參數(shù)如表2所示，透射膜的具體光學(xué)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖3 玻璃結(jié)構(gòu)示意

表2 玻璃性能參數(shù)

表3 透射膜光學(xué)參數(shù)

負(fù)載工況下模擬計(jì)算溫度和能耗時(shí)，冷藏室內(nèi)飲品罐表面積按0.034 m2/瓶計(jì)算，飲品的比熱容與密度采用水的比熱容和密度，其中水的比熱容為4 200 J/(kg·K)，水的密度為1 000 kg/m3。能耗模擬計(jì)算過(guò)程中，制冷溫度設(shè)定8 ℃，cop設(shè)定1.01[23]。

氣象參數(shù)采用深圳地區(qū)(屬夏熱冬暖地區(qū)，東經(jīng)114.1°，北緯22.5°)典型年氣象數(shù)據(jù)[24]并導(dǎo)入模擬軟件進(jìn)行仿真模擬。圖4為深圳地區(qū)典型年太陽(yáng)總輻射(左)和干球溫度(右)全年變化情況。

圖4 深圳地區(qū)典型年瞬時(shí)太陽(yáng)輻射(左)和干球溫度(右)

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 溫度模擬結(jié)果

2.1.1 冷飲柜空載狀態(tài)下內(nèi)部溫度

將冷飲柜玻璃門置于東(a)、南(b)、西(c)、北(d)四個(gè)朝向模擬計(jì)算冷藏室內(nèi)部溫度，冷藏室空載時(shí)內(nèi)部逐時(shí)溫度模擬計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，空載狀態(tài)下，冷飲柜玻璃門朝東/西/北時(shí)，冷藏室內(nèi)部溫度主要變化規(guī)律為夏季、秋季高，春季、冬季稍低；而冷飲柜玻璃門朝南時(shí)，冷藏室內(nèi)部溫度主要變化規(guī)律為冬季偏高，春季、夏季、秋季相對(duì)偏低。

圖5 空載狀態(tài)下玻璃門不同朝向柜體內(nèi)部逐時(shí)溫度變化

根據(jù)上述規(guī)律，將選取每個(gè)朝向最高溫的發(fā)生日進(jìn)一步分析不同玻璃工況下冷藏室內(nèi)部溫度的變化，如圖6所示。工況1朝南時(shí)冷藏室內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在冬季12月29日15:00，可達(dá)97.6 ℃；一方面是由于工況1表面太陽(yáng)光反射率和紅外半球發(fā)射率均低于工況2和工況3，致使冷藏室內(nèi)獲得的輻射熱量較多；另一方面是由于冬季太陽(yáng)高度角較小，導(dǎo)致冷飲柜柜體通過(guò)玻璃門獲得熱量相比于其它3個(gè)朝向較多。此時(shí)工況2內(nèi)部溫度為73.7 ℃，相比于工況1/工況3降低23.9 ℃/5.7 ℃。

圖6 不同玻璃工況下冷藏室內(nèi)部逐時(shí)溫度

工況1朝東/西時(shí)冷藏室內(nèi)最高溫度86 ℃/92.5 ℃出現(xiàn)在9月17日/8月30日，冷藏室內(nèi)溫度依舊很高且僅次于朝南時(shí)內(nèi)部溫度峰值；此時(shí)工況2朝東/西的內(nèi)部最大溫度為67.5 ℃/73.3 ℃，相比于工況1降低18.5 ℃/19.2 ℃，相比于工況3降低5.6 ℃/4.2 ℃。

當(dāng)玻璃門朝向向北時(shí)冷藏室內(nèi)最大溫度出現(xiàn)在7月10日，此朝向下工況2比工況1/工況3低6.4 ℃/0.3 ℃。透射型輻射制冷膜應(yīng)用于冷飲柜雙Low-e中空玻璃或雙層白玻璃后，冷藏室內(nèi)部溫度有明顯改善。

2.1.2 負(fù)載狀態(tài)下內(nèi)部溫度模擬

冷藏室內(nèi)有飲品的狀態(tài)下，選取工況1和工況2進(jìn)行對(duì)比，內(nèi)部溫度模擬計(jì)算結(jié)果如圖7所示。圖中(a)、(b)、(c)、(d)表示東、南、西、北四個(gè)朝向。

圖7 負(fù)載狀態(tài)下玻璃門不同朝向柜體內(nèi)部逐時(shí)溫度變化

模擬計(jì)算結(jié)果顯示，負(fù)載狀態(tài)下，在各朝向情況下，柜內(nèi)最高溫度均低于空載狀態(tài)下相同朝向的柜內(nèi)最高溫度。冷飲柜玻璃門朝向?yàn)闁|/西/北時(shí)，冷藏室內(nèi)部溫度總體變化規(guī)律為夏季、秋季高，春季、冬季低；而同一時(shí)刻工況2內(nèi)部最高溫比工況1內(nèi)部最高溫低5.5 ℃/5.5 ℃/3 ℃；冷飲柜玻璃門朝向?yàn)槟蠒r(shí)，工況1冷藏室內(nèi)部溫度最高可達(dá)49.2 ℃，同一時(shí)刻工況2冷藏室內(nèi)部溫度最高達(dá)42.6 ℃；相比于未應(yīng)用透射型輻射制冷膜的工況，負(fù)載狀態(tài)下冷飲柜玻璃門表面應(yīng)用透射型輻射制冷膜后內(nèi)部溫度可降低6.6 ℃。負(fù)載狀態(tài)下受負(fù)載熱容、密度影響冷藏室內(nèi)部溫度最大值遠(yuǎn)低于空載狀態(tài)下冷藏室內(nèi)部溫度的最大值。

2.2 能耗模擬

冷藏室內(nèi)部溫度模擬結(jié)果顯示，冷飲柜玻璃門向南時(shí)瞬時(shí)溫度最高，因此冷飲柜的能耗分析，選取玻璃門朝南的典型工況下，對(duì)空載狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)分別進(jìn)行瞬時(shí)冷負(fù)荷的分析。

2.2.1 空載狀態(tài)下瞬時(shí)冷負(fù)荷

在空載條件下，根據(jù)計(jì)算得到的冷飲柜瞬時(shí)冷負(fù)荷的變化情況，工況1、工況2、工況3每月最大瞬時(shí)冷負(fù)荷模擬計(jì)算對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同工況下每月最大瞬時(shí)冷負(fù)荷對(duì)比/W

模擬計(jì)算結(jié)果顯示，冷飲柜內(nèi)部瞬時(shí)冷負(fù)荷最大值出現(xiàn)在12月，主要是由于冬季太陽(yáng)高度角較低，玻璃門朝向?yàn)槟蠒r(shí)透過(guò)玻璃進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射較多，導(dǎo)致內(nèi)部溫度較高。圖8結(jié)果顯示，雙Low-e中空玻璃應(yīng)用透射型輻射制冷膜后最大瞬時(shí)冷負(fù)荷由313.8 W降至224.5 W，顯著降低了制冷設(shè)備裝機(jī)容量。透射型輻射制冷膜應(yīng)用于雙層中空白玻璃后，冷飲柜內(nèi)瞬時(shí)冷負(fù)荷最大值低于雙Low-e中空玻璃工況的瞬時(shí)冷負(fù)荷最大值。

2.2.2 負(fù)載狀態(tài)下能耗變化

在負(fù)載狀態(tài)下，即冷飲柜內(nèi)放入飲品后能耗模擬計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同工況下冷飲柜能耗對(duì)比

從圖9中可以看出，透射型輻射制冷產(chǎn)品應(yīng)用于雙層Low-e中空玻璃后，每月能耗降低6.8～12.1 kWh，應(yīng)用于雙層白玻璃后，其每月能耗相比于Low-e中空玻璃仍偏高0.5～9.1 kWh。分析可知，透射型輻射制冷膜應(yīng)用于雙層白玻璃后能耗仍高于雙層Low-e玻璃情況，主要是由于雙層白玻璃的內(nèi)層玻璃紅外半球發(fā)射率在0.84左右，對(duì)遠(yuǎn)紅外熱輻射的反射率較低，熱阻隔效果低于雙層Low-e中空玻璃，導(dǎo)致其能耗高。雙層Low-e中空玻璃應(yīng)用透射型輻射制冷膜后全年空調(diào)能耗降低11.6%，其中4～10月份空調(diào)能耗降低9.2%，能耗降低顯著。

2.3 應(yīng)用后改善分析

冷飲柜內(nèi)部采用聚氨酯(PU)泡沫作為保溫材料，聚氨酯泡沫尺寸穩(wěn)定性性能指標(biāo)[11]，要求在溫度80 ℃條件下48 h內(nèi)形變小于等于2%。

冷飲柜雙Low-e中空玻璃門表面應(yīng)用透射型輻射制冷膜后，空載狀態(tài)下不啟用空調(diào)，冷藏室內(nèi)部最高溫度可低至73.7 ℃。相比于未應(yīng)用透射型輻射制冷膜的Low-e中空玻璃門工況降低23.9 ℃。因此，應(yīng)用透射型輻射制冷膜后內(nèi)部保溫材料可大幅度降低因高溫引起的熱膨脹風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

本文依據(jù)實(shí)體冷飲柜建立Energyplus模型，以深圳地區(qū)氣象條件為例進(jìn)行模擬分析，對(duì)比應(yīng)用透射型輻射制冷膜前后的溫度和能耗差異，可得出以下結(jié)論：

(1)夏熱冬暖地區(qū)，空載狀態(tài)下，冷飲柜雙層Low-e中空玻璃門外表面應(yīng)用透射型輻射制冷膜后柜內(nèi)溫度最大值降低23.9 ℃，全年最大瞬時(shí)冷負(fù)荷由313.7 W降至224.5 W；負(fù)載狀態(tài)下，應(yīng)用透射型輻射制冷膜后全年空調(diào)能耗由917 kWh降至810.7 kWh，節(jié)能率達(dá)11.6%，4～10月份空調(diào)能耗降低9.2%；

(2)冷飲柜玻璃門采用雙層中空白玻璃外貼透射型輻射制冷膜后其能耗仍高于采用雙層Low-e中空玻璃結(jié)構(gòu)；

(3)冷飲柜雙Low-e中空玻璃門外表面應(yīng)用透射型輻射制冷膜后，可有效降低柜體保溫材料的膨脹風(fēng)險(xiǎn)。