日間輻射冷卻理論分析

◇攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院 馬瑞華 何 琳 彭久瑤

世界經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對一次能源的需求日益增長，但是由此導(dǎo)致環(huán)境污染、生態(tài)破壞和氣候變暖等全球性的環(huán)境問題。隨著人們對建筑舒適性的要求越來越高，未來的住宅和商業(yè)冷卻需求將大大增加，日間輻射冷卻作為一種新興的冷卻技術(shù)具有很好的發(fā)展前景。本文從理論角度建立日間輻射冷卻的理論模型，為日間輻射冷卻的進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)。

1 引言

能源是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，以煤、石油、天然氣等化石燃料的能源結(jié)構(gòu)極大的促進(jìn)了世界的發(fā)展。當(dāng)前，全球經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對能源的需求日益增長?！禕P世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒（2022）》的報(bào)告指出，目前接近82%的世界能源消耗來自于化石能源，2021年全世界一次能源需求增長5.8%，碳排放量增長5.9%，達(dá)到33.9億噸二氧化碳當(dāng)量。2021年中國的一次能源消耗增長率由2020年的2.1%增長到7.1%，一年的時(shí)間增長了5%，是2012年來的最高增速。2021年中國的能源消耗量居世界第一[1]，占全世界能源總消耗的26.5%（圖1），比美國和印度兩個(gè)國家能源消耗之和還要大，我國已經(jīng)連續(xù)22年成為全世界能源消耗增長的最主要國家，成為世界上最大的能源消費(fèi)國。2021年我國能源消費(fèi)總量已達(dá)到52.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤占56%，石油占18.5%，天然氣占8.9%，一次電力及其它能源占16.6%[2]。特別是在環(huán)境問題已成為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會問題的今天，一次能源的使用排放了大量的有害物質(zhì)，導(dǎo)致環(huán)境污染、生態(tài)破壞和氣候變暖等全球性的環(huán)境問題。

圖1 2021年各國世界能源消費(fèi)占世界消費(fèi)的比例

在夏季期間，較高的環(huán)境溫度加上的建筑不隔熱設(shè)計(jì)顯著增加了室內(nèi)空氣溫度。室內(nèi)外建筑環(huán)境過熱對熱舒適、人體健康、制冷能耗、峰值電力需求等都大大增加，特別是空調(diào)行業(yè)的迅速發(fā)展，每年的總消費(fèi)額超過1000億美元[3]。據(jù)預(yù)測建筑在未來的能源消耗中2050年以后冷卻將是主要的能源使用，并將大大超過供暖需求和消耗[4]。有相當(dāng)多的研究預(yù)測了建筑未來的冷卻能源消耗，雖然各種研究所考慮的假設(shè)和邊界條件差異很大，但有一個(gè)共同的結(jié)論：未來的住宅和商業(yè)冷卻需求將大大增加。對2050年的住宅和商業(yè)冷卻需求的預(yù)測顯示，商業(yè)部門的年冷卻能源需求可能在0.9PWh-2.6PWh之間變化，最有可能的值接近1.5PWh。與目前的消費(fèi)量相比，其平均增長幅度接近260%。預(yù)計(jì)2050年住宅建筑最可能的制冷消耗接近5.3PWh，比當(dāng)前的住宅制冷消耗增長了接近780%[5]。每年全球建筑內(nèi)的冷卻會消耗大量的電力，這些能源的消耗約占社會總能耗的10%以上，因此降低建筑的電力消耗對全球能源的消耗尤其是化石能源的消耗將產(chǎn)生重要影響。隨著國家提出“碳達(dá)峰”、“碳中和”戰(zhàn)略，冷卻行業(yè)的節(jié)能減排勢在必行。

2 日間輻射冷卻理論模型

2.1 輻射冷卻理論

輻射冷卻是由輻射換熱引起的一種物理現(xiàn)象，它能將物體的熱量以電磁波的形式散失到太空中，實(shí)現(xiàn)冷卻降溫的效果，具有極大的應(yīng)用價(jià)值[6-8]。輻射是物質(zhì)所固有的屬性，原子內(nèi)部電子的振動或激發(fā)將交替地產(chǎn)生變化的電場和磁場而發(fā)射電磁波，就形成了輻射。大氣層外宇宙空間的溫度接近絕對零度，高層大氣的當(dāng)量黑體溫度也低于地面溫度很多。它們都是理想的冷源，但是大氣層阻礙了地面物體向太空輻射散熱。然而，在8-13μm波段內(nèi)，大氣層中所含二氧化碳、水蒸氣的吸收率很小，穿透率較大，并且這波段正處于地面物體常溫輻射的遠(yuǎn)紅外區(qū)內(nèi)，此波段的電磁波幾乎能夠不被吸收的穿越大氣層，地面能量可通過這波段輻射到外層空間，所以這波段通常稱為大氣遠(yuǎn)紅外窗口，簡稱大氣窗口[9-11]。地球之外的太空溫度極低，可以將外太空作為收集熱量的容器，地球上的物體通過中紅外波段的熱輻射將其熱量釋放到外層空間，由于這個(gè)波段與大氣窗口（8-13μm）重合，這是大氣具有高透射率的區(qū)域，陸地物體最終可以通過輻射冷卻的過程來冷卻自己。

2.2 輻射冷卻方程

根據(jù)基爾霍夫定律可知當(dāng)一個(gè)黑體溫度大于0K時(shí)，其本身的能量都會不斷的通過熱輻射的方法釋放到環(huán)境中。然而，除了熱輻射外，材料的熱量也會通過傳導(dǎo)和對流來傳遞，因此，在整個(gè)的熱量傳遞過程中存在輻射、對流熱量傳遞。輻射冷卻器的冷卻功率Pcool是 輻射冷卻器發(fā)射功率Pr(Tcool) 與吸收的大氣輻射功率Pa(Ta)、吸收的太陽輻射強(qiáng)度Psun和 對流損失Pconv的函數(shù)如式（1）所示[12]。

式中冷卻器在溫度Tcool下 的發(fā)射功率Pr(Tcool)的計(jì)算如下式所示[13]，

在上面公式中IB表 示黑體在溫度T下的光譜輻射，是冷卻裝置的光譜發(fā)射率，其與材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。

吸收的大氣輻射功率Pa(Ta)如下式所示[14]。

Psun是被輻射冷卻器吸收的太陽強(qiáng)度，可以由下式表示[15]。

對流熱損失Pconv如式（8）所示。

其中，Tcool和 Ta分 別為輻射冷卻器的溫度和環(huán)境溫度。h是由輻射冷卻器與周圍介質(zhì)的對流換熱系數(shù)。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代建筑中空調(diào)的應(yīng)用量越來越多，空調(diào)對一次能源的消耗量越來越大，隨之引起環(huán)境污染等問題，與國家提出的“碳達(dá)峰、碳中和”政策不符合。日間輻射冷卻不消耗電力能源就能實(shí)現(xiàn)冷卻功能，真正實(shí)現(xiàn)零碳排放。本文分析了日間輻射冷卻的原理，建立了日間輻射冷卻的能量傳遞關(guān)系，冷卻功率與輻射冷卻器發(fā)射功率、吸收的大氣輻射功率、吸收的太陽輻射強(qiáng)度和對流損失有關(guān)，為進(jìn)一步分析日間輻射冷卻提供幫助。