基于天空輻射制冷的復合集熱器設計

何宏楊，宋殷樂，江清陽，侯景鑫

(嘉興學院 建筑工程學院，浙江 嘉興 314000)

1 項目背景

目前，我國已經擁有家用空調1億臺，商業空調 120萬臺，空調能耗占全國耗電量的15%左右．夏季用電高峰期，空調用電量甚至達到城鎮總用電量的 40%[1]。由此可見，空調方面的節能降耗，以及研究開發制冷降溫的的新方法、新技術，是刻不容緩的任務，探索研究降低空調能耗的方法已成為新的研究方向。而在我們普通生活中所見到的集熱器一般只能在白天吸收熱量提供熱水，功能單一。因此，我們想到將太陽能集熱與天空輻射制冷結合起來，充分利用夜晚時間，將水降溫，通入室內輔助房間降溫。

太陽能集熱器只能在白天將熱水加熱，晚上閑置；同時占地面積較大，不能將時間、空間充分利用起來。針對現有太陽能集熱器的缺點，本項目利用大氣窗的原理提出了集集熱與集冷于一體的多功能太陽能熱利用裝置。在白天利用太陽能集熱對用戶提供熱水；在晚上利用“大氣窗”，結合天空輻射制冷技術，實現產生冷量的目的。

2 復合集熱器工作原理

2.1 “大氣窗”工作原理

光波輻射通過大氣傳輸時，要受到大氣的吸收和散射。利用高層大氣作為冷源，使地面上物體在不消耗或消耗少量能源的情況下，以輻射換熱的方式，將供冷水箱中的熱量輻射到外太空，實現制冷，稱這種完全以輻射方式將熱量釋放到宇宙空間的制冷方式為輻射制冷[2]。

由科學家對大氣光譜透過特性的分析可知，大氣層對不同波長的電磁波有不同的透射率，透射率較高的波段稱為“大氣窗口”，在3～5 μm大氣窗口的大氣背景輻射佷小；在8～12 μm大氣窗口內10 μm附近的大氣背景輻射較強[3]，常溫下的黑體輻射主要集中在這段，所以8～12 μm波段是我們主要研究波段。

2.2 設計方案

復合集熱器分為上下兩面(如圖 1)，頂面為玻璃蓋板和為白天工作吸熱的太陽能集熱板；底面為夜間工作的輻射制冷板，中間填充保溫材料，兩面是兩套獨立的工作系統。集熱器繞中心軸可180°轉動，靠近中心軸兩端使用軟管分別連接集熱水箱和供冷水箱，并加以水泵進行強制對流。

圖1 集熱板剖面圖

2.3 運行模式

輻射板：是板狀的暖通空調設備，是發出紅外熱輻射的加熱器或者吸收紅外輻射的制冷器。高溫物體向低溫物體以放射紅外線的方式進行熱傳遞這一過程，叫做熱輻射。低溫物體吸收高溫物體的紅外線，稱為冷輻射。

白天工況：集熱水箱工作，具有紅外發射率低特點的選擇性吸收涂層向上，吸收太陽能熱量，對集熱管束加熱，并由玻璃蓋板進行保溫。

夜晚工況：供冷水箱工作，具有對于8～12 μm波段的紅外發射率高的特點的涂層(例如黑漆)向上，通過“大氣窗”向外太空輻射散發熱量，對制冷管束制冷；冷卻水可注入屋頂、地板、墻壁，為房屋降溫。

3 復合集熱器性能估算

輻射制冷量理論分析：為了簡化分析，本分析假設集熱器輻射面為黑體(溫度為300K)。另外假設集熱器輻射面只和高層大氣之間進行輻射換熱(根據相關資料溫度為220K)。按照輻射理論，集熱器輻射面通過大氣窗散熱功率為：

Q=cmΔt

即 Δt=5988÷4.18÷180=8℃

按此功率，假設2 m2的集熱器一晚上工作8 h，1.84 m2的輻射面能產生冷量5988 kJ，可將水箱中180 L的27℃自來水降低8℃，效果顯著。

4 結論

(1)利用建筑物屋頂作為載體，實現熱量和冷量的收集；

(2)結構簡單，成本低，便于大規模推廣；

(3)多功能，將制冷、集熱結合起來。夜間制冷，有效降低建筑空調負荷，從而降低建筑能耗，使人們有舒適涼爽的感覺。