被動式供冷與輻射制冷技術(shù)

1、建筑節(jié)能與空調(diào)被動式供冷與輻射制冷技術(shù)孟華,龍惟定(同濟(jì)大學(xué)樓宇設(shè)備工程與管理系,上海200092摘要:介紹了被動式供冷的原理以及被動式供冷系統(tǒng)的分類,特別介紹了其中新興且日益發(fā)展的輻射供冷技術(shù)的原理及應(yīng)用,指出被動式供冷是節(jié)能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的制冷技術(shù),應(yīng)大力開發(fā)使用。關(guān)鍵詞:被動式供冷;輻射制冷;節(jié)能中圖分類號:TU111.19文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:100527439(20030320113203Passive Cooling and R adiative CoolingMENG H u a,LONG Wei2ding(Department of facility engineering

2、and management,Tongji University,Shanghai200092,China隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對居室環(huán)境舒適性的要求越來越高,空調(diào)技術(shù)也在這種需求下隨著各種新技術(shù)的不斷運(yùn)用而日益得到長足發(fā)展。但是,當(dāng)空調(diào)在為人們營造舒適環(huán)境的同時(shí),也帶來了能源和環(huán)境等問題:我國采暖總能耗已占到全國建筑總能耗的85%,一般民用建筑如酒店、辦公樓、醫(yī)院等,空調(diào)能耗也已占50%以上1;空調(diào)的普及促進(jìn)了電力消費(fèi),電力的發(fā)展又伴隨著廢氣排放、溫室效應(yīng)和酸雨等問題,同時(shí),空調(diào)機(jī)的制冷劑(CFCs還會對大氣臭氧層造成破壞;暖通空調(diào)不僅是耗能大戶,也是溫室效應(yīng)、環(huán)境問題的主要

3、貢獻(xiàn)者。因此,在空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)提倡節(jié)能、保護(hù)地球環(huán)境等可持續(xù)發(fā)展的做法已日益迫切。1被動式供冷在空調(diào)領(lǐng)域內(nèi),低能耗的供冷技術(shù)成為重要課題,從自然環(huán)境中直接得到冷量、不消耗或少消耗一次能源的被動式供冷技術(shù)(Passive cooling在國內(nèi)外科技界得到廣泛研究2,3。被動式供冷系統(tǒng)利用自然界中本來就存在的制冷循環(huán)或利用天然物質(zhì)作為制冷劑,與現(xiàn)有空調(diào)技術(shù)相結(jié)合,既節(jié)約能源又沒有污染,符合當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展的趨勢,因此這種古老的方式在新技術(shù)的裝備下重又煥發(fā)勃勃生機(jī),成為當(dāng)代空調(diào)發(fā)展的重要方向。1.1被動式供冷的原理所謂被動式供冷,就是科學(xué)地利用自然條件(但并不排除風(fēng)機(jī)或泵的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)空間溫濕度控制的一種供冷

4、方式。這樣的自然條件包括日較差、室內(nèi)外溫差、室外空氣干濕球溫差等。被動式供冷系統(tǒng)可以作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng),擔(dān)負(fù)建筑的全部熱濕負(fù)荷,也可以與其他類型的空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合,作為輔助系統(tǒng)負(fù)擔(dān)部分熱濕負(fù)荷。這種系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中主要考慮3個(gè)方面的內(nèi)容:盡量減少建筑得熱、有效利用建筑物得熱的調(diào)峰時(shí)滯和合理散熱。1.2被動式供冷系統(tǒng)的種類被動式供冷系統(tǒng)概括起來大致有以下幾類:(1減少建筑得熱的技術(shù)(G ain prevention techniques。節(jié)能型的建筑是減少空調(diào)能耗的重要保證,在進(jìn)行建筑規(guī)劃時(shí),適當(dāng)?shù)慕ㄖx址和建筑形式,減少日光輻射,利用自然風(fēng),可以幫助創(chuàng)造適宜的微氣候。比如,建筑物的選址最好在綠化好、面

5、臨湖泊等濕地的地區(qū)或山谷邊;在建筑周圍和室內(nèi)種植和布置植物,也可美化環(huán)境、凈化空氣和減少陽光輻射,據(jù)報(bào)道,一棵樹每年提供的冷量相當(dāng)于消耗1 2.4MJ電力的人工空調(diào)發(fā)揮的作用。從節(jié)能角度看,建筑物的外形以立方體最好,建311第24卷第3期2003年6月能源技術(shù)EN ER GY TECHNOLO GYVol.24No.3J une2003筑物的方位應(yīng)取南北為主立面。建筑物外墻顏色與其吸收太陽熱輻射的能力密切相關(guān),因此也應(yīng)充分注意。窗的構(gòu)造及窗墻面積比直接關(guān)系到建筑物的保溫性能,遮陽板、屋檐、挑檐、挑陽臺、百葉窗等建筑附件的正確安裝也有利于建筑物少受陽光照射的影響。對于建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu),也應(yīng)充分

6、考慮其熱濕等特性。(2利用自然條件局部供冷(Site cooling。比如在過渡季節(jié),空調(diào)系統(tǒng)最大限度地利用新風(fēng),既可以節(jié)約能量又有利于提高室內(nèi)空氣品質(zhì);采用低而寬的窗戶、設(shè)置“風(fēng)墻”等可以增大風(fēng)速、加強(qiáng)通風(fēng)效果;冬季可以利用冷卻塔獲得冷水來供建筑物內(nèi)區(qū)冷卻4;夏季可利用地道風(fēng)、井水和河水等降溫。(3地?zé)峁├?Earth cooling。根據(jù)溫度的高低進(jìn)行分類,地?zé)豳Y源可分三類:溫度高于150的屬于高溫地?zé)豳Y源,溫度處于90150之間的是中溫地?zé)豳Y源,而溫度低于90的是低溫地?zé)豳Y源;高溫地?zé)峥捎糜诎l(fā)電,而低溫地?zé)嵊糜谧≌⑸虡I(yè)和工業(yè)等方面的采暖和制冷較經(jīng)濟(jì)合理。地源熱泵(GSHP就是以地?zé)嶙鳛?/p>

7、熱泵裝置的熱源或熱匯來對建筑進(jìn)行采暖或制冷的技術(shù),其應(yīng)用在國外已非常廣泛。因?yàn)榈責(zé)豳Y源溫度穩(wěn)定、供熱質(zhì)量高,其中地?zé)岵膳嫉谋壤畲?地源熱泵在空調(diào)制冷界日益受到廣泛關(guān)注。(4大氣層供冷(Sky cooling。它包括晚間輻射供冷以及其他一些利用大氣層輻射進(jìn)行供冷的技術(shù),后面將詳細(xì)論述。(5蒸發(fā)冷卻(Vapor cooling。這是一種利用水與空氣之間的熱濕交換實(shí)現(xiàn)制冷的方式:使水與空氣直接接觸,水在蒸發(fā)過程中吸收熱量,并在焓值不變的情況下和空氣進(jìn)行熱濕交換,其結(jié)果是水與空氣的溫度都降低,空氣的含濕量增加。直接利用這種含濕冷空氣的方式稱為直接蒸發(fā)冷卻(DEC;這種利用濕冷空氣冷卻水媒,再用水

8、媒冷卻空氣的方式稱為間接蒸發(fā)冷卻(IEC。在干燥和比較干燥的地區(qū),應(yīng)用蒸發(fā)冷卻技術(shù)完全可以滿足室內(nèi)舒適性要求;非干燥地區(qū)也能在一定范圍內(nèi)采用。(6通風(fēng)冷卻(Ventilation cooling。這是一種利用空氣對流帶走熱量的技術(shù)。比如晚間通風(fēng)技術(shù)利用天然的日較差現(xiàn)象,在夜間組織全面通風(fēng),對建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)及室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行充分冷卻,利用建筑物的熱容量使建筑物內(nèi)部在全天維持較低氣溫。晚間通風(fēng)技術(shù)不僅具有被動式供冷的全部優(yōu)點(diǎn),而且因大量換氣,有效地解決了室內(nèi)環(huán)境問題,對于室內(nèi)得熱量較小(1520W/m2的建筑,可以基本滿足人們的舒適性要求。晚間通風(fēng)與其他方法相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合式系統(tǒng),則可以更廣泛地用于商業(yè)

9、及民用建筑中;將晚間通風(fēng)與蒸發(fā)冷卻技術(shù)例如屋頂蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)相結(jié)合,在晚間采用風(fēng)機(jī)驅(qū)動,先使室外風(fēng)經(jīng)過間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行預(yù)冷,還可降低送風(fēng)溫度,增加建筑物的蓄冷量,用于民宅有時(shí)完全可替代常規(guī)制冷;晚間通風(fēng)與相變蓄冷技術(shù)相結(jié)合,利用相變潛熱蓄積晚間通風(fēng)所得冷量可承擔(dān)建筑物日間的全部或部分冷負(fù)荷。(7蓄能制冷(Flywheel cooling。許多天然物質(zhì)自身具有一定的蓄冷、蓄熱能力,若能合理利用,就可降低空調(diào)負(fù)荷,這方面的蓄冷技術(shù)包括建筑蓄冷、地下含水層蓄冷等。建筑蓄冷以建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身作為蓄冷體,利用建筑材料或室內(nèi)物品的熱容量蓄存或釋放冷量,或者用儲存在建筑物中某些物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)的潛熱變化來蓄

10、存或釋放冷量。最簡單實(shí)用的方法是利用水作相變材料,例如美國有人利用水作相變材料,建筑了水深約10cm的屋頂水池,據(jù)稱對峰值下的熱環(huán)境有顯著改善3;巴基斯坦也修筑了體積4125m×4.25m×3.1m的試驗(yàn)房,屋頂水池水深20cm,當(dāng)室外環(huán)境溫度為3545時(shí),室內(nèi)可保持在2131。還有一種方法是用吸濕劑作建筑材料(最好是屋頂,利用吸濕放濕過程中吸濕劑濃度的變化達(dá)到制冷的目的。此外,也可以利用特殊相變材料(PCM進(jìn)行蓄能。地下含水層也是一種很好的蓄能介質(zhì),但如果使用含水層的層次和時(shí)間高度集中,地下水的天然水量來不及彌補(bǔ),則有可能造成地面沉降,因此,近年來普遍采用深井回灌技術(shù)。有

11、數(shù)據(jù)表明:上海地區(qū)的一些單位使用“冬灌夏用”回灌技術(shù)后,夏季空調(diào)用水的平均溫度為1314,降溫約7 9。這樣不僅可提高夏季用水在空氣處理時(shí)的降溫效果,有時(shí)還可以起到使處理空氣減濕的作用。(8太陽能供冷(Sun cooling。我國有2/3的國土每年太陽輻照總量接近或超過6000MJ/m2,豐富的太陽能資源在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用有廣闊天地,將太陽能熱利用產(chǎn)品和建筑節(jié)能設(shè)備合理組合,必將對節(jié)能和環(huán)保做出巨大貢獻(xiàn)。(9文丘里供冷技術(shù)(Venturi cooling。文丘里供冷技術(shù)利用小孔節(jié)流后形成房間局部負(fù)壓誘導(dǎo)室外冷空氣流入房間并帶走熱量。圖1中的穹形建筑就是利用這樣的原理實(shí)現(xiàn)了空氣的“自調(diào)節(jié)”。4

12、11 圖1可實(shí)現(xiàn)“自調(diào)節(jié)”的穹形建筑(10復(fù)合式供冷(Hybrid cooling。指以上各種被動式供冷與常規(guī)供冷相結(jié)合所形成的各種復(fù)合式供冷技術(shù)。2輻射制冷2.1輻射制冷技術(shù)的原理宇宙空間接近絕對零度,外層大氣的溫度也相當(dāng)?shù)?因此對于地表的建筑物來說,天空是一個(gè)天然的巨大冷庫。另一方面,由于水蒸氣、二氧化碳和臭氧的存在,大氣層對不同波長的電磁波有著不同的透射率,透射率較高的波長段稱為“大氣窗口”。大,人們感興趣的是813m這一段,因?yàn)槌叵碌暮隗w輻射能量主要集中在此。夜間從大氣窗口透射到建筑物的輻射功率有限,而建筑物通過813m的大氣窗口向天空輻射的能量較多,使得建筑物在夜間自然冷卻。由于二

13、者最終將達(dá)到動態(tài)平衡,因此,這種自然冷卻方式的制冷量與最低制冷溫度受到一定限制。采用選擇性光譜輻射材料可以加強(qiáng)輻射制冷的效果。假設(shè)建筑物的外墻用某種理想選擇性輻射體制成,其在8 13m波段外反射率為1,而在813m波段內(nèi)輻射率為1,那么它就只在813m內(nèi)吸收和輻射能量,而將813m波段外的輻射全部反射掉,外空間通過大氣窗口透射的熱輻射只有很少部分被建筑物吸收,而建筑物通過813m窗口大量向外空輻射熱量,溫度不斷下降。研究表明,具有這種特性的理想輻射體可以把物體表面的溫度降得比環(huán)境溫度低得多(理想情況下可比環(huán)境溫度低30多。當(dāng)然,天然的選擇性輻射體是不存在的,在高度拋光的鋁板上鍍SiO,在聚氟乙

14、烯上鍍Al等,制成的復(fù)合材料可以有近似的光譜選擇特性。白天,特別是夏季,當(dāng)有太陽照射在建筑物表面時(shí),其吸收的陽光輻射能量遠(yuǎn)大于向外輻射的能量,周圍空氣溫度也很高,在建筑物的上方再加一“透明”蓋板可以防止空氣對流帶來熱量。所謂“透明”是指僅對813m波長的輻射有很高的透過率,它可以反射大量太陽熱輻射,又不影響建筑物向外空輻射熱量。如果進(jìn)一步將“透明”蓋板與光譜選擇性輻射體組合,蓋板在813m波長段外透射率低,同時(shí)光譜選擇性輻射體在813m外也有很高的反射率。當(dāng)這種組合體置于天空下時(shí),813m波段外的外界輻射絕大部分被反射回外界,而輻射體自身發(fā)射的813m波長的輻射卻可以透過蓋板向外層空間傳送,向

15、外輻射的熱量高于物體吸收的熱量,建筑物的溫度可以降得很低。據(jù)報(bào)道,目前已找到了一些不錯的光譜選擇性輻射材料及組合,當(dāng)然與理想的選擇性要求還有不少差距,存在著發(fā)展和突破的空間。如果蓋板的透過選擇性很高,那么可以組成蓋板和黑體的組合,由于蓋板可以有選擇地將大部分813m外輻射過濾掉,輻射體只需有高的輻射率就可以了。據(jù)報(bào)道,意大利和瑞典的科學(xué)家都有過較為成功的研究,但蓋板要達(dá)到嚴(yán)格的光譜選擇性難度較大。輻射制冷的研究時(shí)間雖然還不長,更為理想的選擇性輻射材料還需繼續(xù)尋找,但輻射制冷用于建筑物的被動式降溫已經(jīng)有了明顯意義:對于沒有空調(diào)的建筑物,它可以起一定的降溫作用;而對于已采用空調(diào)的建筑物則能減小供冷

16、負(fù)荷。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,目前單位面積的輻射制冷功率可達(dá)4050W/m2,最大溫差可達(dá)15左右3。2.2輻射制冷技術(shù)的應(yīng)用(1建筑物的被動式降溫。在建筑物的屋頂上覆蓋由選擇性輻射體和透明蓋層組成的輻射制冷裝置。選擇性輻射體與屋頂間留有一定空間,屋頂設(shè)置一些通氣孔,中間的孔內(nèi)裝有排風(fēng)扇。因輻射制冷效應(yīng)而冷卻了的空氣被風(fēng)扇送入房間,屋內(nèi)的熱空氣則順其他通氣孔到達(dá)屋頂,通過輻射體放熱實(shí)現(xiàn)降溫。夜間的降溫效果比較顯著;白天輻射制冷元件可以起隔熱作用。這種形式可用于倉庫、運(yùn)動場館及一些低層民用建筑,起降溫節(jié)能作用。(2蓄冷降溫。通常晚間輻射制冷效果較好,這時(shí)可將晚間制得的冷量以某種介質(zhì)蓄存起來用于白天。這種形式

17、可用于辦公室、學(xué)校等,也可用于一些白天既需要陽光、同時(shí)又需要降溫的農(nóng)作物溫室。(3輻射制冷與太陽能集熱器結(jié)合的系統(tǒng)。如圖2所示的系統(tǒng)中,反射板具有類似理想光譜選擇的特性。太陽光的輻射光譜主要集中在小于4m 的范圍內(nèi),白天反射聚光鏡可將大部分太陽輻射反射聚焦到吸熱管上,加熱管內(nèi)冷水生產(chǎn)熱水或蒸汽供利用。夜間,由于反射板對813m波長的輻射(下轉(zhuǎn)第118頁511圖5電熱地暖系統(tǒng)暖線布置平面示意圖率為1225W,長74m的D TIP218電熱暖線。(2電熱暖線的安裝間距。d=S2L=8.1974=0.11m式中d電熱暖線的安裝間距,mS2可布置電熱暖線的安裝面積(諸如座廁等設(shè)備下面不能布置暖線,m2

18、L所選電熱暖線的長度,m5總結(jié)電熱地暖系統(tǒng)在歐美等發(fā)達(dá)國家已有數(shù)十年的發(fā)展和應(yīng)用歷史,但引進(jìn)到我國的時(shí)間不長,它的使用性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性可能還要在進(jìn)一步研究和實(shí)踐中證實(shí)。盡管如此 ,電熱地暖系統(tǒng)自身一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)以及從用戶和社會角度考慮所帶來的一些好處,以及歐美國家數(shù)十年成功的使用經(jīng)驗(yàn),可以看到其良好的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn):1曉月.超前享受的供暖方式電熱地面供暖J.電氣時(shí)空,2001,(11:22.2王振銘.電采暖應(yīng)進(jìn)行全面的科學(xué)論證J.能源政策研究,2001,(4:27-34.3張錫虎.關(guān)于電熱采暖的思考J.建筑知識,2002,(5:35-37.(上接第115頁圖2輻射制冷與太陽能集熱器結(jié)合的系統(tǒng)有很強(qiáng)的發(fā)射率,因此有很好的輻射制冷效應(yīng),貼在反射板上冷水管內(nèi)的水被冷卻,蓄積的冷量用于降溫。(4降溫型涂料。利用輻射制冷原理制成降溫型涂料,用于建筑物外墻,可降低室內(nèi)溫度,減少空調(diào)能耗。同樣,可制成艦船船殼、甲板的涂料,以及坦克、裝甲車、汽車、火車等的外殼油漆,在烈日下可降溫以減輕其烘烤感覺。(5冷藏箱。由于輻射制冷裝