[科普中国]-辐射冷却

辐射冷却是指物件透过辐射散去热能的过程。在气象学上，天朗气清、微风及干燥的情况下，较有利辐射冷却。物体通过辐射所放出的能量，称为辐射能，简称辐射。

辐射冷却技术与住宅空调经过近三十年的发展, 如今欧洲各国已普 遍采用高舒适度 、低能耗的建筑,成为全世界居住品质最高 、最科学的地区,辐射冷却技术在欧洲大陆已 经得到了实际工程的应用 。该技术取消了传统的空调系统末端装置 ,将交联聚乙烯管预先施工在围护 结构的墙体或楼板中, 在夏季通过降低围护结构的 壁面温度实现房间空调。

我国与欧洲的气候差异欧洲大陆虽然地理纬度偏高, 但由于陆地面积小、紧邻大西洋,内陆又有众多内海 ,因此欧洲的气 候总体上是优点多于缺点,夏季无酷热,冬季少严 寒。西北及中欧的气温特点如下:(1)冬温较高 :西北欧洲沿海各地冬温高于同纬度15 ~20°C，此种情 况由沿海向内陆递减。西北欧洲冬季气温偏高,平 地少有积雪,海不结冰;(2)生长季随高度递减 :因西北欧洲夏季气温不高,气温很容易下降到生长气温 以下;(3)夏季气温普遍偏低:有时还会有寒气流侵 入,6月间可能会出现冬季温度。7月平均气温:巴 黎18. 3℃，布鲁塞尔17. 7℃， 汉堡17. 2℃，柏林 17. 7℃，华沙18. 8 ℃； (4)气温的年较差小。

我国地域广阔 , 冬季南北温差极大。与世界同纬度地区的平均气温相比,1 月份东北地区偏低 10 -18℃，华北地区偏低10 ~ 14℃，长江南岸偏低8 ~ 10℃，东南沿海偏低5℃，而7月份各地平均温度偏 高1. 3~2. 5℃。我国华北地区冬季寒冷、夏季炎热，1月平均气温几乎都在0℃以下，夏季不仅长而 且气温很高，经常出现炎热天气，全年有10 ~20天以上日最高气温达35℃，天津与伦敦和巴黎的月平 均气温比较见图1。我国整个东部地区常年湿度较 高 即夏季闷热 冬季潮凉。我国的气候条件远不如 欧洲优越 而且全国各地的气候差异较大 应用该先 进技术时需考虑气候条件的差异。

长期依赖人工空调环境不利于身心健康和节能长期呆在舒适的空调环境中不仅会导致人体 的体温调节能力减弱 人体的其它生理功能(如水盐 代谢)也会减弱 容易疲劳、嗜睡 、精神不振 。在洁净 空调系统中 虽然恒温 、恒湿、清洁 、新风量足够 但 人们还是常常感到头昏脑胀 缺乏舒适感。

中央空调在多数情况下是一种无奈的选择，一般都具有很强的功能性和必要性。例如工艺性空调是为满足各类工业生产(特别是电子行业)而设置 的,楼宇中央空调是为了在炎炎夏日让人高效工作 而配备的 。电影院、商店、体育馆和旅馆等休闲娱乐 场所人员高度密集, 中央空调系统必不可少。

夏季空调降温虽然使人体感到凉爽舒适,但长 时间呆在空调环境下对身体健康有负面影响。每年 夏季因为空调使用不当而导致疾病的人数并不少。夏季出汗本来是正常的人体机能,长期呆在空调房 间不出汗违背了人的生理规律 。老年人 、儿童 、体弱 者、孕妇、婴儿、慢性病人等人群都不适合长期用空 调。因此在家庭生活中空调的室内外温差不宜大于 5 ~7 ℃也不宜连续运行，而且必须兼顾空调的舒适 度和人体适应室内外温差的能力。

空调的设计者和使用者应该认识到健康、合理 使用空调的重要性。随着社会的发展和人民生活水 平的提高 ,空调普及是必然的趋势,但空调设备没有 必要在整个夏季长期连续使用 ,间歇使用空调 、充分 利用自然通风的住宅空调模式反而更有利于身心健康和建筑节能。

住宅空调的特殊性在舒适性空调中 ,剧院、电影院、百货商店 、体育 馆、饭店、宾馆等休闲型的中央空调系统因为人员停 留时间不长很少受人关注 。写字楼等职业型楼宇的 中央空调系统则是供人们长期使用的 , 空调效果直 接影响到办公心情和工作效率 , 故人们对空调的要 求比较苛刻 ,运行中投诉很多 。住宅空调对人的影 响同样是长期的 , 甚至是一辈子的 。

住宅空调具有以下鲜明特点:(1)在家庭生活 中,有相当一些不适于长期在空调环境中生活的人 群存在,空调需求具有多样性、复杂性的特点, 居住 建筑空调的控制和调节必须高度自由和灵活。(2) 住宅空调的使用系数低,尽管各房间的末端空调设备选型容量会较大 , 但多为间歇使用 , 高级公寓和别 墅由于人员少更加如此。(3)住宅空调负荷的波动 性较大,空调的使用时间主要是集中在晚上下班后 及节假日。

表1 列举了居住建筑与办公楼、宾馆空调的不 同之处。由于居住建筑是不同年龄、不同职业 、不同 生活要求的人长期生活和休息的地方, 空调负荷需 求和运行时段差异很大,整个夏季全天24 小时连续 运行的中央空调系统经济性较差 ,因此住宅空调采 用分户独立式空调系统比较合理 ,而采用中央空调系统并不十分必要。

辐射冷却技术的局限性分体空调机是居住建筑空调的主要方式,对于经济条件较好、舒适性要求较高的住户可以选 用户式空调产品, 或在购房时选择带中央空调系统 (末端设备为风机盘管)的公寓房 。这些空调都具有 一个共同点:随意启停和调控方便。虽然这些设备 有噪声、吹风感的问题, 但空调冷凝水能够及时排 走 ,无凝结水积存问题 。尽管辐射冷却空调系统具 有显著的优越性:舒适、节能、无噪音、占用建筑空间 少 、设备维修量少 、运行费用低等,但这种靠建筑壁 面进行室内空气冷却的空调系统容易在冷却壁面处 产生凝结水 ,使用时需要有控制新风参数 、限制自然 通风等防结露措施。

辐射冷却技术的防结露措施:(1)辐射冷却空调系统的房间内应设置露点温度传 感器 , 当感知室内空气湿度偏高时 , 需调整供水温度 或水阀流量 , 以防止建筑壁面结露 。上述特性决定 了采用辐射冷却技术的空调系统需连续运行 ,室温 不能波动太大,特别是要求迅速进行空调降温的房 间更容易结露。(2)送入室内的新风应具有消除室 内空调湿负荷的能力,或配置除湿机 。(3)建筑物必 须保证一定的密封性。只有经处理的新风才可以送 入室内 ,不能打开窗户进行室内自然通风换气（开窗时应保持室内正压）。

对风机盘管空调方式与辐射冷却空调 方式进行了对比实验研究 。研究结果表明：(1)由于受结露条件的限制,冷水进水温度不能过 低,限制了辐射冷却方式所承担的空调冷量。(2)在 类似重庆的高湿度地区, 仅靠辐射冷却方式进行空 调降温不能消除室内的余湿量 , 必须添加其它辅助 降温除湿设备 。上述研究结果表明:上海、广州、武 汉、重庆、郑州、海口 、香港等高湿度城市的建筑物空调系统不宜采用辐射冷却空调方案。

在北京已建成了采用辐射冷却技术的高级住宅公寓, 其围护结构热工性能已经达到欧洲发达 国家的标准 ,夏季空调负荷与国内的节能建筑相比 还要低很多 ,因此夏季空调运行时冷却壁面的温度 已高于室内空气露点温度, 结露问题并没有出现 。这就提示我们在设计辐射冷却空调系统时必须认真考虑两个方面的问题 :一是辐射冷却技术本身 ;二是 建筑物的围护结构热工性能是否与辐射冷却空调方 案相匹配 。显然如果在围护结构保温方面没有较高 的初投资和达到较高的节能标准,辐射冷却空调系 统无法正常运行并发挥其优势 。辐射冷却空调系统 与传统空调系统的比较见表 2 。辐 射冷却技 术 在住 宅空调中应用应注意以下问题:

(1)在家庭生活中 ,成员复杂 ,健康青壮年与老 人、婴儿、儿童、孕妇 、体弱者和慢性病人等人群对空 调需求差别较大 ,而辐射冷却技术在空调启停和调 控方面存在一定不足 。

(2)由于辐射冷却空调系统处于无法直接排除 凝结水、只能限制凝结水产生的被动局面,在夏季连 续性高温高湿闷热天气中建筑壁面结露的可能性较 大。此外家庭生活中许多日常活动(炊事 、洗浴等) 都会在室内直接产生较大湿负荷,使得防结露的控 制难度增大。

(3)建筑物夏季自然通风受限(开窗时需保持室 内正压)并不符合中国传统的家庭生活习惯, 不利于 居住者的身体健康。即使空调新风足以满足人体卫 生要求,但不会比随意打开窗户的自然风更健康、舒 适,防结露问题使得住户在夏季无法享受自然通风。

(4)家庭生活与办公室衣着差别很大。家庭生 活夏季单薄短小,裸露面积大 ,特别是在睡眠时辐射 冷却壁面对不同体质人群的健康会带来影响,对此 应进行分析。

小结我国与欧洲气候差异较大, 尤其是东部沿海地 区夏季气候异常闷热 ,因此在我国推广这项节能空 调技术时必须考虑我国的气候条件。尽管辐射冷却 技术在节能方面较为先进, 但存在一定局限性, 如夏 季空调运行期间室内冷却壁面结露的可能性增大、住户无法根据需要随意调控和开窗进行自然通风, 在我国高热高湿地区的住宅建设中应慎重采用。1

一种用于自然辐射冷却的光谱选择性透过薄膜暴露在晴朗夜空下的物体,通常可以达到比环境温度低几度的平衡温度, 这种现象称为自然辐射冷却。地球周围的大气层对可见光是透明的,对绝大部分波段的红外辐射是不透过的，只在8~ 13μm波段透过红外辐射,此波段称为“大气窗口”, 地球表面物 体的热能就是以红外辐射的方式,穿过此“大气窗口” 散发到接近绝对零度的大气外层空间。但是在晴朗 的白天,要想获得较好的辐射冷却效果, 就必须隔绝 周围环境对该物体的传热,首要解决的问题是避免太 阳光中的可见光辐射到该物体上。介绍一种能 阻挡可见光和近红外辐射透过，又允许8~ 13μm的 红外辐射透过的光谱选择性透过薄膜的制备及其光 学性能的测试分析研究。

薄膜的制备及其性能的测试为了进一步研制开发具有前述特殊功能的薄膜材料,对二氧化钛进行了多种无机材料的掺杂,并利用光学仪器测试这些掺杂某些无机材料制成的二氧化钛薄膜的光学性能。

薄膜的制备方法：

(1)将一定量的无机材料（主要有碳黑或硫化 锌等)研磨成精细的粉末（直径小于0. 1μm)，然后倒 入 0.5mol 无水乙醇中, 用玻棒搅拌, 制成悬浮液。

(2)在电磁搅拌器作用下，将上述悬浮液缓慢 地滴入0. 25ml钛酸四丁脂中，使他们充分混合均匀。

(3)在另一个饶杯中配制由1mol无水乙醇，0. 25mol水及0. 02mol盐酸组成的混合溶液。

(4)在电磁搅拌器作用下，将上述步骤(3)配制好的混合溶液缓慢的滴入步骤(2)配制好的混合溶 液 中,便可得到均匀半透明的溶胶, 在一定的温度和湿 度下进行水解缩合。

(5)将上述水解缩合后的溶胶缓慢滴到己酸洗干净的石英玻璃和锗晶玻片上,并用刷子轻轻地涂刷 均匀(过多的溶胶可以轻刮到载玻片外), 使溶胶自然在玻片上形成厚度均匀的涂膜(10~ 15min)然后移送 到马弗炉中加热处理温度控制在480°C,为了增加 薄膜的厚度,可每隔10min把样品膜拿出来，自然风 冷到50℃以下。再涂刷一层溶胶，在室温环境下放 置5min左右，再把样品送入马弗炉加热处理10min ；重复上述两个步骤可以得到多层涂层薄膜,当厚度达 到设想要求后,即完成涂膜成型工艺。 这时再把样品 在马弗炉进行升温加热处理, 温度升高速度控制在 5C/min以下，当温度达到550 摄氏度时,控制马弗炉中的温度恒定在此温度,再加热处理样品膜100min用于自然辐射冷却的光谱选择性透过薄膜材料就制成了。

样品薄膜的光谱性能测试

某些无 机材料如二氧化钛( 锐 钛型) 碳黑，硫化锌在8~ 13. 5μm波段几乎是透明的，因此，从理论上分析:用上述方法制备出来的掺杂二氧化钛薄膜材料，在8~ 13. 5μm波段内透过率也应该是比较高的。在制备该薄膜时选用石英玻璃和锗晶载玻片作载体,主要是他们分别在可见光—近红外波段和红外波段的透过率较高,便于应用光学仪器测试薄膜的光谱透过率;实际测试结果表明:上述方法制成的掺杂二氧化钛薄膜的红外透过率还与掺杂浓度和膜的厚度有直接关系, 其中,掺杂浓度是主要因素也是我们实验研究的重点,薄膜的厚度超过0. 5μm后，其红外透过 率就急骤下降因此，我们把0.5μm定为红外透过的极限厚度,此后工作主要是通过多次实验制备出不同掺杂浓度的样品薄膜,逐步摸索出掺杂浓度控制在2%以下,才能制备出比较完整的薄膜材料,否则制备出的薄膜有不规则的裂纹和表面过于粗糙。事实上, 要精确解决掺杂浓度与其光学性能的关系,靠数学模 型的建立和计算机模拟是不可靠的, 我们试用建立数学模型并进行试算, 希望计算结果 能给我们的实验提供理论依据和浓度参考数值, 结果 与实际相差很远,对我们的实验毫无指导价值, 只能 通过反复实验,逐步调整掺杂无机材料的浓度, 最后 确定碳黑的掺杂浓度为0. 10%~ 0. 15%制备出来 的掺杂二氧化钛薄膜基本符合我们的设想和要求, 其 在可见一近红外的透过率低于15%;在8~ 12μm波段的平均透过率超80%，在2~6μm波段的平均透过 率为45%左右,在厚度为0. 15 ~0.4μm范围内,他们 的数值随厚度有很小的变化。图1 和图2的实线分别为掺杂碳黑的二氧化钛薄膜样品在可见—近红外 波段的和红外波段的典型实测光谱透过率曲线图(掺 杂为浓度0. 15%,厚度为0. 3μm)。另外，硫化锌的 掺杂浓度控制在0. 10% ~0. 20%时，制备出的掺杂 二氧化钛薄膜,在可见—近红外波段的平均透过率在 30%左右,为了便于与掺杂碳黑的二氧化钛比较,其 典型的光谱透过率用虚线也绘于图1 中(浓度为 0. 15%,厚度为0. 3μm);而其在红外波段的平均透过率 与掺杂碳黑的二氧化钛薄膜的透过率相差非常小, 可以用图2的曲线来表示。

结果与讨论从图1 和图2来分析,在相同厚度情况下,掺杂碳黑和硫化锌的二氧化钛陶瓷薄膜的红外波段的透 过率基本相同,但是, 前者在可见—近红外波段的透过率比后者低得多, 作为“风屏”覆盖材料,在晴朗的 白天,有太阳直射的情况下, 掺杂碳黑的二氧化钛薄膜材料的遮挡太阳光的能力比掺杂硫化锌的二氧化 钛薄膜强,因此, 前者的自然辐射冷却应用效果也理 应比后者好。

国外研制出一种掺杂硫化锌 的光谱选择性透过的塑料薄片，在8~ 13μm的透过 率很高,在可见光波段内却具有相当高的反射率, 它 同样可以用作自然辐射冷却的“风屏”覆盖材料。其 提高可见光反射率的机理是散射光学理论:即可见光 照射到直径与其波长相当的颜料微粒时,可以增强光 的散射效果 , 由于添加颜料的塑料薄片或漆 膜 固化后, 其表面平整度仍由颜料微粒的直径确定, 其 强化散射效果得到提高 ,也就是提高其总的反射率。 用溶胶-凝胶法制备掺杂二氧化钛陶瓷薄膜的过程 中,凝胶在马弗炉中被加热处理, 有机成分和水分会 分解及蒸发掉,成膜后的表面并非象镜面那样光滑平 整,而是有很多肉眼无法看到的小气孔和缺陷,但他 们的尺寸往往大于可见光的波长较多,这样就不会达 到强化散射的效果, 从这个角度分析,可见光的透过 率并不是决定其作为“风屏”材料阻挡太阳光性能优 劣的主要条件,还应参考其半球总反射率的数值。遗 憾的是我们没有合适的仪器测试掺杂二氧化钛膜表 面的半球总反射率,无法判断该二氧化钛薄膜与塑料薄片在可见光波段内综合性能的优劣 。

用溶胶-凝胶法制备掺杂的二氧化钛薄膜,其力学性能与玻璃相差不多,具有较高的硬度和良好的抗摩擦性，其克氏硬度值为800 ~ 2200kp/ mm²,在化学性能方面 , 对绝大多数有机溶剂和酸 、碱 、盐均呈化 学 惰性, 在室外暴晒环境, 其物理光学性能保持不变。 从上述几个方面来分析比较 , 可以知道该 掺杂二氧化 钛薄膜的综合性能优于同样 用 于辐射冷却的塑料薄片和涂料的性能。

结论通过溶胶-凝胶法可以制备出掺杂某些无机材料 的二氧化钛薄膜材料, 它具有良好的光谱 选择透过性能:在8 ~ 12μm波段内具有很高的透过率，允许地球表面的物体发射出的绝大部分红外辐射透过该薄膜 材料 , 散发到绝对温度近似零度的 大气外层空 间;在 可见—近红外波段,其透过率低于 15%,具有良好的 遮挡太阳光的作用, 它可以用作自然辐射冷却的“风 屏”材料。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学