輻射制冷涂料在環(huán)網(wǎng)柜上的降溫效果測試

姚 碩，劉洪正，徐紹禹，楊榮清，孔祥清

（1.山東電力研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；3.寧波瑞凌新能源科技有限公司，浙江 寧波 315000；4.國網(wǎng)福建省電力有限公司莆田供電公司，福建 莆田 351100；5.國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255000）

0 引言

夏季環(huán)網(wǎng)柜設備長期超負荷運行發(fā)熱嚴重，若散熱不及時將會造成熱量堆積，影響設備的可靠性和運行穩(wěn)定性，因此提高環(huán)網(wǎng)柜設備的散熱降溫能力對確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有重要意義［1-5］。目前對設備降溫散熱的研究主要集中在設計冷卻系統(tǒng)、改進設備組件結構、調(diào)整箱體構造等方式提升散熱能力。但這些方式會增加設備結構的復雜性，提高生產(chǎn)成本，且應用范圍和散熱能力有限，不能有效解決設備運行中熱量堆積問題［6］。

輻射制冷涂料是一種高太陽反射率和紅外發(fā)射率的功能涂料，能夠有效反射太陽光，同時把物體熱量以紅外輻射形式高效地發(fā)射出去，從而達到輻射制冷和降低能耗的目的［7］。使用輻射制冷涂料進行散熱，無須改變設備結構，簡捷有效，具有經(jīng)濟節(jié)能、效果優(yōu)良、適用范圍廣泛等優(yōu)點［8］。我國所研制LJCS-1 型遠紅外輻射涂料性能好、無毒性，該涂料的發(fā)射率達92%，涂層經(jīng)過60 次冷熱循環(huán)后無脫落現(xiàn)象，經(jīng)500 h熱處理后，無鼓泡裂紋剝落等現(xiàn)象，涂覆于電加熱管后可節(jié)電10%～30%左右［9-11］。楊榮貴團隊在《Science》上發(fā)表的輻射制冷超材料引起了學術界的廣泛關注［12］，通過微納結構設計與尺寸調(diào)控電磁波，使得材料表面紅外發(fā)射率高達94%，可以實現(xiàn)良好的降溫效果，同時制得的輻射制冷涂料在建筑降溫領域也有較為廣泛的應用前景［13］。

雖然輻射制冷涂料的研究較多，但主要應用在建筑物節(jié)能和露水收集方面，將其應用在環(huán)網(wǎng)柜設備上的降溫研究鮮有提及［14-18］。為探究輻射制冷涂料應用于環(huán)網(wǎng)柜設備上的降溫效果，解決設備的散熱問題，對輻射制冷涂料的多種性能進行了測試，并將涂料涂覆在平板試樣和環(huán)網(wǎng)柜上，探究輻射制冷涂料的實際降溫效果。

1 輻射制冷涂料的性能測試

1.1 測試方法

機械性能。將輻射制冷涂料涂覆于馬口鐵板上，干燥固化后制得輻射制冷涂層。涂層附著力是評價涂層對被涂產(chǎn)品防護效果的關鍵指標。按照標準GB/T 9286－1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》，采用劃格法對輻射制冷涂層的附著力進行分級檢測評定。按照標準GB/T 6739－2006《色漆和清漆鉛筆法測定漆膜硬度》，使用組合式鉛筆硬度計進行涂層的硬度測試，選用不同硬度的鉛筆，測試馬口鐵板上輻射制冷涂層的硬度。

耐老化性能。將輻射制冷涂料涂覆在100 mm×80 mm 玻璃片上，待完全固化成膜后，將平板試樣置于UV-290紫外加速老化試驗箱中，在紫外光波長為340 nm，輻照強度為0.5 W/m2、溫度為50 ℃條件下進行人工加速老化性能試驗。每隔一段時間進行取樣，用PS200 精密色差儀測試涂層老化前后色差ΔE的變化。

耐腐蝕性能。根據(jù)標準GB 9274—1988《色漆和清漆耐液體介質(zhì)的測定》，配制3%的NaCl 溶液、3%的NaOH 溶液和3%的H2SO4溶液，將涂覆輻射制冷涂料的3 個同樣尺寸的馬口鐵樣片分別浸泡在3 種溶液中，靜置168 h，取出觀察涂層表面是否起泡、起皺、脫落、變色。

1.2 性能測試結果

機械性能。采用百格刀按照格陣圖形對輻射制冷涂層進行劃格，劃格深度應穿透整個涂層直至馬口鐵基材表面。根據(jù)涂層的損傷情況，可以判斷出輻射制冷涂層與基材的附著力可達到1 級。利用組合式鉛筆硬度計負載為750 g時測得涂層硬度為3 H。說明輻射制冷涂層具有良好的機械性能，可以保證涂層在戶外不易受到磨損或堅硬物體的破壞，延長涂層的使用壽命。

耐老化性能。在老化試驗箱中放置0 號、1 號和2號3個樣片，0號樣片在試驗箱中遮光放置，作為對照標準樣片，1 號和2 號作為試驗組樣片，在老化試驗箱中進行紫外燈照射加速老化。紫外光照540 h后，涂層外觀變化如圖1 所示。由圖1 可知，1 號和2號涂層外觀在老化540 h 后未出現(xiàn)裂痕、脫落、嚴重變色、粉化等現(xiàn)象。紫外光照時間對輻射制冷涂層色差的影響如圖2 所示?？梢钥闯鲭S著紫外光照時間的延長，1號涂層的色差值呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢，但涂層的色差值變化仍小于1.0，2號涂層的色差值基本保持不變。結果表明輻射制冷涂料的耐老化性能優(yōu)異，可在戶外輻照強度高的大氣環(huán)境中長期發(fā)揮作用。

圖1 紫外光照540 h后涂層

圖2 老化時間對輻射制冷涂層色差的影響

耐腐蝕性能。輻射制冷涂層在3%的堿、鹽、酸溶液中浸泡168 h 后涂層外觀如圖3 所示。在堿和鹽溶液中浸泡后，涂層表面未發(fā)生明顯變化，無起泡、起皺、脫落、變色等現(xiàn)象發(fā)生。但在酸溶液中浸泡后涂層表面有微小氣泡產(chǎn)生，在干燥的環(huán)境中放置一段時間后，氣泡消失，這可能是由于在樣片制備涂覆過程中局部存在微小缺陷，導致溶液從缺陷處緩慢滲入而出現(xiàn)微小氣泡。根據(jù)以上試驗結果可知，輻射制冷涂層具有良好的耐腐蝕性能。因此，輻射制冷涂層可以有效抵抗大氣環(huán)境中不同的腐蝕介質(zhì)，應用于環(huán)網(wǎng)柜設備上可發(fā)揮一定的防護作用，廣泛適用于不同的大氣環(huán)境中。

圖3 輻射制冷涂層在不同溶液中浸泡168 h外觀

2 輻射制冷涂料的降溫效果測試

2.1 降溫效果測試方法

為測試輻射制冷涂料的降溫效果，采用兩種測試方法：紅外熱像儀測試和溫度自記儀實時檢測。紅外熱像儀可以將溫度轉換為可見的圖像，更加直觀清晰。與未涂覆涂料的空白樣片對比，將輻射制冷涂料涂覆在玻璃和馬口鐵兩種基材上，使用LCS-312 紅外熱像儀測試輻射制冷涂料的降溫效果。使用WYZ-1 溫度自記儀分別記錄相鄰位置空白環(huán)網(wǎng)柜和涂料環(huán)網(wǎng)柜的溫度。在兩環(huán)網(wǎng)柜相對應位置上設置3 個溫度檢測點，分別為環(huán)網(wǎng)柜頂部外表面、頂部內(nèi)表面以及環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部空氣溫度，如圖4 所示。計算兩個環(huán)網(wǎng)柜相對應位置的溫度差值，獲得輻射制冷涂料在戶外環(huán)境中環(huán)網(wǎng)柜上的實際降溫效果數(shù)據(jù)。

圖4 環(huán)網(wǎng)柜測溫點

2.2 測試結果分析

利用紅外熱成像儀測試的輻射制冷涂層的熱像圖如圖5 所示。圖5（a）為玻璃基材表面涂層的降溫效果對比，左側為空白樣片，右側為涂覆輻射制冷涂料的試驗樣片，可以看出在玻璃基材表面涂覆輻射制冷涂料后，表面溫度可降低2.2 ℃。圖5（b）為馬口鐵基材表面涂層的降溫效果對比，左側為空白馬口鐵板，右側為涂覆輻射制冷涂料的馬口鐵板，根據(jù)圖中測溫點的溫度可知涂覆輻射制冷涂料后馬口鐵表面平均溫度降低了3.2 ℃，降溫效果顯著。圖5（c）和（d）分別是空白環(huán)網(wǎng)柜和涂料環(huán)網(wǎng)柜，空白環(huán)網(wǎng)柜的表面平均溫度為42.0 ℃，而涂料環(huán)網(wǎng)柜表面的平均溫度為33.5 ℃，相比于空白環(huán)網(wǎng)柜降低了8.5 ℃，而在兩環(huán)網(wǎng)柜相應通風口處溫度分別為38.1 ℃和31.9 ℃，溫差為6.2 ℃，降溫效果優(yōu)異。

圖5 不同基材表面的熱像圖

為了更加精確掌握涂覆和未涂覆輻射制冷涂料環(huán)網(wǎng)柜的降溫效果和降溫規(guī)律，對兩個相鄰位置涂覆和未涂覆輻射制冷涂料的環(huán)網(wǎng)柜運行中溫度變化情況分別進行連續(xù)記錄，分別檢測環(huán)網(wǎng)柜頂部外表面、頂部內(nèi)表面和柜體內(nèi)部空氣的溫度，選取了其中一周的記錄數(shù)據(jù)，如圖6所示。

由圖6（a）可知，與空白環(huán)網(wǎng)柜頂部外表面相比，涂料環(huán)網(wǎng)柜的降溫效果十分顯著，最大溫差可達到30.9 ℃；由圖6（b）和（c）可知，對比涂料環(huán)網(wǎng)柜與空白環(huán)網(wǎng)柜頂部內(nèi)表面和內(nèi)部空氣溫度，最大溫差分別為21.5 ℃和13.5 ℃，也展示了優(yōu)良的降溫效果。同時從圖6 也可以看出，在夜間時段，輻射制冷涂料的降溫效果并不明顯，而在日間時段太陽輻照強度大、溫度高時，降溫效果顯著。這主要是因為輻射制冷涂料對太陽輻射熱有良好的發(fā)射能力，在物體溫度較高時，及時高效地將熱量發(fā)射到外部空間給物體降溫［19-20］。綜上可知，在環(huán)網(wǎng)柜表面應用輻射制冷涂料，可以起到十分顯著的輻射降溫作用，降低設備能耗。

圖6 空白環(huán)網(wǎng)柜與涂料環(huán)網(wǎng)柜不同位置的溫度變化對比

為進一步解釋輻射制冷涂料的降溫效果，分別用帶積分球的紫外—可見—紅外分光光度計和傅里葉變換紅外光譜儀對涂料在太陽光（波長0.3～2.5 μm）和中遠紅外（波長2.5～25 μm）區(qū)域的光譜性能進行了表征，結果如圖7所示。

圖7 輻射制冷涂料發(fā)射率

從圖7 中可以看出，涂料在可見光波段對太陽光反射率高達92.5%，在“大氣窗口”處平均發(fā)射率高達96.2%。這主要是由于在涂料制備過程中添加了高太陽光反射率和紅外發(fā)射率的無機顏填料粒子，可以將輻射在涂層表面的部分太陽光反射出去，降低設備對太陽輻射熱量的吸收［21］。根據(jù)基爾霍夫定律，在熱力學平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等于其發(fā)射率，即物體的吸收能力高，發(fā)射能力一定強，反之亦然［22］。在8～13 μm“大氣窗口”波段，涂料中高發(fā)射率的顏填料粒子所吸收能量較高，可以將熱量以紅外輻射的形式透過大氣層吸收能力較弱、透明度高的“大氣窗口”波段高效發(fā)射到外部空間，從而實現(xiàn)良好的降溫效果。

3 結語

通過對輻射制冷涂料的機械性能、耐老化性能、耐腐蝕性能以及實際降溫效果進行測試，驗證輻射制冷涂料具有優(yōu)異的機械性能、耐老化性能以及耐腐蝕性能，可以有效適用于戶外不同的大氣環(huán)境中，耐久性良好。在“大氣窗口”處有高達96.2%的發(fā)射率，在太陽光波段的反射率為92.5%。輻射制冷涂料以高的發(fā)射率將熱量發(fā)射到外部空間，同時反射在物體表面的太陽輻射，獲得顯著的降溫效果。

輻射制冷涂料在環(huán)網(wǎng)柜上實現(xiàn)了優(yōu)良的降溫效果，可以根據(jù)實際需要在輸變電設備上應用輻射制冷涂料，以滿足設備的降溫節(jié)能需求，延長設備的使用壽命，為輸變電設備的穩(wěn)定運行提供保障。