嚴寒干熱地區(qū)集熱冷卻聯(lián)用系統(tǒng)試驗研究

摘要：該文結合新疆地區(qū)晝夜大溫差氣候特性，在烏魯木齊市搭建一套小型太陽能集熱——天空輻射冷卻兩用系統(tǒng)，通過對比PE防風膜層數(shù)和測試不同流速工況下的系統(tǒng)運行結果來探究兩用裝置的集熱冷卻潛力。試驗結果表明：系統(tǒng)在日間集熱模式下的最大進出口溫升為6.40℃，最大瞬時集熱功率為721.88 W/m2;夜間冷卻模式下最大進出口溫降為0.94℃，出口溫度相對環(huán)境溫降可達1.43℃，最大瞬時冷卻功率為50.89 W/m2，這為其在實際中的工業(yè)集熱應用和本地區(qū)的溫濕度獨立控制空調系統(tǒng)高溫冷凍水制備提供可能。

關鍵詞：輻射冷卻；太陽能集熱；被動冷卻；太陽輻射；大氣窗口

中圖分類號：TK514文獻標志碼：A

0引言

太陽能光熱轉換，是指通過收集太陽對地球表面的光照輻射來獲得熱量的方式，而天空輻射冷卻指地面上的物體通過大氣窗口（8～13 μm）波段使自身熱能輻射最終上升到上層大氣1，然后進入更冷的外層空間以達到冷卻效果的過程?，F(xiàn)如今，如何同時利用這些來自外太空的冷、熱源已經成為節(jié)能利用的重點話題之一，相關學者們也基于材料物性和結構設計等方面對集熱-冷卻兩用技術進行了以下研究：

Vall等2提出利用自適應覆蓋層將太陽能集熱與輻射冷卻技術相結合，制造出輻射收集/發(fā)射（radiative collector andemitter，RCE）裝置，該覆蓋層能在太陽能集熱模式中提供太陽輻射波段的高光譜透射率與紅外波段的低光譜透射率，而在輻射冷卻模式中提供大氣窗口波段的高光譜透射率，該研究為太陽能集熱/輻射冷卻復合系統(tǒng)的實際應用提供了新思路；王一平等[3]研究一種太陽能輻射板墻體一體化設計，將丙烯酸樹脂涂在此墻體表面，試驗產出樣品在可見光波段吸收率為0.4～0.7，在紅外波段的發(fā)射率為0.92，一定程度上達成了日間集熱、夜間制冷的雙功效；陳震等4通過設計集熱與制冷表面的垂直疊放結構實現(xiàn)集熱-冷卻兩用效果。

陳諾等5提出一種日間集熱、夜間輻射冷卻的光譜選擇性表面，該表面由基底藍鈦膜TiNO。和聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜耦合制成，該光譜選擇性耦合表面在太陽輻射波段（0.3～3 μm）的平均吸收率為0.89，在大氣窗口波段（8～13 μm）的平均發(fā)射率為0.86，在中紅外波段（3～8 μm）的平均吸收率為0.38，后續(xù)試驗也成功驗證其在日間集熱和夜間輻射制冷的雙重效果；敖顯澤[6提出光譜可調控PT-RSC綜合利用思路，即涂層的光譜選擇性可動態(tài)調控使得日間光熱、夜間天空輻射制冷兩種模式分別對應各自所需光譜選擇性，互不影響；趙斌等7將太陽能光伏發(fā)電與輻射冷卻應用于建筑一體化上，通過光譜選擇性自制板芯同時實現(xiàn)了光伏發(fā)電與夜間天空輻射冷卻兩種功能。

綜上，集熱-冷卻兩用裝置具有理論基礎和可行性，一方面新疆地區(qū)具有晝夜溫差大、大氣透明度高的氣候特征，同時空調度日數(shù)低（除吐魯番盆地），可為日間太陽能集熱-夜間輻射冷卻兩用提供基礎條件。另一方面，應用于新疆干燥氣候區(qū)的蒸發(fā)冷卻溫濕度獨立控制空調系統(tǒng)通過高溫冷水機組8（16～18 ℃）來承擔室內的剩余顯熱負荷，而根據試驗和理論分析，天空輻射冷卻有滿足此空調系統(tǒng)高溫冷水溫度要求的潛力。因此本文將從集熱-冷卻兩用結構設計出發(fā)，在烏魯木齊市搭建一套簡易系統(tǒng)，探究不同工況下嚴寒干熱地區(qū)集熱-冷卻兩用系統(tǒng)的實用效果。

1集熱-冷卻兩用試驗系統(tǒng)設計

1.1集熱-冷卻兩用板芯設計

考慮烏魯木齊市晝夜溫差大的特性，本試驗基于平板集熱器結構自制集熱-冷卻兩用裝置。為了在不影響集熱能力的前提下達到天空輻射冷卻的研究目標，本試驗選用25 μm厚度PDMS薄膜作為輻射冷卻材料粘貼于藍鈦蛇管式集熱板芯表面。PDMS，又稱聚二甲基硅氧烷，是一種屬于聚硅氧烷的疏水類有機硅材料。這種材料在可見光波段具有良好的透光性和光譜選擇能力，其太陽輻射波段的透過率約為0.92，而在大氣窗口（8～13 μm）波段的透過率算術平均值為0.06，發(fā)射比則較高。

表面貼膜后的藍鈦集熱板芯在0.25～2.5 μm波段等效太陽光譜吸收比加權平均值為0.93，中紅外波段的光譜吸收比則呈現(xiàn)出“低-高-低”的特性，在保證大氣窗口（8～13 μm）發(fā)射比算術平均值為0.86的同時2.5～8 μm、13～25 μm波段的吸收率算術平均值分別為0.40和0.51，有效降低環(huán)境熱源在其他波段對板芯的輻射影響，從而能擁有日間集熱-夜間冷卻的雙重潛力。

1.2高透防風膜選擇

普通平板集熱器外部由玻璃蓋板作為保溫得熱風屏，其表面對于除可見光以外的各個波段透過率較低，不利于板芯向天空釋放輻射冷卻的長波輻射。本試驗中用于太陽能集熱-輻射冷卻器的高透防風膜從不同種類的塑料箔中選擇，即高透聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）。通過使用傅里葉紅外光譜儀VERTEX 70 RAMI和紫外、可見分光光度計LAMBDA 650在可見光和紅外輻射的全波段光譜中分析其光學特性。

根據表1光學測量可知，PVC膜和ETFE膜均在可見光波段具有著較高的透過率，可滿足裝置對太陽能集熱功能的需要，但這兩種膜在天空輻射冷卻中大氣窗口波段的透過能力較弱；PE膜在全波段都具有平均值在0.8以上的透過率，能最大程度減輕對板芯自身輻射能力的限制，因此太陽能集熱-輻射冷卻器的高透防風膜選擇PE薄膜。

1.3集熱-冷卻兩用裝置與系統(tǒng)設計

基于上述選擇，本文設計尺寸為110 cm×55 cm×20 cm的太陽能集熱-天空輻射冷卻兩用裝置，其結構見圖1。

為測試其性能，制作配套的試驗系統(tǒng)包括：太陽能集熱-天空輻射冷卻兩用裝置、蓄換熱水箱、轉子流量計、循環(huán)水泵、排氣補水罐和Agilent溫度數(shù)據采集儀，各部分由經過外保溫處理的塑膠水管相連。當太陽能集熱-天空輻射冷卻兩用裝置從外界得熱/得冷后，系統(tǒng)內的循環(huán)水將會流過裝置中的銅管并換熱，隨后進入蓄熱/冷水箱與水箱中的水進行能量交換，過程中管道中的循環(huán)水不與水箱里的水直接接觸。

2試驗與原理分析

2.1試驗方案

本試驗地點位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)新疆大學博達校區(qū)（經度87.74°、緯度43.84°），并搭建南北朝向的小型太陽能集熱-天空輻射冷卻兩用試驗臺。為探究太陽能集熱-天空輻射冷卻兩用系統(tǒng)的集熱/冷卻效果，本試驗采用水作為系統(tǒng)換熱工質，改變其流速來測量不同工作模式下的系統(tǒng)太陽能集熱-天空輻射冷卻效果。

結合烏魯木齊市的氣候情況，試驗時間選擇夏季的（6—9月份），試驗中太陽能集熱-天空輻射冷卻兩用系統(tǒng)放置地點因高度角限制受光照時間為09：00—15：30，夜間則不受影響。本試驗先對比兩用裝置在高透PE防風膜為1、2、3層時夜間空晾的冷卻性能并尋找最佳設計層數(shù)，然后探究系統(tǒng)在最佳設計情況下不同流速時的太陽能集熱-輻射冷卻性能。由于太陽能集熱-天空輻射冷卻板芯的面積有限，且太陽能集熱與天空輻射冷卻的功率能級完全不同，為測得更加明顯的數(shù)據變化，設置日間集熱時系統(tǒng)流速分別為20、40和60 L/h;夜間輻射冷卻時系統(tǒng)流速為10、20和30 L/h。該試驗通過系統(tǒng)中布置的熱電偶記錄集熱-冷卻兩用板芯溫度、蓄熱水箱內水溫、環(huán)境空氣溫度和裝置進出口循環(huán)水溫度。

2.2試驗原理分析

此太陽能集熱-天空輻射冷卻兩用試驗裝置在單位面積上的主要能量來源可分為4部分9：裝置吸收的太陽輻射Psm，裝置發(fā)射出的熱輻射pra（T），裝置吸收的大氣輻射pam和裝置與環(huán)境的熱量交換ploss。在此基礎上，裝置的凈冷卻功率如式（1）所示，其中Pcoimg為負值時可視為凈集熱功率。

試驗裝置的熱輻射功率是基于普朗克輻射定律而來，在簡化忽略方位角和環(huán)境溫度對于表面發(fā)射率的影響后，Pa（T）可表示為：

式中：λ——輻射波長，μm;ε（λ，0）——光譜定向發(fā)射率；θ——天頂角，（°）;T ——裝置表面溫度，K;I，（λ，T）——溫度為T時的黑體輻射功率，W/m2。

大氣對于試驗裝置的輻射通常用等效天空發(fā)射率來描述，通常該發(fā)射率與波長和天頂角有強相關性，可用pa表示為：

式中：α（λ，0）——試驗裝置板芯的光譜定向吸收率；ε（λ，0）——大氣層的等效光譜定向發(fā)射率；Ta——環(huán)境溫度，K。

日間，太陽對于試驗裝置的輻射功率可由太陽輻射的總功率和輻射體的等效太陽輻射吸收率決定，psm可表示為：

式中：α（λ，0s）——試驗裝置板芯的太陽光譜定向吸收率；0——太陽與板芯的法線夾角，（°）;G——太陽總輻照度，W/m2;IAM？——AM1.5太陽光譜輻射功率，W/（m2·μm）。

試驗中，由于周圍環(huán)境溫度影響和裝置換熱過程存在換熱損失，試驗過程的熱量損失po可表示為：

式中：h?！b置表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

2.3性能參數(shù)確定

為評估此太陽能集熱-天空輻射冷卻兩用系統(tǒng)的性能，本試驗采用循環(huán)水出口與環(huán)境溫差、冷卻功率作為系統(tǒng)輻射冷卻性能的參數(shù)；集熱功率作為系統(tǒng)太陽能集熱性能的參數(shù)。此試驗中系統(tǒng)單位面積集熱-冷卻功率計算公式為：

式中：q——系統(tǒng)單位面積功率，W/m2;c，——水的比熱容，J/（kg·℃）;v——循環(huán)水體積流量，m3/s;p——水的密度，kg/m3;A，——參與輻射換熱的面積，m2;Tin——兩用裝置入口溫度，℃;To——兩用裝置出口溫度，℃。

3結果與分析

3.1不同PE防風膜層數(shù)下裝置的溫降

在系統(tǒng)運行之前，需先確定太陽能集熱-天空輻射冷卻兩用裝置外表面的PE防風膜層數(shù)，當PE防風膜層數(shù)大于1時，各層PE防風膜間約有3 mm的額外空氣夾層，因此先進行覆膜夜間空晾對比，其中1～3層PE防風膜分別用工況1～3來表示。

由圖4可知，夜間空晾時所有PE防風膜層數(shù)工況下的兩用板芯溫度皆低于環(huán)境溫度，最大相對環(huán)境溫降達6.94℃。在初始溫度相同的基礎上，采用1層PE防風膜的兩用板芯溫度比2層時平均低1.70 ℃，二者最大溫差為2.38 ℃出現(xiàn)于04：39;采用1層PE防風膜的兩用板芯溫度比3層時平均低2.14 ℃，二者最大溫差為2.95 ℃出現(xiàn)于06：19。圖4a中覆1層PE防風膜的板芯溫度在22：29—00：29的2 h內下降了5.47℃，覆2層時只下降了3.96℃;圖4b中覆1層PE防風膜的板芯溫度在23：59—01：59的2 h內下降了7.29 ℃，覆3層時僅僅下降了4.71℃，總體上覆1層PE防風膜的板芯溫降速度最快。

綜上，采用1層PE防風膜的板芯夜間冷卻性能最優(yōu)，因此后文系統(tǒng)運行中集熱-冷卻兩用裝置表面皆采用1層PE膜。

3.2系統(tǒng)日間集熱性能分析

為測試太陽能集熱-天空輻射冷卻兩用系統(tǒng)的日間集熱性能，于日間的09：00—15：30對其進行20、40和60 L/h流速時系統(tǒng)運行的集熱性能試驗。

由圖5可知，日間系統(tǒng)運行時3種流速工況的各項參數(shù)變化。在裝置外保溫良好的基礎上不考慮環(huán)境溫度帶來的影響，試驗中3種流速工況的初始溫度均保持在約24.5℃，三者太陽輻照度平均差值為62.91 W/m2。

從圖5中可知，20 L/h流速工況時系統(tǒng)循環(huán)水的進出口溫度曲線間距最大，平均溫差為4.32℃;40 L/h流速工況時其次，平均溫差為2.39℃;60 L/h流速工況時最小，平均值為1.59℃。從趨勢上看，隨著循環(huán)水流速的增大，進出口溫差將減小，隨著太陽輻照度曲線的增高，3種流速工況下系統(tǒng)的循環(huán)水換熱溫差都在增大，并于約14：00進入最佳換熱溫差時間段，此后循環(huán)水進出口溫差變化開始趨于穩(wěn)定。其中20 L/h流速工況時最大溫差值為6.40 ℃出現(xiàn)于15：08;40 L/h流速工況時最大溫差值為3.62 ℃出現(xiàn)于14：38;60 L/h流速工況時最大溫差值為2.48 ℃出現(xiàn)于14：40。

圖6為該系統(tǒng)在日間集熱模式下不同流速工況的單位面積集熱功率數(shù)值走向。由圖6可知，3種流速工況的集熱功率都在09：00—14：00呈上升趨勢，并因為太陽輻照度達到功率都在09：00-14：00呈上升趨勢，并因為太陽輻照度達到峰值的關系在14：00—15：00之間各自到達其功率峰值。其中20 L/h流速工況時集熱功率最大值為622.13 W/m2出現(xiàn)于15：08;40 L/h流速工況時最大值為704.08 W/m2出現(xiàn)于14：38;60 L/h流速工況時最大值為721.88 W/m2出現(xiàn)于14：40。從不同流速工況對比來看，不同于20 L/h流速工況時系統(tǒng)循環(huán)水的進出口溫差整體最大的結論，40 L/h流速工況時系統(tǒng)集熱功率整體最大，平均值為465.61 W/m2;60 L/h流速工況時平均值其次，為464.70 W/m2;20 L/h流速工況時平均值最小，為419.79 W/m2。40 L/h流速工況的平均集熱功率比60 L/h流速工況時高0.19 %，比20 L/h流速工況時高10.91%。

由圖7可知，60 L/h流速工況時的系統(tǒng)集熱效率整體最高，平均集熱效率為52.42 %;40 L/h流速工況其次，平均集熱效率為52.24 %;20 L/h流速工況最小，平均集熱效率為48.49 %。綜上，在此試驗系統(tǒng)中提高循環(huán)水流速會降低進出口集熱溫差但可以提高集熱效率，20 L/h流速工況時系統(tǒng)循環(huán)水的進出口集熱溫差最大，但在集熱效率上60 L/h流速工況時整體最大，瞬時集熱效率最大值為70.63%。

3.3系統(tǒng)夜間冷卻性能分析

為測試太陽能集熱-天空輻射冷卻兩用系統(tǒng)的夜間輻射冷卻性能，于21：50—07：35對其進行了10、20和30 L/h流速時系統(tǒng)運行的輻射冷卻性能試驗。

從圖8可知，夜間系統(tǒng)運行時3種流速工況的各項溫度變化。試驗中3種流速工況下循環(huán)水入口溫度初始值均約為24.5 ℃，三者環(huán)境溫度平均差值小于1℃，因此在裝置的保溫措施下可忽略夜間環(huán)境溫度對于循環(huán)水換冷量的額外影響。

總體上，10 L/h流速工況時系統(tǒng)循環(huán)水的進出口溫差曲線間距最大，平均溫差為0.68 ℃;20 L/h流速工況時其次，平均溫差為0.40 ℃;30 L/h流速工況時最小，溫差平均值為0.27℃。變化趨勢上，循環(huán)水流速的增大，進出口溫差減??；循環(huán)水平均溫度下降，進出口溫差也逐漸減小。10、20和30 L/h流速工況的進出口溫差最大值分別為0.94、0.50和0.35℃，分別出現(xiàn)在00：30、00：55和02：35。3種流速工況下的循環(huán)水溫度受到輻射冷卻的影響不斷下降，10、20和30 L/h流速工況的出口溫度最低值分別為17.88、17.95和18.73 ℃。

圖9為該系統(tǒng)在夜間冷卻模式下不同流速工況的單位面積冷卻功率數(shù)值走向。由圖可知，3種流速工況的冷卻功率在21：50—23：00呈快速上升的趨勢，其中10 L/h流速工況的冷卻功率在00：30時達到峰值，為45.59 W/m2;20 L/h流速工況時于00：55到達峰值，為48.61 W/m2，30 L/h流速工況時于02：35到達峰值，為50.89 W/m2，之后三者冷卻功率便逐漸下降。

與進出口溫差對比不同的是在30 L/h流速工況時系統(tǒng)冷卻功率整體最大，平均值為38.94 W/m2;20 L/h流速工況時平均值其次，為38.51 W/m2;10 L/h流速工況時平均值最小，為32.96 W/m2。30 L/h流速工況時系統(tǒng)冷卻功率平均值比20 L/h流速工況時高1.12%;比10 L/h流速工況時高18.14%。

在此試驗系統(tǒng)中，提高循環(huán)水流速會降低進出口冷卻溫差從而改變冷卻功率，10 L/h流速工況時系統(tǒng)循環(huán)水的進出口冷卻溫差整體最大，但30 L/h流速工況時系統(tǒng)冷卻功率整體最大。

圖10顯示了裝置循環(huán)水出口對比環(huán)境溫度的溫降值，可知系統(tǒng)循環(huán)水出口與環(huán)境的溫差平均值隨流速的增大而減小，10、20、30 L/h流速工況的溫差平均值分別為0.92、0.83、0.62 ℃。出口溫度相對于環(huán)境溫度的最大溫差為1.19～1.43 ℃則可證明此系統(tǒng)的相對冷卻能力。結合圖8數(shù)據結果可知，在新疆地區(qū)晝夜溫差大的情況下，夏季晴朗夜間溫度能降至約19℃，而對應的兩用系統(tǒng)在10、20 L/h流速工況下，夜間出口溫度最低可達到17～18℃，滿足蒸發(fā)冷卻溫濕度獨立控制空調系統(tǒng)中對于高溫冷水（16～18 ℃）的需求。同時根據理論和試驗結果可知，更加低速的運行工況或尺寸面積更大的集熱太陽能集熱-天空輻射冷卻裝置都能帶來更好的出口溫降效果。

4結論

本研究設計并構建了一種太陽能集熱-天空輻射冷卻兩用系統(tǒng)，并通過實地試驗分析了不同設計、運行工況下兩用系統(tǒng)的太陽能集熱-天空輻射冷卻性能，最終得到了以下結論。

1）在裝置設計階段，選用1層PE防風膜時裝置內板芯的夜間天空輻射冷卻性能優(yōu)于選用2、3層膜。

2）在日間集熱模式下，不同流速對比可知20 L/h流速工況時系統(tǒng)循環(huán)水進出口溫升整體最大，平均值為4.32 ℃;60 L/h流速工況時系統(tǒng)集熱效率整體最大，平均值為52.42 %;全工況中最大集熱溫升為6.40 ℃，最大瞬時集熱功率為721.88 W/m2。

3）在夜間冷卻模式下，不同流速對比可知10 L/h流速工況時系統(tǒng)循環(huán)水的進出口溫降整體最大，平均值為0.68 ℃;30L/h流速工況時系統(tǒng)冷卻功率整體最大，平均值為38.94 W/m2;全工況中最大冷卻溫降為0.94 ℃，最大瞬時冷卻功率為50.89 W/m2。

4）夜間冷卻模式下，10、20、30 L/h流速工況下系統(tǒng)循環(huán)水出口溫度均比環(huán)境溫度低，最高溫降平均值為0.92 ℃，最高溫降最大值為1.43 ℃。且烏魯木齊市晝夜溫差大，其夜間平均溫度可達19℃以下，此系統(tǒng)循環(huán)水出口溫度能夠滿足蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組的冷凍水要求（16～18 ℃）。

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EXPERIMENTAL STUDYON COMBINED HEAT COLLECTION ANDCOOLING SYSTEM IN SEVERE COLD AND DRY HOT AREAS

Qi Dianwei1，2，Rao Bowen1，Xu Feng，Xie Lirong3，Zhang Jiaqi1

（1.College of Civil Engineering and Architecture，XinjiangUniversity，Urumqi 830046，China;

2.College of Machinery and Energy，TongjiUniversity，Shanghai 201800，China;

3.College of Electrical Engineering，XinjiangUniversity，Urumqi 830046，China）

Abstract：Combining with the climate characteristics of large temperature difference between day and night in Xinjiang region，thispaper sets up a set of small solar heat collection-sky radiation cooling dual-purpose system in Urumqi.By comparing the number of PEwind cover film layers and testing the system operating results under different flow rates，the heat collectionlcooling potential of dual-purpose device is explored.The test results show that the maximum temperature diference between inlet and outlet of the system is6.40℃ and the maximum instantaneous heat collection power is 721.8 W/m2under the daytime heat collection mode.In the nightcoolingmode，the maximum inlet and outlet temperature difference is 0.94℃，the outlet temperature is 1.43℃lower than the ambienttemperature，and the maximum instantaneous cooling power is 50.89 Wm2，which provides the possibility for its practical industrialheat collection application and the preparation of high temperature chilled water in the local temperature and humidity independentcontrol air conditioning system.

Keywords：radiativecooling;solar heat collection;passivecooling;solarradiation;atmospheric window