日间辐射冷却理论分析

◇攀枝花学院土木与建筑工程学院 马瑞华 何 琳 彭久瑶

世界经济蓬勃发展，对一次能源的需求日益增长，但是由此导致环境污染、生态破坏和气候变暖等全球性的环境问题。随着人们对建筑舒适性的要求越来越高，未来的住宅和商业冷却需求将大大增加，日间辐射冷却作为一种新兴的冷却技术具有很好的发展前景。本文从理论角度建立日间辐射冷却的理论模型，为日间辐射冷却的进一步研究提供理论基础。

1 引言

能源是人类生存和发展的物质基础，以煤、石油、天然气等化石燃料的能源结构极大的促进了世界的发展。当前，全球经济蓬勃发展，对能源的需求日益增长。《BP世界能源统计年鉴（2022）》的报告指出，目前接近82%的世界能源消耗来自于化石能源，2021年全世界一次能源需求增长5.8%，碳排放量增长5.9%，达到33.9亿吨二氧化碳当量。2021年中国的一次能源消耗增长率由2020年的2.1%增长到7.1%，一年的时间增长了5%，是2012年来的最高增速。2021年中国的能源消耗量居世界第一[1]，占全世界能源总消耗的26.5%（图1），比美国和印度两个国家能源消耗之和还要大，我国已经连续22年成为全世界能源消耗增长的最主要国家，成为世界上最大的能源消费国。2021年我国能源消费总量已达到52.4亿吨标准煤，其中煤占56%，石油占18.5%，天然气占8.9%，一次电力及其它能源占16.6%[2]。特别是在环境问题已成为严重的经济和社会问题的今天，一次能源的使用排放了大量的有害物质，导致环境污染、生态破坏和气候变暖等全球性的环境问题。

图1 2021年各国世界能源消费占世界消费的比例

在夏季期间，较高的环境温度加上的建筑不隔热设计显著增加了室内空气温度。室内外建筑环境过热对热舒适、人体健康、制冷能耗、峰值电力需求等都大大增加，特别是空调行业的迅速发展，每年的总消费额超过1000亿美元[3]。据预测建筑在未来的能源消耗中2050年以后冷却将是主要的能源使用，并将大大超过供暖需求和消耗[4]。有相当多的研究预测了建筑未来的冷却能源消耗，虽然各种研究所考虑的假设和边界条件差异很大，但有一个共同的结论：未来的住宅和商业冷却需求将大大增加。对2050年的住宅和商业冷却需求的预测显示，商业部门的年冷却能源需求可能在0.9PWh-2.6PWh之间变化，最有可能的值接近1.5PWh。与目前的消费量相比，其平均增长幅度接近260%。预计2050年住宅建筑最可能的制冷消耗接近5.3PWh，比当前的住宅制冷消耗增长了接近780%[5]。每年全球建筑内的冷却会消耗大量的电力，这些能源的消耗约占社会总能耗的10%以上，因此降低建筑的电力消耗对全球能源的消耗尤其是化石能源的消耗将产生重要影响。随着国家提出“碳达峰”、“碳中和”战略，冷却行业的节能减排势在必行。

2 日间辐射冷却理论模型

2.1 辐射冷却理论

辐射冷却是由辐射换热引起的一种物理现象，它能将物体的热量以电磁波的形式散失到太空中，实现冷却降温的效果，具有极大的应用价值[6-8]。辐射是物质所固有的属性，原子内部电子的振动或激发将交替地产生变化的电场和磁场而发射电磁波，就形成了辐射。大气层外宇宙空间的温度接近绝对零度，高层大气的当量黑体温度也低于地面温度很多。它们都是理想的冷源，但是大气层阻碍了地面物体向太空辐射散热。然而，在8-13μm波段内，大气层中所含二氧化碳、水蒸气的吸收率很小，穿透率较大，并且这波段正处于地面物体常温辐射的远红外区内，此波段的电磁波几乎能够不被吸收的穿越大气层，地面能量可通过这波段辐射到外层空间，所以这波段通常称为大气远红外窗口，简称大气窗口[9-11]。地球之外的太空温度极低，可以将外太空作为收集热量的容器，地球上的物体通过中红外波段的热辐射将其热量释放到外层空间，由于这个波段与大气窗口（8-13μm）重合，这是大气具有高透射率的区域，陆地物体最终可以通过辐射冷却的过程来冷却自己。

2.2 辐射冷却方程

根据基尔霍夫定律可知当一个黑体温度大于0K时，其本身的能量都会不断的通过热辐射的方法释放到环境中。然而，除了热辐射外，材料的热量也会通过传导和对流来传递，因此，在整个的热量传递过程中存在辐射、对流热量传递。辐射冷却器的冷却功率Pcool是 辐射冷却器发射功率Pr(Tcool) 与吸收的大气辐射功率Pa(Ta)、吸收的太阳辐射强度Psun和 对流损失Pconv的函数如式（1）所示[12]。

式中冷却器在温度Tcool下 的发射功率Pr(Tcool)的计算如下式所示[13]，

在上面公式中IB表 示黑体在温度T下的光谱辐射，是冷却装置的光谱发射率，其与材料和结构有关。

吸收的大气辐射功率Pa(Ta)如下式所示[14]。

Psun是被辐射冷却器吸收的太阳强度，可以由下式表示[15]。

对流热损失Pconv如式（8）所示。

其中，Tcool和 Ta分 别为辐射冷却器的温度和环境温度。h是由辐射冷却器与周围介质的对流换热系数。

3 结束语

现代建筑中空调的应用量越来越多，空调对一次能源的消耗量越来越大，随之引起环境污染等问题，与国家提出的“碳达峰、碳中和”政策不符合。日间辐射冷却不消耗电力能源就能实现冷却功能，真正实现零碳排放。本文分析了日间辐射冷却的原理，建立了日间辐射冷却的能量传递关系，冷却功率与辐射冷却器发射功率、吸收的大气辐射功率、吸收的太阳辐射强度和对流损失有关，为进一步分析日间辐射冷却提供帮助。