摘 要

建筑节能设计作为建筑节能的源头，是一项综合性的系统工程，而科学合理地使用具有节能、安全、环保特性的玻璃则是这一系统工程中极其重要的环节之一，因此本文研究一种被动式冷却辐射降温玻璃来对室内温度进行冷却。该方法利用通过大气窗口的最大化的红外热辐射发射来释放热量，并最小化进入的大气辐射的吸收，从而得到降温的效果。通过红外辐射光谱的对比，本实验以硅酸铝、硅酸钙、硫酸钡颗粒为辐射材料，PE膜为分散介质，采用干混工艺，在分散介质中掺入不同含量的辐射颗粒，制备出不同的辐射降温膜，在完全晴朗的白天、夜间以及部分晴朗的白天、夜间，进行辐射降温能力测试并且比较其辐射降温效果。

研究结果表明：硅酸钙、硅酸铝与硫酸钡作为辐射材料制备降温膜时，在白天及夜间都有降温效果。在晴朗的夜间，硅酸钙的降温效果好于硅酸铝与硫酸钡，硫酸钡与硅酸铝降温效果相当。在晴朗的白天，硅酸钙与硅酸铝的降温效果较好，硫酸钡的降温效果较差。无论是在白天还是夜间，辐射颗粒含量越高，降温效果越好。天气对降温膜的降温效果有重要影响。在天气完全晴朗的夜间和在天气部分晴朗有少量云的夜间，降温膜温度始终低于环境温度。但完全晴朗夜间时降温膜温度低于部分晴朗的夜间。在天气完全晴朗的白天和天气部分晴朗有少量云的白天，在太阳光辐射较强时，降温膜温度高于环境温度。且部分晴朗白天的降温膜温度高于完全晴朗的白天。

关键词：大气窗口；选择性辐射体；被动冷却；辐射降温膜

Abstract

Building energy saving design, as the source of building energy conservation, is a comprehensive system engineering, and the scientific and rational use of energy saving, safety, environmental protection and processing glass is one of the most important links in this system engineering. Therefore, this subject studies a kind of passive cooling radiation cooling glass to the indoor temperature. Cooling. The method uses the maximum infrared radiation emission from the atmosphere window to release the heat and minimize the absorption of the incoming atmospheric radiation, thus getting the effect of cooling. Through the contrast of infrared radiation spectrum, this experiment uses aluminum silicate, calcium silicate and barium sulfate particles as radiation materials, and PE film is a dispersing medium. By using dry mixing technology and adding different content of radiation particles in the dispersive medium, different radiant cooling films are prepared, in a clear sunny day, at night and in some clear daytime. The radiation cooling ability was tested at night and its radiation cooling effect was compared.

The results show that: calcium silicate, aluminum silicate and barium sulfate are used as radiant materials to prepare cooling films. On a clear night, the cooling effect of calcium silicate is better than that of aluminum silicate and barium sulfate, and the cooling effect of barium sulfate and aluminum silicate is the same. In sunny days, the cooling effect of calcium silicate and aluminum silicate is better, and the cooling effect of barium sulfate is poor. The higher the radiation content is, the better the cooling effect is during the day or at night. Weather has an important effect on the cooling effect of the cooling film. The temperature of the cooling film is always lower than the ambient temperature at night when the weather is completely clear and the weather is cloudless and cloudless. But the temperature is completely clear, and the cooling temperature at night is lower than that of some sunny nights. During the full sunny day and sunny and cloudless days, the temperature of the cooling film is higher than the ambient temperature when the solar radiation is strong. The temperature of the cooling film is higher than that of the full sunny day.

Key Words:Atmospheric window; selective radiator; passive cooling; radiation cooling film

目 录

第1章 绪论 1

1.1 被动式降温的基本理论与发展 1

1.1.1 热辐射与红外辐射的基本理论与发展 1

1.1.2 被动辐射降温基本原理 3

1.1.3 理想选择性辐射体 5

1.2 国内外建筑节能玻璃研究现状分析 6

1.2.1 国内建筑节能玻璃现状 6

1.2.2 国外建筑节能玻璃现状 7

1.3 现有技术及存在的问题 7

1.4 本文研究思路与内容 8

第2章 辐射降温膜的制备与性能测试 10

2.1 实验方案与工艺路线 10

2.2 实验薄膜的制备 10

2.2.1 样品编号及比例分布 10

2.2.2 薄膜制备流程 11

2.3 实验薄膜的降温能力测试 12

第3章 实验数据处理与结果分析 13

3.1 同种颗粒不同含量的辐射降温效果比较 13

3.1.1 不同含量硅酸钙的降温结果比较 13

3.1.2 不同含量硅酸铝的降温结果比较 14

3.1.3 不同含量硫酸钡的降温结果比较 16

3.1.4 不同含量的辐射降温结果分析与讨论 17

3.2 不同颗粒间的辐射降温效果比较 17

3.2.1 不同颗粒晴朗夜间降温结果比较 17

3.2.2 不同颗粒晴朗白天降温结果比较 18

3.2.3 不同颗粒的辐射降温结果分析与讨论 19

3.3 不同天气的辐射降温效果比较 20

3.3.1 不同天气晴朗夜间降温结果比较 20

3.3.2 不同天气晴朗白天降温结果比较 21

3.3.3 不同天气的辐射降温结果分析与讨论 22

第4章 结论与展望 23

4.1 实验结论 23

4.2 实验的不足与展望 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

当前，能源问题已经成为制约人类生存和发展的关键性因素之一。由于石油﹑天然气﹑煤炭三种传统能源的大量使用，其储备已日趋枯竭，人们将不得不转向成本较高的生物能﹑地热﹑水利﹑太阳能﹑风力等绿色能源，而我国的能源问题也越来越严峻。建筑节能设计作为建筑节能的源头，是一项综合性的系统工程，而科学合理地使用具有节能、安全、环保特性的加工玻璃则是这一系统工程中极其重要的环节之一，因为越来越多的节能玻璃已被应用于民用和商用建筑之中。如果这一环节不能得到足够的重视和有效的实施，建筑节能工作就难以取得实质性的推进^[1]。全球约40％的能耗用于加热和冷却室内气候。这些能源的大部分用量都是通过窗户浪费的，对能源供应造成不必要的压力，到2040年需要增加56％的能源供应。而大量的如空调，电扇等主动式降温电器的使用，使得在能源方面有着极大的挑战。因此本次课题研究一种被动式冷却辐射降温玻璃来对室内温度进行冷却。被动式冷却系统由于无需外部能源即可运行，因此可提供节能装置的巨大影响。研究表明,热量损失的途径有传导、对流和辐射 ,对于普通玻璃而言，如果窗体设计合理,其吸收红外波段的光释放出波长更长的远红外线为主要的热量损失方式，传导和对流造成的热量损失较小^[2]。最近在辐射冷却方面的进展揭示了其在高效被动冷却中的应用潜力。该方法利用通过大气窗口的最大化的红外热辐射发射来释放热量并最小化进入的大气辐射的吸收。这些同时进行的过程可能导致器件温度远远低于环境温度。虽然几十年前就已经证明了夜间冷却的辐射冷却的应用，但直到最近才实现了显着的直接日光冷却，这表明它在白天成为实用被动式冷却器的潜力^[3]。

1.1 被动式降温的基本理论与发展

1.1.1 热辐射与红外辐射的基本理论与发展

物体由于温度高于绝对零度而向外辐射能量称为热辐射^[4]。根据经典电磁学理论，热辐射是由物体不断吸收和发射电磁波产生的。紫外-可见辐射和红外辐射也是电磁波的一种。不同种类电磁波产生的实质是物体内部带电粒子的运动方式和运到速度不同。由于一切物体内部的分子任何时刻都存在分子热运动，所以一切物体任何时刻都在发射红外辐射。红外辐射的波长比可见光的波长大，可在真空中以光速进行传播，具有显著的热效应。

1800年，英国科学家弗里德里希·威廉·赫歇尔通过棱镜分光实验，发现并证明了红外辐射具有显著的热效应，自此红外辐射的研究得到了迅速的发展^[5，6]，为红外辐射的实际应用打下了坚实的基础。

1859年，德国物理学家基尔霍夫在一个仅允许红外辐射交换的孤立绝热系统中，证明了在相同时间内，物体通过红外辐射吸收的能量等于物体通过红外辐射向外释放的能量，实验结果可用公式（1.1）表示，即：

（1.1）

式中M（λ，T）表示辐射能力，α（λ，T）表示吸收能力，M_B（λ，T）表示黑体的辐射。根据以上公式可知，若黑体的红外辐射能力越强，则其红外吸收能力也越强。

1896年，德国物理学家维恩^[4]分析实验数据，得到了在短波长与实验结果相符合的经验公式，如公式（1.2）所示：

（1.2）

式中c₁，c₂均为经验参数，但该公式无法解释在长波段的实验结果。

1900年，英国物理学家瑞利和天文学家金斯共同得到在长波段处与实验相符合的瑞利-金斯公式，如公式（1.3）所示：

（1.3）

式中T为绝对温度，c为光速，K_B为玻尔兹曼常数，K_B=1.38× 10^-23J·K^-1。然而，由于辐射的能量与波长的四次方成反比，所以辐射的能量将随着波长的减小而单调迅速增加，在波长极小处的辐射能量趋于无穷大。即出现“紫端发射”现象。

德国物理学家普朗克引入能量子假设，即认为辐射的能量是不连续的,且只能是能量子的整数倍,ε _n=n h v量子数。当n=1时,ε_n=h v为能量子。普朗克成功解决了“紫端发散”问题，得到了在全波段均与实验结果非常吻合的普朗克公式，如公式（1.4）所示：

（1.4）

式中c₁和c₂为常数，h为普朗克常量，h=6.63×10^-34J·S。普朗克在前人的基础上得到的普朗克公式表明：温度一定时，黑体的辐射强度M_B（λ，T）随波长连续变化且仅有一个极大值；黑体的辐射强度随波长的增大而降低。波长一定时，温度较低的黑体其辐射能力也较低；黑体的辐射强度随温度的升高而增大；黑体的辐射特性与其材料无关。

科学家斯特芬和波尔兹曼共同得到了斯特芬—波耳兹曼定律，如公式（1.5）所示，即：

（1.5）

式中σ为斯特芬—波耳兹曼常数，σ=5.670×10^-8 W·m^-2·K^-4，该公式表明黑体辐射的能量与其绝对温度的四次方成正比且与其波长大小无关。

科学家维恩通过理论得到波长λ_m和辐射温度T的维恩位移定律，如公式（1.6）所示，即：

（1.6）

式中a为维恩常数。该公式表明随着温度的升高，峰值波长将向波长减小的方向移动。

1.1.2 被动辐射降温基本原理

如前所述，以热力学观点来看，外层空间可以近似地看成一个绝对温度为零的黑体，若在大气层外设一个温度T = 300 K的黑体(遮住直射的太阳光)，则它将逐渐冷却下来。根据斯蒂芬定律（1.7），可近似算出其单位面积的辐射功率。

W=αT⁴≈460W/m² （1.7）

该能量足够高，可以引起明显的辐射降温。由于外太空的体积足够大，能够承载的散热量足够大。故理论上，地球表面上的黑体能持续不断的向外太空辐射能量，降低自身及周围环境温度。

实际上，地球表面上黑体的降温效果并不明显。其主要原因是大气层的阻挡。大气层会向地球表面上的黑体辐射能量，使得物体不仅向外太空辐射能量，也吸收来自大气层的红外辐射能量，从而使得黑体辐射降温效果不明显。因此，利用大气辐射原理来对黑体进行降温，必须首先对大气层的红外辐射特性进行研究。其次，还需要对黑体的红外辐射特性进行研究。

大气层中包含着水蒸汽、二氧化碳、臭氧和其他不对称的分子气体。大气层的光谱透过特性是由这些气体决定的。它们含量的不同会导致透过率的变化，但对透射光谱的分布影响不大。分析这些气体的辐射特性可知，这些气体在波长为8-13μm区间内向黑体发射的红外辐射较弱。因此，地球表面上的黑体可以通过波长为8-13μm区间内向外太空辐射能量。在天气晴朗的情况下，大气在波长8-13μm区间内存在一个透明窗口。通常我们称该透明窗口称为“大气窗口”。大气窗口的透明度直接决定了黑体向外太空辐射能量的降温效果。大气窗口的透明度越高，黑体向外太空辐射降温的效果越好。

图1.1表示平衡温度时黑体对天空辐射和吸收的能量图^[7]。图中实线表示物体在白天受到太阳光辐射和大气辐射的能量图。在实线后半段，大气辐射在波长8-13μm区间内有一个向下凹的部分，该部分所对应的波长即前文所述的“大气窗口”。在大气窗口内黑体受到大气辐射较弱。

图1.1平衡温度时黑体对天空辐射和吸收能量图

虚线表示黑体向外太空辐射能量的曲线。巧合的是，常温黑体向外太空辐射能量的波峰在大气窗口区间内，这一巧合使得黑体可以通过大气窗口向外太空持续不断地辐射能量，从而达到降低自身及周围环境温度的目的。图1.1实线与坐标轴所围的面积为黑体在有太阳光辐射及大气辐射下的总能量，用Q₁表示；虚线与坐标轴所围的面积为黑体向外太空辐射的总能量，用Q₂表示。Q₁和Q₂绝对值差值决定了黑体是升温还是降温。若单位时间内Q₂大于Q₁，则黑体综合表现为向外太空辐射能量，从而降低自身及周围环境的温度；若单位时间内Q₂小于Q₁，则黑体综合表现为受到太阳光辐射及大气辐射吸收能量，从而升高自身及周围环境的温度。在天气晴朗的夜间，由于黑体不受太阳光照射，Q₂一般大于Q₁，综合表现为降低自身及周围环境温度。然而，在天气晴朗的白天，在太阳光辐射下Q₁一般大于Q₂，综合表现为升高自身及周围环境温度。但通过选择恰当的红外辐射和太阳光反射材料，也能实现低于环境温度以下的辐射降温效果。

以上讨论的黑体与理想选择性辐射体的致冷都尚未考虑太阳辐射的影响。当有阳光照射在辐射体表面时，由于黑体的吸收波段很宽广，其吸收的阳光辐射能量远大于向外辐射的能量，因此很难有致冷的效果。

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