基本介紹
輻射冷卻技術與住宅空調,我國與歐洲的氣候差異,長期依賴人工空調環境不利於身心健康和節能,住宅空調的特殊性,輻射冷卻技術的局限性,小結,一種用於自然輻射冷卻的光譜選擇性透過薄膜,薄膜的製備及其性能的測試,結果與討論,結論,
輻射冷卻技術與住宅空調
經過近三十年的發展, 如今歐洲各國已普 遍採用高舒適度 、低能耗的建築,成為全世界居住品質最高 、最科學的地區，輻射冷卻技術在歐洲大陸已 經得到了實際工程的套用 。該技術取消了傳統的空調系統末端裝置 ,將交聯聚乙烯管預先施工在圍護 結構的牆體或樓板中, 在夏季通過降低圍護結構的 壁面溫度實現房間空調。
我國與歐洲的氣候差異
歐洲大陸雖然地理緯度偏高, 但由於陸地面積小、緊鄰大西洋,內陸又有眾多內海 ,因此歐洲的氣 候總體上是優點多於缺點,夏季無酷熱,冬季少嚴 寒。西北及中歐的氣溫特點如下:(1)冬溫較高 :西北歐洲沿海各地冬溫高於同緯度15 ~20°C，此種情 況由沿海向內陸遞減。西北歐洲冬季氣溫偏高,平 地少有積雪,海不結冰;(2)生長季隨高度遞減 :因西北歐洲夏季氣溫不高,氣溫很容易下降到生長氣溫 以下;(3)夏季氣溫普遍偏低:有時還會有寒氣流侵 入,6月間可能會出現冬季溫度。7月平均氣溫:巴 黎18. 3℃，布魯塞爾17. 7℃， 漢堡17. 2℃，柏林 17. 7℃，華沙18. 8 ℃； (4)氣溫的年較差小。
我國地域廣闊 , 冬季南北溫差極大。與世界同緯度地區的平均氣溫相比,1 月份東北地區偏低 10 -18℃，華北地區偏低10 ~ 14℃，長江南岸偏低8 ~ 10℃，東南沿海偏低5℃，而7月份各地平均溫度偏 高1. 3~2. 5℃。我國華北地區冬季寒冷、夏季炎熱，1月平均氣溫幾乎都在0℃以下，夏季不僅長而 且氣溫很高，經常出現炎熱天氣，全年有10 ~20天以上日最高氣溫達35℃，天津與倫敦和巴黎的月平 均氣溫比較見圖1。我國整個東部地區常年濕度較 高 即夏季悶熱 冬季潮涼。我國的氣候條件遠不如 歐洲優越 而且全國各地的氣候差異較大 套用該先 進技術時需考慮氣候條件的差異。
圖1 天津與倫敦、巴黎的月平均氣溫比較
圖1 天津與倫敦、巴黎的月平均氣溫比較長期依賴人工空調環境不利於身心健康和節能
長期呆在舒適的空調環境中不僅會導致人體 的體溫調節能力減弱 人體的其它生理功能(如水鹽 代謝)也會減弱 容易疲勞、嗜睡 、精神不振 。在潔淨 空調系統中 雖然恆溫 、恆濕、清潔 、新風量足夠 但 人們還是常常感到頭昏腦脹 缺乏舒適感。
中央空調在多數情況下是一種無奈的選擇，一般都具有很強的功能性和必要性。例如工藝性空調是為滿足各類工業生產(特別是電子行業)而設定 的,樓宇中央空調是為了在炎炎夏日讓人高效工作 而配備的 。電影院、商店、體育館和旅館等休閒娛樂 場所人員高度密集, 中央空調系統必不可少。
夏季空調降溫雖然使人體感到涼爽舒適,但長 時間呆在空調環境下對身體健康有負面影響。每年 夏季因為空調使用不當而導致疾病的人數並不少。夏季出汗本來是正常的人體機能,長期呆在空調房 間不出汗違背了人的生理規律 。老年人 、兒童 、體弱 者、孕婦、嬰兒、慢性病人等人群都不適合長期用空 調。因此在家庭生活中空調的室內外溫差不宜大於 5 ~7 ℃也不宜連續運行，而且必須兼顧空調的舒適 度和人體適應室內外溫差的能力。
空調的設計者和使用者應該認識到健康、合理 使用空調的重要性。隨著社會的發展和人民生活水 平的提高 ,空調普及是必然的趨勢,但空調設備沒有 必要在整個夏季長期連續使用 ,間歇使用空調 、充分 利用自然通風的住宅空調模式反而更有利於身心健康和建築節能。
住宅空調的特殊性
在舒適性空調中 ,劇院、電影院、百貨商店 、體育 館、飯店、賓館等休閒型的中央空調系統因為人員停 留時間不長很少受人關注 。寫字樓等職業型樓宇的 中央空調系統則是供人們長期使用的 , 空調效果直 接影響到辦公心情和工作效率 , 故人們對空調的要 求比較苛刻 ,運行中投訴很多 。住宅空調對人的影 響同樣是長期的 , 甚至是一輩子的 。
住宅空調具有以下鮮明特點:(1)在家庭生活 中,有相當一些不適於長期在空調環境中生活的人 群存在,空調需求具有多樣性、複雜性的特點, 居住 建築空調的控制和調節必須高度自由和靈活。(2) 住宅空調的使用係數低,儘管各房間的末端空調設備選型容量會較大 , 但多為間歇使用 , 高級公寓和別 墅由於人員少更加如此。(3)住宅空調負荷的波動 性較大,空調的使用時間主要是集中在晚上下班後 及節假日。
表1 列舉了居住建築與辦公樓、賓館空調的不 同之處。由於居住建築是不同年齡、不同職業 、不同 生活要求的人長期生活和休息的地方, 空調負荷需 求和運行時段差異很大,整個夏季全天24 小時連續 運行的中央空調系統經濟性較差 ,因此住宅空調采 用分戶獨立式空調系統比較合理 ,而採用中央空調系統並不十分必要。
表1 三種類型的舒適性空調差異比較
表1 三種類型的舒適性空調差異比較輻射冷卻技術的局限性
分體空調機是居住建築空調的主要方式,對於經濟條件較好、舒適性要求較高的住戶可以選 用戶式空調產品, 或在購房時選擇帶中央空調系統 (末端設備為風機盤管)的公寓房 。這些空調都具有 一個共同點:隨意啟停和調控方便。雖然這些設備 有噪聲、吹風感的問題, 但空調冷凝水能夠及時排 走 ,無凝結水積存問題 。儘管輻射冷卻空調系統具 有顯著的優越性:舒適、節能、無噪音、占用建築空間 少 、設備維修量少 、運行費用低等,但這種靠建築壁 面進行室內空氣冷卻的空調系統容易在冷卻壁面處 產生凝結水 ,使用時需要有控制新風參數 、限制自然 通風等防結露措施。
輻射冷卻技術的防結露措施:(1)輻射冷卻空調系統的房間內應設定露點溫度傳 感器 , 當感知室內空氣濕度偏高時 , 需調整供水溫度 或水閥流量 , 以防止建築壁面結露 。上述特性決定 了採用輻射冷卻技術的空調系統需連續運行 ,室溫 不能波動太大,特別是要求迅速進行空調降溫的房 間更容易結露。(2)送入室內的新風應具有消除室 內空調濕負荷的能力,或配置除濕機 。(3)建築物必 須保證一定的密封性。只有經處理的新風才可以送 入室內 ,不能打開窗戶進行室內自然通風換氣（開窗時應保持室內正壓）。
對風機盤管空調方式與輻射冷卻空調 方式進行了對比實驗研究 。研究結果表明：(1)由於受結露條件的限制,冷水進水溫度不能過 低,限制了輻射冷卻方式所承擔的空調冷量。(2)在 類似重慶的高濕度地區, 僅靠輻射冷卻方式進行空 調降溫不能消除室內的余濕量 , 必須添加其它輔助 降溫除濕設備 。上述研究結果表明:上海、廣州、武 漢、重慶、鄭州、海口 、香港等高濕度城市的建築物空調系統不宜採用輻射冷卻空調方案。
在北京已建成了採用輻射冷卻技術的高級住宅公寓, 其圍護結構熱工性能已經達到歐洲發達 國家的標準 ,夏季空調負荷與國內的節能建築相比 還要低很多 ,因此夏季空調運行時冷卻壁面的溫度 已高於室內空氣露點溫度, 結露問題並沒有出現 。這就提示我們在設計輻射冷卻空調系統時必須認真考慮兩個方面的問題 :一是輻射冷卻技術本身 ;二是 建築物的圍護結構熱工性能是否與輻射冷卻空調方 案相匹配 。顯然如果在圍護結構保溫方面沒有較高 的初投資和達到較高的節能標準,輻射冷卻空調系 統無法正常運行並發揮其優勢 。輻射冷卻空調系統 與傳統空調系統的比較見表 2 。輻 射冷卻技 術 在住 宅空調中套用應注意以下問題:
(1)在家庭生活中 ,成員複雜 ,健康青壯年與老 人、嬰兒、兒童、孕婦 、體弱者和慢性病人等人群對空 調需求差別較大 ,而輻射冷卻技術在空調啟停和調 控方面存在一定不足 。
(2)由於輻射冷卻空調系統處於無法直接排除 凝結水、只能限制凝結水產生的被動局面,在夏季連 續性高溫高濕悶熱天氣中建築壁面結露的可能性較 大。此外家庭生活中許多日常活動(炊事 、洗浴等) 都會在室內直接產生較大濕負荷,使得防結露的控 制難度增大。
(3)建築物夏季自然通風受限(開窗時需保持室 內正壓)並不符合中國傳統的家庭生活習慣, 不利於 居住者的身體健康。即使空調新風足以滿足人體衛 生要求,但不會比隨意打開窗戶的自然風更健康、舒 適,防結露問題使得住戶在夏季無法享受自然通風。
(4)家庭生活與辦公室衣著差別很大。家庭生 活夏季單薄短小,裸露面積大 ,特別是在睡眠時輻射 冷卻壁面對不同體質人群的健康會帶來影響,對此 應進行分析。
表2 常用居住建築的空調方式比較
表2 常用居住建築的空調方式比較小結
我國與歐洲氣候差異較大, 尤其是東部沿海地 區夏季氣候異常悶熱 ,因此在我國推廣這項節能空 調技術時必須考慮我國的氣候條件。儘管輻射冷卻 技術在節能方面較為先進, 但存在一定局限性, 如夏 季空調運行期間室內冷卻壁面結露的可能性增大、住戶無法根據需要隨意調控和開窗進行自然通風, 在我國高熱高濕地區的住宅建設中應慎重採用。
一種用於自然輻射冷卻的光譜選擇性透過薄膜
暴露在晴朗夜空下的物體,通常可以達到比環境溫度低幾度的平衡溫度, 這種現象稱為自然輻射冷卻。地球周圍的大氣層對可見光是透明的,對絕大部分波段的紅外輻射是不透過的，只在8~ 13μm波段透過紅外輻射,此波段稱為“大氣視窗”, 地球表面物 體的熱能就是以紅外輻射的方式,穿過此“大氣視窗” 散發到接近絕對零度的大氣外層空間。但是在晴朗 的白天,要想獲得較好的輻射冷卻效果, 就必須隔絕 周圍環境對該物體的傳熱,首要解決的問題是避免太 陽光中的可見光輻射到該物體上。介紹一種能 阻擋可見光和近紅外輻射透過，又允許8~ 13μm的 紅外輻射透過的光譜選擇性透過薄膜的製備及其光 學性能的測試分析研究。
薄膜的製備及其性能的測試
為了進一步研製開發具有前述特殊功能的薄膜材料,對二氧化鈦進行了多種無機材料的摻雜,並利用光學儀器測試這些摻雜某些無機材料製成的二氧化鈦薄膜的光學性能。
薄膜的製備方法：
(1)將一定量的無機材料（主要有碳黑或硫化 鋅等)研磨成精細的粉末（直徑小於0. 1μm)，然後倒 入 0.5mol 無水乙醇中, 用玻棒攪拌, 製成懸浮液。
(2)在電磁攪拌器作用下，將上述懸浮液緩慢 地滴入0. 25ml鈦酸四丁脂中，使他們充分混合均勻。
(3)在另一個饒杯中配製由1mol無水乙醇，0. 25mol水及0. 02mol鹽酸組成的混合溶液。
(4)在電磁攪拌器作用下，將上述步驟(3)配製好的混合溶液緩慢的滴入步驟(2)配製好的混合溶 液 中,便可得到均勻半透明的溶膠, 在一定的溫度和濕 度下進行水解縮合。
(5)將上述水解縮合後的溶膠緩慢滴到己酸洗乾淨的石英玻璃和鍺晶玻片上,並用刷子輕輕地塗刷 均勻(過多的溶膠可以輕刮到載玻片外), 使溶膠自然在玻片上形成厚度均勻的塗膜(10~ 15min)然後移送 到馬弗爐中加熱處理溫度控制在480°C,為了增加 薄膜的厚度,可每隔10min把樣品膜拿出來，自然風 冷到50℃以下。再塗刷一層溶膠，在室溫環境下放 置5min左右，再把樣品送入馬弗爐加熱處理10min ；重複上述兩個步驟可以得到多層塗層薄膜,當厚度達 到構想要求後,即完成塗膜成型工藝。 這時再把樣品 在馬弗爐進行升溫加熱處理, 溫度升高速度控制在 5C/min以下，當溫度達到550 攝氏度時,控制馬弗爐中的溫度恆定在此溫度,再加熱處理樣品膜100min用於自然輻射冷卻的光譜選擇性透過薄膜材料就製成了。
樣品薄膜的光譜性能測試
某些無 機材料如二氧化鈦( 銳 鈦型) 碳黑，硫化鋅在8~ 13. 5μm波段幾乎是透明的，因此，從理論上分析:用上述方法製備出來的摻雜二氧化鈦薄膜材料，在8~ 13. 5μm波段內透過率也應該是比較高的。在製備該薄膜時選用石英玻璃和鍺晶載玻片作載體,主要是他們分別在可見光—近紅外波段和紅外波段的透過率較高,便於套用光學儀器測試薄膜的光譜透過率;實際測試結果表明:上述方法製成的摻雜二氧化鈦薄膜的紅外透過率還與摻雜濃度和膜的厚度有直接關係, 其中,摻雜濃度是主要因素也是我們實驗研究的重點,薄膜的厚度超過0. 5μm後，其紅外透過 率就急驟下降因此，我們把0.5μm定為紅外透過的極限厚度,此後工作主要是通過多次實驗製備出不同摻雜濃度的樣品薄膜,逐步摸索出摻雜濃度控制在2%以下,才能製備出比較完整的薄膜材料,否則製備出的薄膜有不規則的裂紋和表面過於粗糙。
事實上, 要精確解決摻雜濃度與其光學性能的關係,靠數學模 型的建立和計算機模擬是不可靠的, 我們試用建立數學模型並進行試算, 希望計算結果 能給我們的實驗提供理論依據和濃度參考數值, 結果 與實際相差很遠,對我們的實驗毫無指導價值, 只能 通過反覆實驗,逐步調整摻雜無機材料的濃度, 最後 確定碳黑的摻雜濃度為0. 10%~ 0. 15%製備出來 的摻雜二氧化鈦薄膜基本符合我們的構想和要求, 其 在可見一近紅外的透過率低於15%;在8~ 12μm波段的平均透過率超80%，在2~6μm波段的平均透過 率為45%左右,在厚度為0. 15 ~0.4μm範圍內,他們 的數值隨厚度有很小的變化。圖1 和圖2的實線分別為摻雜碳黑的二氧化鈦薄膜樣品在可見—近紅外 波段的和紅外波段的典型實測光譜透過率曲線圖(摻 雜為濃度0. 15%,厚度為0. 3μm)。另外，硫化鋅的 摻雜濃度控制在0. 10% ~0. 20%時，製備出的摻雜 二氧化鈦薄膜,在可見—近紅外波段的平均透過率在 30%左右,為了便於與摻雜碳黑的二氧化鈦比較,其 典型的光譜透過率用虛線也繪於圖1 中(濃度為 0. 15%,厚度為0. 3μm);而其在紅外波段的平均透過率 與摻雜碳黑的二氧化鈦薄膜的透過率相差非常小, 可以用圖2的曲線來表示。
圖1 和 圖2
圖1 和 圖2結果與討論
從圖1 和圖2來分析,在相同厚度情況下,摻雜碳黑和硫化鋅的二氧化鈦陶瓷薄膜的紅外波段的透 過率基本相同,但是, 前者在可見—近紅外波段的透過率比後者低得多, 作為“風屏”覆蓋材料,在晴朗的 白天,有太陽直射的情況下, 摻雜碳黑的二氧化鈦薄膜材料的遮擋太陽光的能力比摻雜硫化鋅的二氧化 鈦薄膜強,因此, 前者的自然輻射冷卻套用效果也理 應比後者好。
國外研製出一種摻雜硫化鋅 的光譜選擇性透過的塑膠薄片，在8~ 13μm的透過 率很高,在可見光波段內卻具有相當高的反射率, 它 同樣可以用作自然輻射冷卻的“風屏”覆蓋材料。其 提高可見光反射率的機理是散射光學理論:即可見光 照射到直徑與其波長相當的顏料微粒時,可以增強光 的散射效果 , 由於添加顏料的塑膠薄片或漆 膜 固化後, 其表面平整度仍由顏料微粒的直徑確定, 其 強化散射效果得到提高 ,也就是提高其總的反射率。 用溶膠-凝膠法製備摻雜二氧化鈦陶瓷薄膜的過程 中,凝膠在馬弗爐中被加熱處理, 有機成分和水分會 分解及蒸發掉,成膜後的表面並非象鏡面那樣光滑平 整,而是有很多肉眼無法看到的小氣孔和缺陷,但他 們的尺寸往往大於可見光的波長較多,這樣就不會達 到強化散射的效果, 從這個角度分析,可見光的透過 率並不是決定其作為“風屏”材料阻擋太陽光性能優 劣的主要條件,還應參考其半球總反射率的數值。遺 憾的是我們沒有合適的儀器測試摻雜二氧化鈦膜表 面的半球總反射率,無法判斷該二氧化鈦薄膜與塑膠薄片在可見光波段內綜合性能的優劣 。
用溶膠-凝膠法製備摻雜的二氧化鈦薄膜,其力學性能與玻璃相差不多,具有較高的硬度和良好的抗摩擦性，其克氏硬度值為800 ~ 2200kp/ mm2,在化學性能方面 , 對絕大多數有機溶劑和酸 、鹼 、鹽均呈化 學 惰性, 在室外暴曬環境, 其物理光學性能保持不變。 從上述幾個方面來分析比較 , 可以知道該 摻雜二氧化 鈦薄膜的綜合性能優於同樣 用 於輻射冷卻的塑膠薄片和塗料的性能。
結論
通過溶膠-凝膠法可以製備出摻雜某些無機材料 的二氧化鈦薄膜材料, 它具有良好的光譜 選擇透過性能:在8 ~ 12μm波段內具有很高的透過率，允許地球表面的物體發射出的絕大部分紅外輻射透過該薄膜 材料 , 散發到絕對溫度近似零度的 大氣外層空 間;在 可見—近紅外波段,其透過率低於 15%,具有良好的 遮擋太陽光的作用, 它可以用作自然輻射冷卻的“風 屏”材料。
