CN107975895B - 基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置及其方法，属于辐射制冷领域。复合节能装置由辐射制冷膜和相变材料层组成，辐射制冷膜和相变材料层之间存在热交换接触面；辐射制冷膜通过向装置外部不断辐射制冷从而持续产生冷量，该冷量存储于相变材料层中。装置结构简单、成本低廉。本发明有益效果包括：夏季通过全天候的辐射制冷带走房屋的热量。夜间的制冷量将相变材料凝固，该材料于白天缓慢融化吸收热量，控制室内温度。冬季整个装置凭借较低的导热系数，有效减少屋内热量的逸散。总体来说，减少甚至免去了房屋的空调用电，做到了节能减排。
Description
技术领域
本发明属于辐射制冷领域，具体涉及一种基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置及其方法。
背景技术
随着全球变暖加剧和人们对生活品质越来越高的要求，制冷的需求增加明显。近年来，不需要消耗能源的被动制冷技术受到了越来越多的关注。
辐射制冷时一种典型的被动制冷方式。其原理是通过在大气的透明窗口波段(8-13微米)进行辐射，将热量传递给温度极低的外太空。为了达到更好的制冷效果，需要尽可能提高物体在8-13微米的发射率以及可见光波段的反射率。
随着不断发射红外波，辐射制冷膜的制冷功率相对稳定。但由于白天环境温度较高且太阳辐射十分剧烈，此时辐射制冷量往往不足，难以控制房屋内的温度。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中辐射制冷设施难以在太阳辐射强烈的情况下控制室内温度的缺陷，并提供一种辐射制冷和相变储能的复合节能装置。
本发明所采用的具体技术方案如下：
基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置，由辐射制冷膜和相变材料层组成，辐射制冷膜和相变材料层之间存在热交换接触面；辐射制冷膜通过向装置外部不断辐射制冷从而持续产生冷量，该冷量存储于相变材料层中。
本发明通过使辐射制冷膜和相变材料层结合，使得夜间的冷量能够存储于相变材料中，供白天吸热。本发明可以有效降低室内温度，大幅度减少主动制冷的耗电量。以白天38℃、夜间28℃、白天平均太阳辐射650W/㎡为例，夜间辐射制冷量120W/㎡，十小时共辐射热量4320KJ，足以使12mm厚的石蜡降温并冷凝，储存2400KJ的冷量。白天制冷膜反射80％的太阳能并且继续以100W/㎡的功率制冷，14小时共吸收6552KJ太阳辐射。加上空气对流换热的约504KJ热量，共计吸热7056KJ，减去5040KJ的辐射制冷量后，剩余的2026KJ热量全部被石蜡层吸收，温度控制在其熔点附近，始终不超过30℃。因此，本发明达到了良好的制冷效果。
本发明中，热交换接触面可以通过辐射制冷膜贴在相变材料层上实现，也可以通过间接换热方式实现。作为优选，辐射制冷膜和相变材料层之间设有强化传热结构。强化传热结构可选择翅片等形式。强化传热结构可通过嵌入相变材料层，增加热交换接触面，加快热传递。
本发明的辐射制冷膜可以采用现有技术中的各种形式只要能向外部不断发射红外波，实现被动制冷即可。作为优选，辐射制冷膜由发射颗粒层和反射膜层组成；反射膜层位于发射颗粒层和相变材料层之间，用于将从外部透过发射颗粒层的光(主要是可见光)反射回装置外部；发射颗粒层由透明基材和包裹于透明基材中的微粒组成，微粒的材质需要具有辐射制冷功能，优选为SiO2、SiC、BN或TiN中的一种或多种。透明基材需保持对可见光较低的吸收率，使其能够尽可能被反射膜层反射回外界环境中。
作为优选，发射颗粒层厚度为50-200μm，微粒的粒径为1-20μm，反射膜层厚度为100-300μm，该比例下整体性能较好。
作为优选，相变材料层外部包覆有隔热材料层，可选用导热系数较低的保温材料，以减少相变材料的冷量损失。
作为优选，相变材料层的材料为石蜡等有机物，熔点为常温范围。
作为优选，反射膜层采用反光性能较好的镀铝或高聚合物薄膜作为反射面。
作为优选，发射颗粒层的制备方法为：将SiO2微粒与透明胶水混合，充分搅拌形成SiO2微粒悬浊液；将SiO2微粒悬浊液均匀涂抹在镀铝膜的表面干燥后形成发射颗粒层。
本发明的另一目的在于提欧共一种采用上述复合节能装置的建筑节能方法，其具体做法为：将装置复合节能装置安装于屋顶或外墙处，辐射制冷膜在夜间通过持续制造冷量使相变材料层冷却凝固，相变材料层在白天融化吸收热量，从而控制建筑物室内温度。
本发明的有益效果包括：夏季通过全天候的辐射制冷带走房屋的热量。夜间的制冷量将相变材料凝固，该材料于白天缓慢融化吸收热量，控制室内温度。冬季整个装置凭借较低的导热系数，有效减少屋内热量的逸散。总体来说，减少甚至免去了房屋的空调用电，做到了节能减排。
附图说明
图1为一个基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置的结构示意图。
图中：颗粒发射层1、反射膜层2、导热翅片3、相变材料4、隔热包覆材料5。左边箭头表示太阳辐射穿过颗粒层后，被反射膜层反射出去；右边箭头表示，发射颗粒在不断对外辐射热量。虚线框表示发射颗粒层的大致微观结构放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
在一实施例中，基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置结构如图1所示。该装置由颗粒发射层1、反射膜层2、导热翅片3、相变材料4、隔热包覆材料5构成。颗粒发射层1位于装置的表面，其中由透明材料作为基材，内部包裹有大量能够不断进行辐射制冷的微粒。颗粒发射层1涂覆在镀铝的反射膜层2，反射膜层2紧贴在导热翅片3的上表面，导热翅片3外围全面包裹隔热包覆材料5。包裹隔热包覆材料5与导热翅片3之间的空隙中用相变材料4填充。
另外，本实施例中，该复合节能装置的制备方法如下：
发射颗粒层涂料制备：将6mL的8μm粒径的SiO2微粒按与94mL聚乙烯烃胶水混合，充分搅拌形成SiO2微粒悬浊液。
辐射制冷膜制备：用200μm的涂膜棒将SiO2微粒悬浊液均匀涂抹在镀铝膜的表面并至于通风处充分晾干。成型后的涂层内部包裹SiO2微粒但整体透明，对可见光吸收率极低。同时由于微米粒子的声子谐振现象，在8-13微米波段有着很高的发射率，大于85％。反射膜将透过发射膜层的可见光反射回空中，总体反射率在80％以上。
相变材料与辐射制冷膜的复合：将制作好的膜层用热导率较低的硅脂贴在厚度为1mm的翅片基板上。翅片高度10mm，外部包覆10mm厚的硬质硅酸铝板进行隔热，板材与基板的12mm间隙全部填充石蜡。
该实施例的复合节能装置，，反射太阳能80％以上，平均辐射制冷功率在95W/㎡以上。夏季时可以实现相变材料始终保持在熔点温度，全天候控制房屋温度在30℃以内。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，装置的制备方法可以进行采用其他现有技术，并不限于上述方法。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置，其特征在于，由辐射制冷膜和相变材料层组成，所述的辐射制冷膜由发射颗粒层和反射膜层组成；发射颗粒层位于装置的表面，其中由透明材料作为基材，内部包裹有能够不断进行辐射制冷的微粒；发射颗粒层涂覆在反射膜层表面，反射膜层紧贴在导热翅片的上表面，导热翅片外围全面包裹隔热包覆材料；包裹隔热包覆材料与导热翅片之间的空隙中用相变材料填充；辐射制冷膜通过向装置外部不断辐射制冷从而持续产生冷量，该冷量存储于相变材料层中；将装置复合节能装置安装于屋顶或外墙处，所述的辐射制冷膜在夜间通过持续制造冷量使相变材料层冷却凝固，相变材料层在白天融化吸收热量，从而控制建筑物室内温度。
2.如权利要求1所述的基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置，其特征在于，微粒的材质为SiO2、SiC、BN或TiN中的至少一种。
3.如权利要求2所述的基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置，其特征在于，所述的发射颗粒层厚度为50-200μm，所述微粒的粒径为1-20μm，所述的反射膜层厚度为100-300μm。
4.如权利要求1所述的基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置，其特征在于，所述的相变材料层的材料为石蜡。
5.如权利要求1所述的基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置，其特征在于，所述的反射膜层采用镀铝或高聚合物薄膜作为反射面。
6.如权利要求1所述的基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置，其特征在于，所述的发射颗粒层的制备方法为：将SiO2微粒与透明胶水混合，充分搅拌形成SiO2微粒悬浊液；将SiO2微粒悬浊液均匀涂抹在镀铝膜的表面干燥后形成发射颗粒层。
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