CN113074424A - 一种基于聚合物气凝胶的辐射空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于温度调节技术领域，具体涉及一种基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，包括依次设置的保温外层、制冷层、高红外发射层和聚合物气凝胶层。本发明依赖于辐射换热，无需中间介质，可减小空调冷量在中间介质中的无用消耗；本发明可解决非密闭空间和户外场所中的温度调节问题，使空调应用范围更加广阔；本发明采用简单有效的方式解决了空调冷板冷量向周围环境的无用耗散问题、太阳光对对低温层的加热问题，提高了空调系统的节能性；本发明可有效避免水蒸气在低温发射层表面的凝结，提高了辐射空调的实用性。

Description

一种基于聚合物气凝胶的辐射空调系统
技术领域
本发明属于温度调节技术领域，具体涉及一种基于聚合物气凝胶的辐射空调系统。
背景技术
空调技术是一种对某一空间、环境或物体温度进行调控的技术，是在建筑温度调节和人体热舒适性管理中常用的技术。
辐射换热是具有温差的物体之间通过热辐射的形式进行能量交换的换热方式，能量的传输依赖于电磁波，无需中间介质。对于温度在环境温度附近的物体来说，其热辐射的能量大部分集中于红外波段。
辐射空调是使冷源物体与热源物体通过辐射换热的形式实现冷热源之间热量传递的一种温度调节方式，一般由冷源、热源和高发射率涂层组成。
现有的空调系统大多为空气循环式系统，即通过空气循环带走冷板的冷量实现室内整个空间的降温，进而通过室内冷空气给房间内的居住者进行降温。在这类系统中，由于存在空气作为中间介质，大量冷量被消耗在了室内空气中，使得冷量未被人体有效利用，造成了能量的浪费。此外，由于依赖于空气循环，这类空调在如走廊、敞开的大厅、户外亭子、公交站等非密闭场所并不适用。辐射空调由于依赖辐射换热进行能量的传输，不依赖于中间介质，可使得冷源冷量直接被人体所利用，减小了冷量在中间传输过程中的损耗，具有更高的节能性。另一方面，由于辐射换热不依赖于中间介质，辐射空调在如走廊、敞开的大厅、户外亭子、公交站等非密闭场所也能派上用场，可拓宽空调的利用范围。但是，目前已提出的辐射空调系统中在空调低温发射层与环境之间大多采用空气层隔开或者是发射层直接暴露于环境中，如专利CN201710489249.7，不可避免地存在空气与冷板之间的对流换热使得冷量散失，因此还需在不影响辐射换热的前提下改进冷板与环境之间的隔热措施。当辐射空调利用于户外时，不可避免的会受太阳光的影响，太阳光可对低温发射层直接进行加热也会造成冷量损失。此外，由于辐射空调发射层温度低于环境温度，在高湿度地区很容易产生水蒸气在发射层表面的凝结，水蒸气的凝结一方面会因液化放热造成冷量损耗，另一方面也会影响发射层的红外发射性能。因此，需要寻找一种有效的隔热方式来解决辐射空调低温发射层与周围空气对流换热、太阳光加热低温发射层和发射层表面的水蒸气凝结问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，增加聚合物气凝胶层，采用具有红外透明、低热导率、反射可见光和疏水性质的聚合物气凝胶与辐射换热相结合的辐射空调设计方案。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，包括依次设置的保温外层、制冷层、高红外发射层和聚合物气凝胶层。
本发明的基于聚合物气凝胶的辐射空调系统由保温外层、制冷层、高红外发射层、聚合物气凝胶四层组成的辐射空调。其中，保温外层用于防止制冷层背部和侧面与环境的换热；制冷层用于实现制冷、产生低温；高红外发射层紧密贴合于制冷层表面，因其具有较高的红外发射率，可以向外辐射和吸收更多的红外波段能量；聚合物气凝胶层具有红外透明、低热导率、反射可见光和疏水的性能，可在不影响辐射换热的同时实现保温、反射太阳光、避免水蒸气凝结。一方面可以减小空调系统冷量的消耗，提高能量利用率，节约能源；另一方面，其可利用于走廊、敞开的大厅、户外亭子、公交站等非密闭空间和户外场所，大大拓展空调的利用范围。
优选地，所述制冷层为制冷片或者制冷管。
优选地，所述高红外发射层为聚二甲基硅氧烷层、聚氟乙烯层、聚氯乙烯层、聚甲基戊烯层、聚对苯二甲酸乙二酯层、一氧化硅涂层、二氧化硅涂层、碳化硅涂层、氮化硅涂层中的任意一种。
优选地，所述聚合物气凝胶层为红外透明气凝胶层或聚乙烯气凝胶层。。
优选地，所述聚乙烯气凝胶的制备方法如下：
1)将聚乙烯、抗氧化剂和石蜡油于室温下混合均匀；
2)将所述步骤1)的混合体系升温至120-200℃搅拌至聚乙烯完全溶解；
3)将模具预热至110-160℃，并将步骤2)中的溶液倒入预热后的模具中；
4)将步骤3)中盛有溶液的模具置于0-10℃下中至出现相分离，得到果冻状凝胶；
5)将步骤4)得到的果冻状凝胶采用有机溶剂进行多次浸泡洗涤，除去石蜡油；
6)将步骤5)中洗涤后的产物采用无水乙醇进行多次浸泡洗涤，除去有机溶剂；
7)将步骤6)中洗涤后的产物进行超临界干燥，得到所述聚乙烯气凝胶。
优选地，所述步骤1)中，混合体系中，聚乙烯的质量百分数为0.2wt％-10wt％；抗氧化剂的质量百分数为0.1wt％-2wt％。
优选地，所述步骤1)中，聚乙烯为超高分子量聚乙烯或高密度聚乙烯。
优选地，所述步骤1)中，抗氧剂为二丁基羟基甲苯、丁基羟基茴香醚、没食子酸丙酯、叔丁基对苯二酚中的任意一种。
优选地，所述步骤5)中，有机溶剂为正己烷、乙醚、石油醚、二氯甲烷中的任意一种。
优选地，所述步骤7)中，聚乙烯气凝胶在中红外波段2.5-25μm波段透过率高于50％，在太阳辐射波段0.3-2.5μm反射率超过80％，导热系数低于0.5W m-1K-1。
本发明的辐射空调系统由保温外层、制冷层、高红外发射层、聚合物气凝胶四层组成。其中，保温外层用于防止制冷层背部与环境的换热；制冷层用于实现制冷、产生低温；高红外发射层紧密贴合于制冷层表面，因其具有较高的红外发射率，可以向外辐射和吸收更多的红外波段能量；聚合物气凝胶具有红外透明、低热导率、反射可见光和疏水的性能，可在不影响辐射换热的同时实现保温、反射太阳光、避免水蒸气凝结。本发明的辐射空调系统一方面可以减小空调系统冷量的消耗，提高能量利用率，节约能源；另一方面，其可利用于走廊、敞开的大厅、户外亭子、公交站等非密闭空间和户外场所，大大拓展空调的利用范围。
本发明具体的工作过程及原理为：
人体的热辐射经空气后透过红外透明的聚合物气凝胶层，被高红外发射层吸收，发射层吸收的人体热辐射量被制冷层带走，即本质上是人体的热量以辐射换热的形式传递到制冷层被带走，可实现人体的散热；保温外层置于制冷层的背部和侧面，防止制冷层的背面和侧面与环境之间的换热；由于聚合物气凝胶具有很低的热导率和很高的可见光反射率，外界环境中的热量和太阳光照可被聚合物气凝胶阻挡在外面，避免了外界环境热量和太阳光对冷源的加热造成冷量损失；由于聚合物气凝胶具有很小的孔径，水蒸气难以透过，避免了空气中水蒸气在冷源表面凝结对发射层发射率带来影响，也避免了凝结相变潜热带来的冷量损失。
本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明依赖于辐射换热，无需中间介质，可减小空调冷量在中间介质中的无用消耗；
2、本发明可解决非密闭空间和户外场所中的温度调节问题，使空调应用范围更加广阔；
3、本发明采用简单有效的方式解决了空调冷板冷量向周围环境的无用耗散问题、太阳光对对低温层的加热问题，提高了空调系统的节能性。
4、本发明可有效避免水蒸气在低温发射层表面的凝结，提高了辐射空调的实用性。
附图说明
图1为实施例1制备的聚乙烯气凝胶的红外光谱透过率图；
图2为实施例1制备的聚乙烯气凝胶的可见光波段反射率图；
图3为实施例1制备的聚乙烯气凝胶的压汞测试孔径分布图；
图4为本发明辐射空调系统的基本结构示意图；
图5为本发明辐射空调中聚合物气凝胶的工作原理图。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
本实施例涉及聚合物气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)称量1g聚乙烯粉末、0.5g二丁基羟基甲苯和98.5g石蜡油；
2)将步骤1)中称取的聚乙烯粉末、二丁基羟基甲苯和石蜡油于室温下在广口瓶中混合；
3)将步骤2)得到的混合液在150℃硅油浴中加热，边加热边用磁性搅拌机搅拌，搅拌的转速为300r/min；
4)将尺寸10cm*15cm*2cm的方形铝制模具置于加热台上预热至110℃；
5)将步骤3)中的溶液加热搅拌约30min后停止搅拌，将溶液倒入步骤4)中预热的模具中；
6)将步骤5)中盛有溶液的模具迅速置于冰水混合物中，等待约5min，出现相分离，得到果冻状凝胶；
7)将步骤6)中的果冻状凝胶置于正己烷中浸泡，使正己烷浸没凝胶，6小时后倒出正己烷，换入新的正己烷；重复三次；
8)将步骤7)中浸泡浸泡三次正己烷后的凝胶置于无水乙醇中浸泡，使无水乙醇浸没凝胶，6小时后倒出无水乙醇，换入新的无水乙醇；重复两次；
9)将步骤8)中经无水乙醇浸泡两次后的凝胶置于超临界干燥仪中干燥约4小时，得到红外透明、低热导率、反射可将光、疏水的气凝胶材料。
本实施例制备的聚合物气凝胶红外光谱透过率如图1所示，其可见光波段反射率如图2所示，其孔径分布如图3所示，其热导率如表1。
如表1所示，经过5次测量，本实施例制备的聚合物气凝胶-聚乙烯气凝胶在294K温度下的平均热导率为0.0283W/m·K，已接近于相同温度下的空气热导率，热导率远远低于大多数保温材料，可见其保温效果优异。
表1：聚乙烯气凝胶热导率
测量次数 温度(K) 热导率(W/m·K)
1 293.96 0.0285
2 293.99 0.0285
3 293.96 0.0285
4 294.06 0.0280
5 294.01 0.0281
平均值 294.00 0.0283
由图1可知，本实施例制备的聚合物气凝胶-聚乙烯气凝胶在红外波段具有较高透过率，其中8-13μm波段平均透过率约为0.75，15-25μm波段透过率高于0.8,22-25μm波段超过了0.9。
由图2可知，本实施例制备的聚合物气凝胶-聚乙烯气凝胶在250-2500nm波段具有较高反射率，其中，在太阳能量的主要集中波段(380-1100nm)反射率超过了0.98，表现出了对太阳光很好的反射效果。
由图3可知，本实施例制备的聚合物气凝胶-聚乙烯气凝胶的孔径分布峰值约为70nm，即孔径大小集中于70nm附近。
实施例2
本发明的辐射空调基本结构如图4所示，其中，1为制冷层，用于实现制冷、产生低温，2为高红外发射层，用于吸收来自于热源的红外辐射能量；3为聚合物气凝胶，在不影响红外透过的同时实现冷层的保温，同时具有反射太阳光和避免水蒸气凝结的功能；4为普通保温层，可采用泡沫塑料等材料，用于防止冷量由背面和侧面向环境散失。
本发明辐射空调中聚合物气凝胶的工作原理如图5所示，其中，5为红外热辐射，可以透过聚合物气凝胶3，被高红外发射层2吸收，最终被制冷层带走，6即表示被制冷层带走的热量；7为环境中的热量，由于聚合物气凝胶的低热导率性质，环境热量被挡在了聚合物气凝胶外；8为太阳光，可被聚合物气凝胶反射回环境；9为水蒸气，由于聚合物气凝胶空隙小，水蒸气无法透过。
实施例3
一种辐射空调系统的搭建方法，包括以下步骤：
1)取一块半导体制冷片；
2)在步骤1)中半导体制冷片冷面涂一层PDMS；
3)在PDMS表层贴合一片聚合物气凝胶，将聚合物气凝胶与涂PDMS后的制冷片固定；
4)在步骤3)制成的复合层四周包一层用于普通保温的泡沫塑料，由此就组合成了一个简单的辐射空调装置；
5)给半导体制冷片接通电源后辐射空调即可开始工作。
实施例4
一种辐射空调系统的搭建方法，包括以下步骤：
1)取一块半导体制冷片；
2)在步骤1)中半导体制冷片冷面涂一层PDMS；
3)在PDMS表层贴合一片聚合物气凝胶，将聚合物气凝胶与涂PDMS后的制冷片固定；
4)在步骤3)制成的复合层四周包一层用于普通保温的泡沫塑料，由此就组合成了一个简单的辐射空调装置；
5)给半导体制冷片接通电源后辐射空调即可开始工作。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，其特征在于：包括依次设置的保温外层、制冷层、高红外发射层和聚合物气凝胶层。
2.根据权利要求1所述的基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，其特征在于：所述制冷层为制冷片或者制冷管。
3.根据权利要求1所述的基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，其特征在于：所述高红外发射层为聚二甲基硅氧烷层、聚氟乙烯层、聚氯乙烯层、聚甲基戊烯层、聚对苯二甲酸乙二酯层、一氧化硅涂层、二氧化硅涂层、碳化硅涂层、氮化硅涂层中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，其特征在于：所述聚合物气凝胶层为红外透明气凝胶层或聚乙烯气凝胶层。
5.根据权利要求4所述的基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，其特征在于：所述聚乙烯气凝胶的制备方法如下：
1)将聚乙烯、抗氧化剂和石蜡油于室温下混合均匀；
2)将所述步骤1)的混合体系升温至120-200℃搅拌至聚乙烯完全溶解；
3)将模具预热至110-160℃，并将步骤2)中的溶液倒入预热后的模具中；
4)将步骤3)中盛有溶液的模具置于0-10℃下中至出现相分离，得到果冻状凝胶；
5)将步骤4)得到的果冻状凝胶采用有机溶剂进行多次浸泡洗涤，除去石蜡油；
6)将步骤5)中洗涤后的产物采用无水乙醇进行多次浸泡洗涤，除去有机溶剂；
7)将步骤6)中洗涤后的产物进行超临界干燥，得到所述聚乙烯气凝胶。
6.根据权利要求5所述的基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，其特征在于：所述步骤1)中，混合体系中，聚乙烯的质量百分数为0.2wt％-10wt％；抗氧化剂的质量百分数为0.1wt％-2wt％。
7.根据权利要求5所述的基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，其特征在于：所述步骤1)中，聚乙烯为超高分子量聚乙烯或高密度聚乙烯。
8.根据权利要求5所述的基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，其特征在于：所述步骤1)中，抗氧剂为二丁基羟基甲苯、丁基羟基茴香醚、没食子酸丙酯、叔丁基对苯二酚中的任意一种。
9.根据权利要求5所述的基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，其特征在于：所述步骤5)中，有机溶剂为正己烷、乙醚、石油醚、二氯甲烷中的任意一种。
10.根据权利要求5所述的基于聚合物气凝胶的辐射空调系统，其特征在于：所述步骤7)中，聚乙烯气凝胶在中红外波段2.5-25μm波段透过率高于50％，在太阳辐射波段0.3-2.5μm反射率超过80％，导热系数低于0.5W m-1K-1。
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