何宏杨，宋殷乐，江清阳，侯景鑫

(嘉兴学院 建筑工程学院，浙江 嘉兴 314000)

1 项目背景

目前，我国已经拥有家用空调1亿台，商业空调 120万台，空调能耗占全国耗电量的15%左右．夏季用电高峰期，空调用电量甚至达到城镇总用电量的 40%[1]。由此可见，空调方面的节能降耗，以及研究开发制冷降温的的新方法、新技术，是刻不容缓的任务，探索研究降低空调能耗的方法已成为新的研究方向。而在我们普通生活中所见到的集热器一般只能在白天吸收热量提供热水，功能单一。因此，我们想到将太阳能集热与天空辐射制冷结合起来，充分利用夜晚时间，将水降温，通入室内辅助房间降温。

太阳能集热器只能在白天将热水加热，晚上闲置；同时占地面积较大，不能将时间、空间充分利用起来。针对现有太阳能集热器的缺点，本项目利用大气窗的原理提出了集集热与集冷于一体的多功能太阳能热利用装置。在白天利用太阳能集热对用户提供热水；在晚上利用“大气窗”，结合天空辐射制冷技术，实现产生冷量的目的。

2 复合集热器工作原理

2.1 “大气窗”工作原理

光波辐射通过大气传输时，要受到大气的吸收和散射。利用高层大气作为冷源，使地面上物体在不消耗或消耗少量能源的情况下，以辐射换热的方式，将供冷水箱中的热量辐射到外太空，实现制冷，称这种完全以辐射方式将热量释放到宇宙空间的制冷方式为辐射制冷[2]。

由科学家对大气光谱透过特性的分析可知，大气层对不同波长的电磁波有不同的透射率，透射率较高的波段称为“大气窗口”，在3～5 μm大气窗口的大气背景辐射佷小；在8～12 μm大气窗口内10 μm附近的大气背景辐射较强[3]，常温下的黑体辐射主要集中在这段，所以8～12 μm波段是我们主要研究波段。

2.2 设计方案

复合集热器分为上下两面(如图 1)，顶面为玻璃盖板和为白天工作吸热的太阳能集热板；底面为夜间工作的辐射制冷板，中间填充保温材料，两面是两套独立的工作系统。集热器绕中心轴可180°转动，靠近中心轴两端使用软管分别连接集热水箱和供冷水箱，并加以水泵进行强制对流。

图1 集热板剖面图

2.3 运行模式

辐射板：是板状的暖通空调设备，是发出红外热辐射的加热器或者吸收红外辐射的制冷器。高温物体向低温物体以放射红外线的方式进行热传递这一过程，叫做热辐射。低温物体吸收高温物体的红外线，称为冷辐射。

白天工况：集热水箱工作，具有红外发射率低特点的选择性吸收涂层向上，吸收太阳能热量，对集热管束加热，并由玻璃盖板进行保温。

夜晚工况：供冷水箱工作，具有对于8～12 μm波段的红外发射率高的特点的涂层(例如黑漆)向上，通过“大气窗”向外太空辐射散发热量，对制冷管束制冷；冷却水可注入屋顶、地板、墙壁，为房屋降温。

3 复合集热器性能估算

辐射制冷量理论分析：为了简化分析，本分析假设集热器辐射面为黑体(温度为300K)。另外假设集热器辐射面只和高层大气之间进行辐射换热(根据相关资料温度为220K)。按照辐射理论，集热器辐射面通过大气窗散热功率为：

Q=cmΔt

即 Δt=5988÷4.18÷180=8℃

按此功率，假设2 m2的集热器一晚上工作8 h，1.84 m2的辐射面能产生冷量5988 kJ，可将水箱中180 L的27℃自来水降低8℃，效果显著。

4 结论

(1)利用建筑物屋顶作为载体，实现热量和冷量的收集；

(2)结构简单，成本低，便于大规模推广；

(3)多功能，将制冷、集热结合起来。夜间制冷，有效降低建筑空调负荷，从而降低建筑能耗，使人们有舒适凉爽的感觉。