一种被动式天空辐射能量转换器的制作方法

本发明属于建筑环境与设备工程、建筑热环境及制冷工程技术领域，具体涉及一种被动式天空辐射能量转换器。

背景技术：

在空调领域内，低能耗的制冷技术成为重要课题，从自然环境中直接得到冷量、不消耗或少消耗一次能源的被动式制冷技术在国内外科技界得到广泛研究。被动式制冷就是科学地利用自然条件(但并不排除风机或泵的应用)实现空间温湿度控制的一种制冷方式。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”，例如，0.3～0.25μm,3.2～4.8μm，8～13μm等，其中8～13μm波段是人们最感兴趣的，因为常温下的黑体辐射主要集中在这一段。地表上物体的能量就是通过辐射换热，将自身热量以8～13μm电磁波的形式通过“大气窗口”排放到温度接近绝对零度的外部太空，形成辐射热损失。夜间天空辐射制冷技术属于被动式制冷技术的一种，基于长波辐射的热损失原理，使物体的热量以红外辐射传热形式，穿过波长为8～13μm的“大气窗口”散发至接近绝对零度的天空，从而实现免费制冷。

由于夜间天空辐射制冷技术的制冷性能受到云层、风速和周围空气温度等因素的影响，且辐射制冷器的制冷量与建筑物的冷负荷不匹配，目前关于夜间天空辐射制冷器研究为数不多。一种利用形式是采用普通的平板式太阳能集热器夜间运行兼作辐射制冷器，其制冷效率很低；另一种利用形式是专门设计结构复杂的制冷器进行夜间长波辐射，其制冷效率有所提高但加工制作和维护费用较高，不适合工程实际应用。

现有公开文献中，如中国实用新型cn203757934u公开了一种作为辅助冷源的太空辐射制冷器，其采用无铆钉压铆加胶粘剂连接两张分布点状凹陷的镀锌钢板的方式形成辐射制冷器模块，在镀锌钢板外涂白色二氧化钛以增强太阳辐射反射率，仅具有夜间辐射制冷功能。而且在实践中发现，由于其辐射制冷器模块采用镀锌钢板制作，需要在屋面现场压铆加胶粘剂连接，当制作质量不佳时，其板面平整度难以保证，使用中容易造成循环水流道不规则、积气、鼓包等现象，进而引起因局部承压过大或日晒温度过高而产生的开胶、漏水等问题，严重影响辐射制冷器的制冷效率和可靠性。

针对现有技术中的缺点，本发明提出了一种被动式天空辐射能量转换器。

技术实现要素：

本发明的目的是，为了克服现有技术存在的局限性，推广应用夜间天空辐射制冷这种被动式制冷技术，本发明设计了在空调系统冷却水温度范围内辐射制冷效率较高、加工简单、且制造维修费用低廉的一种被动式天空辐射能量转换器，该种被动式夜间天空辐射能量转换器通过夜间天空辐射散热的方式，可以有效降低辐射能量转换器内部流动循环水的温度，所产生的低温水可应用于夜间辐射供冷系统，在最佳气象条件下直接应用于建筑供冷或者作为其它主动式空调系统的辅助冷源使用。同时，该辐射能量转换器兼具白天太阳短波集热供能，可向建筑供应生活热水。本发明采用以下方案：

一种被动式天空辐射能量转换器，包括框架和辐射能量转换模块，所述辐射能量转换模块固定于所述框架，所述辐射能量转换模块包括若干个并排连接的不锈钢扁管状件，若干个不锈钢扁管状件内部形成供循环水流动的小厚度通道；所述若干个不锈钢扁管状件的长度方向两端分别连通循环水分水器和循环水集水器，不锈钢扁管状件的宽度方向并排连接。

为了进一步增强本发明于夜间的红外长波发射率和白天的太阳辐射短波吸收率，在朝向天空的不锈钢扁管状件外表面涂覆具有短波高吸收率和长波高发射率的有机黑漆涂层。

所述若干个不锈钢扁管状件的两端均连接分集水器，分集水器具有循环水入口和循环水出口。

所述的循环水分水器与循环水入口连通，循环水集水器与循环水出口连通。

夜间制冷工况下，循环水在不锈钢扁管状件内流动时，通过对流换热方式将所携带热量传递至不锈钢扁管状件的内表面，然后通过一定的导热方式将热量传递至不锈钢扁管状件的外表面，最后通过红外长波辐射将热量散发至夜间天空，从而实现夜间制冷效果。

白天供应生活热水工况下，循环水在可兼作太阳能集热器的辐射能量转换模块的不锈钢扁管状件内流动时，不锈钢扁管状件外表面通过光热转换获得的热量以导热方式传递至不锈钢扁管的内表面，然后通过对流换热方式将热量传递至循环水，使循环水温度升高，从而实现生活热水加热效果。

所述的辐射能量转换模块沿循环水流动方向的两端安装自动排气阀，以实现系统的排气。

所述的辐射能量转换模块为多块时，模块之间可通过镀锌钢管实现并联或串联连接。

在所述框架的底板与辐射能量转换模块之间设有保温材料填充层。

兼顾到夜间辐射制冷和白天太阳能吸热，本发明的最佳安装方式是平放于建筑物屋面上。

本发明的有益之处在于：

1、在空调系统冷却水温度范围内，本发明所公开的方案制冷效率较高、加工简单、且制造维修费用低廉，通过夜间天空辐射散热的方式，可以有效降低辐射能量转换器内部流动循环水的温度，所产生的低温水可应用于夜间辐射供冷系统，在最佳气象条件下直接应用于建筑供冷或者作为其它主动式空调系统的辅助冷源使用。

2、本发明公开的方案中，在宽度方向上，多个不锈钢扁管状件之间的连接避免了板材类焊接等方式的使用，可以保证规则的小厚度循环水流道，承压性能好，易于排气，有效减少由屋面现场制作产生的积气、鼓包、漏水等问题。

3、通过在辐射能量转换模块的朝向天空的不锈钢扁管状件外表面涂覆具有短波高吸收率和长波高发射率的有机黑漆涂层，本发明所公开的辐射能量转换器兼具白天太阳短波集热供能，可用于加热建筑生活热水。

附图说明

图1低成本被动式天空辐射能量转换器的构造图，

图2为图1的b-b视图，

图3为图1的a-a视图，

图中：1-1循环水分水器，1-2循环水集水器，1-3保温材料，1-4金属框架，1-5不锈钢扁管状件，1-6循环水入口，1-7循环水出口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所述技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要指出的是，以下实施例中的方位用词是根据附图和实际使用习惯进行描述的。

实施例1

为了合理利用建筑物宝贵有限的屋面面积，充分利用可再生能源，本实施例将夜间辐射制冷与白天太阳能集热结合起来，设计了低成本被动式天空辐射能量转换器，可以在夜间提供制冷量，兼在白天利用太阳能供应生活热水。与结构复杂的装置相比，简单的不锈钢矩形扁管结构作为循环水通道可以形成厚度较小的循环水层，有利于循环水与周边环境之间的换热。同时可以避免镀锌钢板屋面现场压铆加胶粘剂连接，或不锈钢板屋面现场焊制时形成的积气、鼓包、开胶、漏水等问题。

由于不锈钢矩形扁管1-5价廉易得，坚固耐用，导热系数和热扩散系数大，且在红外辐射波段具有较高发射率，在太阳光短波辐射段具有较高吸收率，因此本实施例选用不锈钢矩形扁管状件1-5作为循环水与周边环境之间换热的流动通道。所用不锈钢矩形扁管状件1-5的尺寸为10×100×1mm。使用不锈钢扁管状件作为本实施例的循环水通道可以形成小厚度的循环水层，有利于循环水与周边环境之间的换热。同时可以避免屋面现场焊制不锈钢板时因板面不平形成的积气、鼓包、漏水等现象。采用不锈钢扁管通道有利于辐射能量转换模块内的排气和水循环，可以保障被动式天空辐射能量转换器的长期可靠运行。

为了进一步增强夜间的辐射制冷量以及白天的太阳辐射得热量，本实施例考虑经济性后，在不锈钢扁管状件上表面涂有机黑漆涂层，有机黑漆涂层由掺量为10％的高色素碳黑和环氧树脂粘结剂组成，效果参数为，8～13μm的红外发射率ε≈0.977，太阳光吸收率α≈0.917～0.927。

采用不锈钢扁管通道有利于辐射能量转换模块内的排气和水循环，具有相当的辐射制冷和供热能力，且更易加工、安装和维护，具有更高的性价比。可以保障低成本被动式天空辐射能量转换器的长期可靠运行。

工程中可按照实际所需的辐射制冷量选用一个或多个辐射能量转换模块，选择时可兼顾生活热水制热量。如图1所示，低成本被动式天空辐射能量转换器包括一个镀锌钢板金属框架1-4，在所述的金属框架1-4上至少设有一个辐射能量转换模块，辐射能量转换模块包括一组不锈钢矩形扁管状件1-5，不锈钢矩形扁管状件1-5内形成供循环水流动的通道；所述的不锈钢矩形扁管状件1-5长度方向的两端分别连通外径均为40mm的循环水分水器1-1和循环水集水器1-2，所述的循环水分水器1-1与循环水入口1-6连通，循环水集水器1-2与循环水出口1-7连通；宽度方向两端采用无铆钉压铆加胶粘剂连接。

从图1中可以看出，所述循环水分水器1-1实际上具有2个，分别连接于辐射能量转换模块的两端，辐射能量转换模块一端的循环水分水器1-1具有循环水出口1-7，辐射能量转换模块另一端的循环水分水器1-1具有循环水入口1-6.

所述的不锈钢矩形扁管1-5宽度为10cm，距离安装面高度为1cm，壁厚为1mm，长度为5m；不锈钢矩形扁管1-5宽度方向两端采用胶粘剂连接。

所述的被动式天空辐射能量转换器模块沿循环水流动方向的两端安装自动排气阀，以实现系统的排气。

所述的被动式天空辐射能量转换器模块为多块时，辐射能量转换器模块之间可通过镀锌钢管实现并联或串联连接。

所述若干个不锈钢矩形扁管状件1-5的两端均连接分集水器，分集水器具有循环水入口1-6和循环水出口1-7。

所述的循环水分水器1-1与循环水入口1-6连通，循环水集水器1-2与循环水出口1-7连通。

为了增强被动式天空辐射能量转换器内循环水与周边环境之间的换热强度，本实施例使循环水在距离安装面高度为1cm的10个5m长不锈钢矩形扁管状件1-5形成的通道内流动。不锈钢矩形扁管状件1-5长度方向两端通过外径为40mm的分集水器与镀锌钢管循环水管路连接，宽度方向两端采用胶粘剂连接，从而避免了屋面现场制作造成的一系列问题。

为了适应不同的辐射制冷量、生活热水供热量和安装条件，每个被动式天空辐射能量转换器模块的长度可在1～10m之间调整，宽度可在0.3～3m之间调整，此处的调整是指在现场安装之前调整。各模块之间采用镀锌钢管实现串联或并联连接，根据各模块内的循环水流量通过水力计算确定模块间镀锌钢管的管径。

根据辐射换热空间热阻的特性，辐射表面与天空平行时的空间热阻最小，辐射换热性能最佳。因此，被动式天空辐射能量转换器的最佳安装方式是平铺于建筑物屋顶上，这样亦可兼顾白天的太阳辐射得热。

被动式天空辐射能量转换器的制冷性能和制热性能随其内部循环水流速的增大而升高，但流速过大又会增加循环水泵的能耗，且流速过大时的循环水温差较小。因此辐射能量转换器存在循环水的经济合理流速。经模拟计算比较，当辐射能量转换器的宽度为1米时，此循环水流速为0.03kg/s左右。

循环水的循环动力可由管道循环泵提供。为了实现低成本被动式天空辐射能量转换器的冷、热蓄能，可在循环水管路上设置保温水箱。

如图2所示，所述辐射能量转换器模块与所属金属框架1-4之间填充保温材料1-3，保温材料1-3可以采用矿物棉岩棉及其制品、玻璃棉及其制品、硅酸铝棉及制品、硅藻土、硅酸钙及其制品、膨胀珍珠岩及其制品、加气混凝土、模塑聚苯乙烯泡沬塑料、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯硬质泡沬塑料。

在本实施例中，所述的框架包括框架体和底板，框架体为镀锌钢板加工字钢金属框架1-4，框架的底侧安装底板，底板采用金属底板，在金属框架1-4底板与辐射能量转换器模块之间设有聚苯乙烯泡沫保温材料1-3，厚度为30mm。

为了固定保温材料1-3，所述保温材料1-3可使用粘结剂粘结于框架，还可以粘结于辐射能量转换器模块背面。

另一方面，本实施例的辐射制冷性能取决于云层厚度、云层高度、周围空气的干/湿球温度、风速等气象条件。为实现高效运行，应尽可能地在晴朗少云的夜间开启太空辐射能量转换器。

为了验证低成本被动式天空辐射能量转换器的实际运行性能，可以在循环水管路上安装温度和流量传感器。为了测试辐射能量转换器器表面沿流动方向的温度变化，可在不锈钢矩形扁管1-5上表面外侧粘贴pt1000型热电阻温度传感器，通过数据采集系统分析其实际运行性能。

实施例2

实施例2公开了一种使用如实施例1公开的被动式天空辐射能量转换器的夜间室内温度调节系统，包括用于安装于建筑物外墙或顶面的被动式天空辐射能量转换器以及与其连接的制冷件，制冷件及其具体安装调试为本领域技术人员所熟知的内容，在此不再赘述。

实施例3

实施例3公开了一种使用如实施例1公开的被动式天空辐射能量转换器的白昼热水供应系统，包括用于安装于建筑物外墙或顶面的被动式天空辐射能量转换器以及与其连接的制热件，制热件及其具体安装调试为本领域技术人员所熟知的内容，在此不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。