一种内外侧辐射特性双向调控的辐射制冷玻璃设计方法

1.本发明属于辐射制冷技术领域，具体涉及一种内外侧辐射特性双向调控的辐射制冷玻璃设计方法。


背景技术：

2.制冷是生产生活中必不可少的需求，大多数建筑使用的传统冷却系统在消耗电力的同时产生大量的温室气体，辐射制冷技术不消耗外界能量，广泛应用于建筑节能、服饰降温、水冷风冷、电池降温等领域。窗户玻璃是建筑或车窗等封闭空间中能效最低的部分，对于这些特殊的应用场合，需要兼顾透明度和制冷双重需求，但是投射进入内部的太阳光会带入热量，影响辐射制冷性能。因此要求辐射制冷涂层满足：(1)在可见光范围(0.4～0.8μm)具有高透过率，最大限度满足室内的采光需求；(2)在太阳光波段(0.3～2.5μm)具有高反射率，以尽可能减少太阳辐射热量的积聚；(3)在大气窗口(8～13μm)具有高发射率，将热量有效地辐射到外太空。
3.已经有学者针对透明辐射制冷涂层展开研究，并将其用于制备辐射制冷玻璃，进而用于建筑节能，但是其均只考虑了室外环境(如地理位置、天气条件等)变化的影响，并未涉及室内环境变化的影响，从而导致制得的辐射制冷玻璃不能最大化的实现节能降耗的目的。


技术实现要素：

4.为了解决现有辐射制冷玻璃存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种内外侧辐射特性双向调控的辐射制冷玻璃设计方法，根据室内外环境的相对变化，设计不同结构的辐射制冷玻璃，通过内外侧辐射特性双向调控以最大化的实现建筑节能降耗的目的。
5.为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种内外侧辐射特性双向调控的辐射制冷玻璃设计方法，以tio2/ag/tio2作为反射层，记为nir；pdms作为发射层；
7.对于室内无或关闭制冷系统的建筑，辐射制冷玻璃的结构从外到内依次为pdms/nir/glass；
8.对于室内开启制冷系统的建筑，辐射制冷玻璃的结构从外到内依次为pdms/glass/nir。
9.发明人发现，建筑的制冷能耗不仅受地理位置和天气条件的影响，同时室内空调系统的开闭对制冷能耗也会产生影响。在夏季炎热天气中，对于开启空调系统的建筑，其外部结构(包括屋顶、墙壁和窗户等)温度较高，而室内温度较低，内层具有低发射率，高反射率的节能窗可以最大程度上减少外界对建筑室内的传热，维持内部较低温度，从而降低制冷能耗；而对于无或关闭空调系统的建筑，由于其太阳光透过玻璃对室内的加热，使得室内温度较高，内层具有高发射率，即高吸收率的节能窗可以提高建筑室内向外部散热，以达到降低室内温度，节约制冷能耗的效果。因此，本发明根据室内外环境的相对变化，设计不同
结构的辐射制冷玻璃，通过内外侧辐射特性双向调控以最大化的实现建筑节能降耗的目的。
10.上述设计方法中，pdms厚度的设计方法具体为：
11.大气窗口平均发射率
12.其中，i
bb
(t,λ)表示温度为t的黑体光谱发射强度，ε(λ)表示涂层的发射率；
13.如图1所示，在中红外部分，单层ag膜和tio2/ag/tio2三层膜的反射率基本一致，将tio2/ag/tio2简化为单层的ag膜，选定ag膜的厚度，并设定pdms厚度h
pdms
与ag膜的厚度在同一数量级范围内变化，计算得到大气窗口平均发射率进而选定pdms厚度。
14.进一步优选的，选定ag膜的厚度为10μm，pdms厚度h
pdms
在10μm～100μm范围内变化，计算大气窗口平均发射率如图2所示，当pdms厚度h
pdms
为50μm时，当pdms厚度h
pdms
继续增长时，大气窗口平均发射率增长趋于平坦，故选定pdms厚度范围为50μm～100μm；最优选的pdms厚度h
pdms
＝50μm。
15.上述设计方法中，tio2/ag/tio2厚度的设计方法具体为：
16.平均可见光透过率
17.平均太阳光反射率
18.其中，i
am1.5
(λ)表示am1.5标准太阳强度，t(λ)、r(λ)分别表示涂层的光谱透过率、反射率；
19.太阳光波段，在同一数量级范围内，选定ag膜的厚度h
ag
和上下两层tio2的厚度h1、h2，计算不同厚度组合下的平均太阳光反射率和平均可见光透过率
20.为了满足最低要求的日常采光需求，取平均可见光透过率不低于0.7，基于此，取最大出现的h
ag
、h1、h2，分别设定为ag膜的厚度、上层tio2的厚度、下层tio2的厚度。
21.进一步优选的，太阳光波段，考虑蒸镀纳米尺度膜的误差，在5～30nm范围内，以5nm为间隔选取ag膜的厚度h
ag
，在0～60nm的厚度范围内，以10nm为间隔选取上下两层tio2的厚度h1、h2，计算不同厚度组合下的平均太阳光反射率和平均可见光透过率
22.取平均可见光透过率不低于0.7，基于此，如图3所示，最大出现在h
ag
＝25nm，h1＝h2＝40nm处，此时该辐射制冷玻璃在满足采光需求下，具有最优的辐射制冷性能。
23.本发明的优势在于：
24.本发明根据室内外环境的相对变化，设计了pdms/nir/glass和pdms/glass/nir两种不同结构的辐射制冷玻璃，二者均使用pdms作为发射涂层，tio2/ag/tio2作为反射涂层，外层结构的光谱特性曲线保持一致，均具有高太阳光反射率，高可见光透过率和高大气窗口发射率。pdms/glass/nir将反射涂层置于玻璃最内层，其内层平均发射率
外层大气窗口平均发射率pdms/nir/glass则将玻璃作为最内层，其内层平均发射率外层大气窗口平均发射率本发明证实了辐射制冷玻璃内层发射率对开启和关闭空调系统建筑内部温度的影响，对于室内无或关闭空调系统的建筑应选用具有高内层发射率的辐射制冷玻璃，对于开启空调系统的建筑应选用具有低内层发射率的辐射制冷玻璃，通过内外侧辐射特性双向调控，从而实现建筑内部降温和节约制冷能耗的目的。
附图说明
25.图1为中红外部分单层ag膜和tio2/ag/tio2三层膜的反射率图；
26.图2为pdms厚度h
pdms
与大气窗口平均发射率的关系变化图；
27.图3为tio2/ag/tio2中的ag厚度h
ag
与平均可见光透过率和平均太阳光反射率的关系变化图。
28.图4为pdms(50μm)/tio2(40nm)/ag(25nm)/tio2(40nm)/glass辐射制冷玻璃的光谱特性曲线；
29.图5为不同内层发射率辐射制冷玻璃应用，其中：(a)开启空调系统模型；(b)无或关闭空调系统模型；(c)低内层发射率辐射制冷玻璃内外侧实验光谱特性；(d)高内层发射率辐射制冷玻璃内外侧实验光谱特性；(e)开启空调系统内部温度随内层发射率变化；(f)无或关闭空调系统内部温度随内层发射率变化。
具体实施方式
30.现结合实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。
31.本发明中选择75mm
×
75mm玻璃基片为基底，利用热蒸发镀膜制备反射涂层，得到nir/glass和glass/nir透明反射玻璃。使用涂膜器制备pdms发射涂层，得到pdms/nir/glass和pdms/glass/nir透明辐射制冷玻璃。
32.1、pdms层的厚度设计方法为：
33.大气窗口平均发射率
34.其中，i
bb
(t,λ)表示温度为t的黑体光谱发射强度，ε(λ)表示涂层的发射率；
35.如图1所示，在中红外部分，单层ag膜和tio2/ag/tio2三层膜的反射率基本一致，将tio2/ag/tio2简化为单层的ag膜，选定ag膜的厚度为10μm，涂覆10μm～100μm范围内不同厚度pdms，计算大气窗口平均发射率可以发现大气窗口平均发射率随着pdms层厚度的增加而逐渐增大，当h
pdms
＝50μm时，此后h
pdms
对影响较小，增长趋于平坦，故选定pdms层的最佳厚度为50μm。
36.2、tio2/ag/tio2层的厚度设计方法为：
37.平均可见光透过率
38.平均太阳光反射率
39.其中，i
am1.5
(λ)表示am1.5标准太阳强度，t(λ)、r(λ)分别表示涂层的光谱透过率、反射率；
40.太阳光波段，考虑蒸镀膜层厚度误差，在5～30nm范围内，以5nm为间隔选取ag膜的厚度h
ag
，在0～60nm的厚度范围内，以10nm为间隔选取上下两层tio2的厚度h1、h2，计算不同厚度组合下的平均太阳光反射率和平均可见光透过率
41.对于建筑节能设计来讲，为了满足最低要求的日常采光需求，通常需要满足平均可见光透过率不低于0.7。当要求不低于0.7时，最大出现在h
ag
＝25nm处，优化得到的对应结构的pdms(50μm)/tio2(40nm)/ag(25nm)/tio2(40nm)/glass辐射制冷玻璃的光谱特性曲线见图4。
42.3、不同内层发射率辐射制冷玻璃应用
43.建筑的制冷能耗不仅受地理位置和天气条件的影响，同时室内空调系统的开闭对制冷能耗也会产生影响。在夏季炎热天气中，对于开启空调系统的建筑，其外部结构(包括屋顶、墙壁和窗户等)温度较高，而室内温度较低，内层具有低发射率，高反射率的辐射制冷玻璃可以最大程度上减少对建筑室内的传热，维持内部较低温度，从而降低制冷能耗，如图5a所示；对于无或关闭空调系统的建筑，其外部结构的温度较低，而室内空气的温度较高，内层具有高发射率，即高吸收率的辐射制冷玻璃可以提高建筑室内向外部散热，以达到降低室内温度，节约制冷能耗的效果，如图5b所示。针对不同的建筑选取不同结构的辐射制冷玻璃是降低制冷能耗的有效策略。
44.本发明设计了pdms/nir/glass和pdms/glass/nir两种不同结构的辐射制冷玻璃，二者均使用pdms作为发射涂层，tio2/ag/tio2作为反射涂层，外层结构的光谱特性曲线保持一致，均具有高太阳光反射率，高可见光透过率和高大气窗口发射率，它们的光谱特性曲线如图5c和5d所示。pdms/glass/nir将反射涂层置于辐射制冷玻璃最内层，其内层平均发射率外层大气窗口平均发射率pdms/nir/glass将玻璃基底作为辐射制冷玻璃的最内层，其内层平均发射率外层大气窗口平均发射率
45.为了比较不同内层发射率辐射制冷玻璃的制冷性能，基于能量守恒方程，计算了不同内层发射率玻璃下室内温度。建筑开启空调系统时的计算结果如图5e所示，随着辐射制冷玻璃内层发射率的降低，高温辐射制冷玻璃与低温建筑内壁的辐射换热减弱，减小了系统内部冷量的丧失，内部平均温度降低，最高温度逐渐升高，因为系统最高温度为辐射制冷玻璃温度。建筑关闭空调系统时的计算结果如图5f所示，可知随着辐射制冷玻璃内层发射率的增加，低温辐射制冷玻璃与高温建筑内壁的辐射换热增强，系统向外界环境散热增强，系统平衡时内部最高温度和平均温度逐渐降低。计算结果证实了辐射制冷玻璃内层发射率对开启和关闭空调系统建筑内部温度的影响，对于无或者关闭空调系统的建筑应选用
具有高内层发射率的辐射制冷玻璃，对于开启空调系统的建筑应选用具有低内层发射率的辐射制冷玻璃，从而实现建筑内部降温和节约制冷能耗的目的。