一种辐射制冷材料的通用表征方法

1.本发明涉及测量技术领域，特别是辐射制冷材料的通用表征方法。


背景技术：

2.辐射制冷技术是指利用外太空作为天然冷源(约3k)，把地表物体热量通过大气窗口传递出去达到降低自身温度的效果，具有无能耗、无污染等特点。已有许多新型材料在实验条件下被证明可以实现全天候的辐射制冷。在评价辐射制冷的性能时，现有研究多采用辐射制冷表面相对于环境的最大温降作为性能指标。然而，为了实现高温降，研究人员在不同的实验中采用了各种方法来减少非辐射传热的影响，包括风屏、气凝胶、抽真空等，这使得不同材料的辐射制冷性能难以在同一基础上进行评价和表征。
3.为了对不同实验装置提供一种通用的方法，来表征辐射制冷材料的性能，除了最大温降外，还需要给出相应的测试装置的非辐射传热系数，因为最大温降不仅取决于材料本身，而且与非辐射传热密切相关。现今通过数值模拟或者梯度加热的方法，推导测试装置的非辐射换热量及换热系数，是比较常见的方法。数值模拟方法，需要利用建模软件建立几何模型，计算量大且需要较多的简化；梯度加热方法，虽然过程相对简单，但难以分离传热过程中的辐射换热部分和非辐射换热部分，且受天气的影响大，测试过程需要耗费大量时间。
4.总之，现有方法通用性不足，推广难度较大。现阶段仍然缺少简单、精确且通用的辐射制冷材料的表征方法，辐射制冷性能的测试也尚无统一标准。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题：为了克服现有方法的缺点与不足，本发明提供了一种解决上述问题，无需要建立复杂模型、避免测试受大气辐射和太阳辐射影响的辐射制冷材料的通用表征方法、辐射制冷测试装置及系统。
6.本发明的技术方案：一种辐射制冷材料的通用表征方法，使用辐射制冷材料的最大温降和辐射制冷材料的非辐射换热系数共同表征辐射制冷材料的性能。
7.进一步的，包括如下步骤，
8.s1.通过辐射制冷测试装置，分别测试辐射制冷材料可达到的最大温降和最大净制冷功率；
9.s2.利用光谱积分方法，分别计算辐射制冷材料在达到稳态时的表面温度和环境温度时的发射功率；
10.s3.通过装置的热平衡方程，消除复杂的大气辐射和太阳辐射的影响，并计算获得非辐射换热功率以及非辐射换热系数；
11.s4.使用最大温降和非辐射换热系数共同表征辐射制冷材料的性能。
12.进一步的，所述步骤s1，包括通过辐射制冷测试装置，分别获取稳态条件下的辐射制冷材料的表面温度ts、环境温度ta以及获取稳定热反馈输入能量p
input
；
13.所述最大温降δt＝t
a-ts；
14.所述最大净制冷功率为稳定热反馈输入能量p
input
。
15.进一步的，所述步骤s2，包括：
16.所述辐射制冷材料在表面温度为最低温度时的发射功率p
rad
(ta)的表达式为：
17.p
rad
(ta)＝∫cosθdω∫i
bb
(λ,ta)εs(ω,λ)dλ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
18.所述辐射制冷材料在环境温度时的发射功率p
rad
(ts)的表达式为：
19.p
rad
(ts)＝∫cosθdω∫i
bb
(λ,ts)εs(ω,λ)dλ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
20.式中，是对半球面积分；ω为立体角，θ为天顶角，为方位角；ibb(λ,ts)为黑体光谱辐射力，由普朗克黑体辐射定律计算得到。
21.进一步的，所述热平衡方程包括达到最大温降所对应的热平衡方程和达到最大净制冷功率所对应的热平衡方程；
22.所述达到最大温降所对应的热平衡方程如下：
23.p
rad
(ts)-p
atm
(ta)-p
non-rad
(ts,ta)-p
solar
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
24.式中，吸收的太阳辐射能量p
solar
、吸收的大气辐射能量p
atm
(ta)、非辐射换热能量p
non-rad
(ta,ts)；
25.所述达到最大净制冷功率所对应的热平衡方程如下：
26.p
rad
(ta)-p
atm
(ta)-p
solar-p
input
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
27.结合式(3)和式(4)，得：
28.p
non-rad
(ts,ta)＝p
rad
(ts)-p
rad
(ta) p
input
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
29.根据非辐射换热能量p
non-rad
(ta,ts)和最大温降δt可以计算非辐射换热系数h
non-rad
，即：
[0030][0031]
进一步的，所述辐射制冷测试装置包括结构尺寸相同的第一辐射制冷测试装置和第二辐射制冷测试装置；
[0032]
所述第一辐射制冷测试装置放置于室外，测量辐射制冷材料在达到稳态时的表面温度(可达到的最低温度)，同时测量环境温度，并计算得到最大温降；
[0033]
所述第二辐射制冷测试装置需要与第一辐射制冷测试装置置于相同环境条件下，测量辐射制冷材料的最大净制冷功率；使用热反馈部件控制电加热片，使表面温度追踪环境温度，获取热反馈输入功率。在所述装置的热反馈调节中，被控变量为辐射制冷材料的表面温度，目标变量为环境温度。
[0034]
进一步的，提出一种等效的辐射制冷材料的通用表征方法，用于在制作尺寸结构完全一致的两组装置难度较大时，或者难以保证两组装置热物性一致时的情况。使用所述第二辐射制冷测试装置获取非辐射换热能量p
′
non-rad
(ta,ts)和非辐射换热系数h
′
non-rad
，包括如下步骤：
[0035]
sa1，将第二辐射制冷测试装置的电加热片处于关闭的状态，保证所述第二辐射制冷测试装置处于一段时间的稳态，测量稳态条件下的辐射制冷表面温度ts；同时，通过气象监测与传感设备测量此时的环境温度ta，并计算可达到的最大温降δt＝t
a-ts；
[0036]
sa2，将第二辐射制冷测试装置的电加热片处于打开的状态，利用热反馈部件控制电加热片来调控辐射制冷材料的表面温度，保持表面温度等于环境温度，获取稳定热反馈输入能量p
′
input
；
[0037]
sa3，根据步骤sa1和sa2所对应的热平衡方程，采用步骤s1-s4，确定第二辐射制冷测试装置在这段时间内的非辐射换热功率p
′
non-rad
(ta,ts)和非辐射换热系数h
′
non-rad
，即：
[0038]
p'
non-rad
(ts,ta)＝p
rad
(ts)-p
rad
(ta) p'
input
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0039][0040]
进一步的，提出一种在风速影响下，辐射制冷材料的通用表征方法。具体流程如下：
[0041]
sb1，在有风环境下，通过气象监测与传感设备测量环境温度ta和环境风速v，同时通过第一辐射制冷测试装置获取稳态条件下的辐射制冷表面温度ts，并计算可达到的最大温降δt＝t
a-ts；
[0042]
sb2，通过第二辐射制冷测试装置，利用热反馈部件使辐射制冷表面温度等于环境温度，获取稳定的热反馈输入能量p
″
input
；
[0043]
sb3，根据步骤sb1和sb2所对应的热平衡方程，采用步骤s1-s4，确定第二辐射制冷测试装置在这段时间内的非辐射换热功率p
″
non-rad
(ta,ts)和非辐射换热系数h
″
non-rad
，即：
[0044]
p
″
non-rad
(ts,ta)＝p
rad
(ts)-p
rad
(ta) p
″
input
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0045][0046]
sb4，在有风条件下，重复所述步骤sb1-sb3，多次测试，并由气象监测与传感设备记录环境风速，以获得在不同风速条件下的非辐射换热量和非辐射换热系数，并对实测结果进行线性拟合，获得风速影响下辐射制冷材料的通用表征方法的经验公式，即：
[0047]hnon-rad
＝a bv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0048]
其中，a和b为待定系数，可以根据拟合结果确定。
[0049]
进一步的，所述辐射制冷测试装置包括位于中心的测试组件和外部的保温组件；所述测试组件自上而下依次为辐射制冷材料、热电偶、铜片、电加热片，各层之间紧密接触；
[0050]
所述保温组件包括包裹所述测试组件边缘及底部的保温材料底座和设置在所述测试组件顶部的风屏；
[0051]
所述辐射制冷表面与铜片紧密接触，二者中间设有均匀分布的热电偶，用于测量辐射制冷表面的温度；
[0052]
所述铜片使辐射制冷材料在所述电加热片作用下受热均匀；
[0053]
所述风屏用于屏蔽辐射制冷表面上方的空气流动，减少对流换热；
[0054]
所述保温材料底座增大辐射制冷表面与外界环境的热阻，减少漏热带来的冷量损失。
[0055]
进一步的，还包括匹配所述辐射制冷测试装置的计算机、数据采集设备、气象监测与传感设备、可编程直流电源及实现热反馈调节功能的labview控制程序：
[0056]
所述数据采集设备用于将辐射制冷测试装置中热电偶的测量结果传输至计算机；
[0057]
所述气象监测与传感设备用于采集和传输各种气象数据；
[0058]
所述辐射制冷测试装置用来测量辐射制冷材料可达到的最低温度及最大净制冷功率；
[0059]
所述实现热反馈调节功能的labview控制程序，它主要用来控制可编程直流电源，根据环境温度调节电加热片的功率，使辐射制冷材料表面温度可以逐时追踪环境温度。
[0060]
有益效果：
[0061]
本发明与现有技术相比的有益效果：
[0062]
与现有技术相比，本发明提供了一种辐射制冷材料的通用表征方法，同时采用可达到的最大温降和非辐射换热系数来共同表征辐射制冷材料的性能，为不同辐射制冷材料提供了统一标准，适用范围广；
[0063]
与现有技术相比，在计算非辐射换热系数时，本方法无需考虑复杂的大气辐射和太阳辐射，且整个过程中无需建立复杂的计算模型，可信度很高。
附图说明
[0064]
图1是本发明的结构示意图；
[0065]
图2是本发明中达到最大温降时的材料表面与外界能量交换示意图；
[0066]
图3是本发明中达到最大净制冷功率时的材料表面与外界能量交换示意图。
具体实施方式
[0067]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更清楚、完整地描述。
[0068]
如图1所示，本发明实施例的一种辐射制冷材料的通用表征方法，包括但不限于计算机1，数据采集设备2，气象监测与传感设备3，第一辐射制冷测试装置4、第二辐射制冷测试装置5，可编程直流电源6，辐射制冷材料7，热电偶8，均热铜板9，电加热片10，风屏11，保温底座12。
[0069]
其中，数据采集设备2用于将热电偶8的测量结果传输至计算机1；气象监测与传感设备3用于采集和传输各种气象数据。
[0070]
第一辐射制冷测试装置4和第二辐射制冷测试装置5分别用来测量辐射制冷材料可达到的最低温度及最大净制冷功率，具体细节如下：辐射制冷表面7与铜片9紧密接触，热电偶8位于二者之间且均匀分布，用以测量辐射制冷表面7的温度，铜片9的作用是使辐射制冷材料在电加热片10作用下受热均匀。加热片10是热反馈部件的重要部分，通过labview程序控制可编程直流电源6输入电压，对辐射制冷表面7进行加热，起到控制辐射制冷表面温度的作用。
[0071]
风屏11的作用是屏蔽辐射制冷表面上方的空气流动，减少对流换热，通常采用在全波段下均具有较高透过率的材料，如聚乙烯等。
[0072]
保温材料底座12的作用是尽可能增大辐射制冷表面与外界环境的热阻，减少漏热带来的冷量损失，也是测试装置的主体结构。通过上述可知，辐射制冷测试装置并不能完全阻断辐射制冷表面与环境的换热，即非辐射换热量及非辐射换热系数会影响辐射制冷材料的制冷效果。
[0073]
实施例一、
[0074]
本实施例提供了一种辐射制冷材料的通用表征方法。具体流程如下：
[0075]
第一步，通过第一辐射制冷测试装置4，获取稳态条件下的辐射制冷表面温度ts(主要是通过热电偶8)，此时热反馈部件不工作，其次通过气象监测与传感设备3测量环境温度ta，计算材料可达到的最大温降δt＝t
a-ts；
[0076]
第二步，通过第二辐射制冷测试装置5，利用热反馈部件控制辐射制冷材料6的表面温度，控制功能主要通过labview程序实现，保证表面温度可以逐时追踪环境温度，获取稳定热反馈输入能量p
input
；
[0077]
第三步，根据所述辐射制冷材料7的光谱发射率εs(λ)，利用光谱积分方法分别计算辐射制冷材料在表面温度为测量环境温度ta和表面温度ts下的辐射能量，p
rad
(ta)和p
rad
(ts)，即：
[0078]
p
rad
(ta)＝∫cosθdω∫i
bb
(λ,ta)εs(ω,λ)dλ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0079]
p
rad
(ts)＝∫cosθdω∫i
bb
(λ,ts)εs(ω,λ)dλ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0080]
式中，是对半球面积分；ω为立体角，θ为天顶角，为方位角；i
bb
(λ,ts)为黑体光谱辐射力，可以由普朗克黑体辐射定律计算得到。
[0081]
第四步，如图2所示，对于第一辐射制冷测试装置4，达到最大温降时，能量的进出主要由吸收的太阳辐射能量p
solar
，吸收的大气辐射能量p
atm
(ta)，发射出去的辐射能量p
rad
(ts)和非辐射换热能量p
non-rad
(ta,ts)，根据能量平衡可列：
[0082]
p
rad
(ts)-p
atm
(ta)-p
non-rad
(ts,ta)-p
solar
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0083]
如图3所示，对于第二辐射制冷测试装置5，达到最大净制冷功率时，能量进出主要由吸收的太阳辐射能量p
solar
，吸收的大气辐射能量p
atm
(ta)，发射出去的辐射能量p
rad
(ta)以及热反馈输入能量p
input
，根据能量平衡可列：
[0084]
p
rad
(ta)-p
atm
(ta)-p
solar-p
input
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0085]
结合式(3)和式(4)，消除大气辐射和太阳辐射，利用热反馈输入能量、两组的辐射能量计算非辐射换热能量，即：
[0086]
p
non-rad
(ts,ta)＝p
rad
(ts)-p
rad
(ta) p
input
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0087]
根据非辐射换热能量p
non-rad
(ta,ts)和最大温降δt可以计算非辐射换热系数h
non-rad
，即：
[0088][0089]
最终，结合最大温降和非辐射换热系数来共同表征辐射制冷材料的性能。
[0090]
实施例二、
[0091]
本实施例提供了一种等效的辐射制冷材料的通用表征方法，用于在制作尺寸结构一完全致的两组装置难度较大时，或者难以保证两组装置热物性一致时的情况，此时对应的系统结构图中只有第二辐射制冷测试装置5。使用所述第二辐射制冷测试装置获取非辐射换热能量p
′
non-rad
(ta,ts)和非辐射换热系数h
′
non-rad
，包括如下步骤：
[0092]
第一步，将第二辐射制冷测试装置的电加热片处于关闭的状态，保证所述第二辐射制冷测试装置处于一段时间的稳态，测量稳态条件下的辐射制冷表面温度ts；同时，通过
气象监测与传感设备测量此时的环境温度ta，并计算可达到的最大温降δt＝t
a-ts；
[0093]
第二步，将第二辐射制冷测试装置的电加热片处于打开的状态，利用热反馈部件控制电加热片来调控辐射制冷材料的表面温度，控制功能由labview程序实现，保证表面温度等于环境温度，获取稳定热反馈输入能量p
′
input
；
[0094]
第三步，根据前两步所对应的热平衡方程，采用与实施例一相同的步骤，确定第二辐射制冷测试装置在这段时间内的非辐射换热功率p
′
non-rad
(ta,ts)和非辐射换热系数h
′
non-rad
，即：
[0095]
p'
non-rad
(ts,ta)＝p
rad
(ts)-p
rad
(ta) p'
input
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0096][0097]
实施例三、
[0098]
本实施例提供了一种在风速影响下，辐射制冷材料的通用表征方法。具体流程如下：
[0099]
第一步，在有风环境下，通过气象监测与传感设备测量环境温度ta和环境风速v，同时通过第一辐射制冷测试装置获取稳态条件下的辐射制冷表面温度ts，并计算可达到的最大温降δt＝t
a-ts；
[0100]
第二步，通过第二辐射制冷测试装置，利用热反馈部件使辐射制冷表面温度等于环境温度，获取稳定的热反馈输入能量p
″
input
；
[0101]
第三步，根据前两步所对应的热平衡方程，采用与实施例一相同的步骤，确定第二辐射制冷测试装置在这段时间内的非辐射换热功率p
″
non-rad
(ta,ts)和非辐射换热系数h
″
non-rad
，即：
[0102]
p
″
non-rad
(ts,ta)＝p
rad
(ts)-p
rad
(ta) p
″
input
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0103][0104]
第四步，在有风条件下，重复所述前三步，多次测试，并由气象监测与传感设备记录环境风速，以获得在不同风速条件下的非辐射换热量和非辐射换热系数，并对实测结果进行线性拟合，获得风速影响下辐射制冷材料的通用表征方法的经验公式，即：
[0105]hnon-rad
＝a bv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0106]
其中，a和b为待定系数，可以根据拟合结果确定。
[0107]
本发明还包括以实现热反馈调节功能的labview控制程序，它主要用来控制可编程直流电源，根据环境温度调节电加热片的功率，使辐射制冷材料表面温度可以逐时追踪环境温度。
[0108]
需要说明的是，本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简洁，本发明未对上述实施例中的各个技术特征的所有可能的组合方案进行描述。然而，只要这些技术的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书的记载范围。
[0109]
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方法，其描述较为具体清晰，但并不能以此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等效与改变，这些都属于本发明的保护范围。
因此本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。