透射型辐射制冷膜对冷饮柜降温节能模拟分析

夏海宾,冯海燕,吕银燕,许伟平,徐静涛

(1.湖杭铁路有限公司，浙江 杭州 310000;2.宁波瑞凌新能源材料研究院有限公司，浙江 宁波 315500；3.宁波瑞凌新能源科技有限公司，浙江 宁波 315500)

随着我国及全球的经济发展，人民对食品的品质需求日益增长，促使全球冷链技术不断发展完善，同时冷链所造成的环境问题也日益严重。在冷链的所有环节中，终端设备冷冻冷藏产生的耗能以及碳排放在整个冷链的50%以上[1]，因此对终端设备(如无人售货冷柜)进行节能改造以提升其能效对节能减排具有重要意义。

随着互联网技术的发展，无人售货冷柜等商用冷柜的数量不断攀升。而商用冷柜却普遍存在能耗普遍较高的问题，其节能设计存在较大改进空间[2]。冷柜的节能设计关键在于其外围护结构传热特性的控制，目前通常采用较好的保温材料隔绝外界得热，对于商用冷柜，为方便物品展示，通常有部分围护结构采用玻璃，如冷藏柜，冷饮柜等，尤其是冷饮柜，同时，为吸引消费者、促进饮品销售，有大量冷饮柜放置于户外，而冷饮柜的玻璃的传热性能，对冷饮柜的能耗情况具有重要影响[3-4]。为减少玻璃结构得热、降低空调制冷能耗，目前市面上冷饮柜的透明玻璃结构多采用中间充入氩气(Ar)或氪气(Kr)等惰性气体的双Low-e中空玻璃[5]。Low-e玻璃对波长在4.5～25 μm范围内的远红外具有较高的反射率，可以将大部分远红外辐射反射出去，其表面发射率低于0.25，阻隔了外部长波辐射传入，抑制了外部热量向内传导，达到节能保温的作用[6-10]。但另一方面，也阻隔了内部长波辐射向外传播，抑制了内部热量向外传导。因此，在冷饮柜制冷设备停用状态下，受Low-e中空玻璃光学性能的影响，冷藏室内部热量无法传递至外界环境中，内部温度超过保温材料(如聚氨酯泡沫等)的形变限定温度(稳定性测试温度80 ℃[11])，材料变形导致柜体损坏无法继续使用。

近年来，随着辐射制冷技术的研究及发展，具有选择性光学特性的透射型辐射制冷材料已广泛应用于建筑玻璃结构外表面，具有高选择性发射率的材料通过大气窗口将中红外电磁波传入外太空[12-21]；Zhitong Yi等人[21]在透射型辐射制冷材料降温试验研究中取得了最大温差为21.6 ℃的成果。透射型辐射制冷薄膜(下称：透射膜)是一种由柔性聚酯和二氧化硅微球制成的辐射制冷超材料[13]，其可见光波段透射率和中红外波段发射率光谱曲线如图1所示，从图中可以得出透射膜在可见光波段的透射率为0.710；中红外波段的半球发射率为0.852，8～13 μm大气窗口发射率0.920。

图1 透射膜光谱性能

本文以实体冷饮柜为例，采用Energyplus全建筑能耗模拟软件，模拟分析透射型辐射制冷材料应用于冷饮柜玻璃结构外表面后柜体内部温度及冷饮柜制冷能耗变化。

1 模型建立及参数设置

1.1 数学模型

冷饮柜玻璃门表面传热数学模型如式(1)所示[16]

qradA+K(Ts-Tm)=qatmA+qcon,outA+qsunA

(1)

式中qrad——辐射制冷膜的辐射量;

K——冷饮柜玻璃门一半的热导率;

Tm——冷饮柜玻璃门结构的平均温度;

qatm——大气辐射量;

qcon,out——室外空气与辐射制冷的对流换热量;

qsun——辐射制冷膜吸收的太阳辐射量;

A——冷饮柜玻璃门表面面积。

式(1)中qrad由半球积分得出，如式(2)所示[16]

(2)

式中εfilm——辐射制冷膜的发射率。

1.2 模型建立

Energyplus是一款全建筑能耗模拟软件，其负荷计算模块采用传递函数法、热平衡法和热网格法模拟计算建筑窗、墙结构负荷变化；窗玻璃的太阳辐射得热通过设置其反射率和发射率等参数进行计算[22]。本文采用Energyplus 8.7版本对冷饮柜内部温度和能耗进行模拟计算。

参照实体冷饮柜实际尺寸(0.66 m长、0.58 m宽、2.04 m高)，绘制三维几何结构模型，并按灯箱、冷藏室、空调机组对冷饮柜进行分区，分为3个热区域(Thermal Zone)。如图2所示，Thermal Zone 1为灯箱热区，Thermal Zone 2为冷藏室热区，Thermal Zone 3为空调机组热区。模拟过程中依据不同类型的柜体玻璃，将分为3个工况进行计算。工况1：双Low-e中空玻璃；工况2：双Low-e中空玻璃外贴透射型辐射制冷膜(下称：双Low-e中空玻璃+透射膜)；工况3：双层中空白玻璃外贴透射型辐射制冷膜(下称：双层中空白玻璃+透射膜)。此外，温度及能耗模拟计算中又分为负载和空载工况分别模拟计算。

图2 冷饮柜实体图(左)和Energyplus冷饮柜三维模型(右)

1.3 围护结构参数设置

冷饮柜柜体不透明围护结构由外壳和保温材料构成，其中外壳为不锈钢板，保温材料为硬质聚氨酯泡沫，围护结构物理参数如表1所示。表1为不透明围护结构物理参数[5]。

表1 不透明围护结构物理参数[4]

冷饮柜柜门的典型结构由中间填充氩气(Ar)的双Low-e中空玻璃或双层中空白玻璃构成，玻璃结构如图3所示，其中玻璃1/2分别表示双层玻璃的外侧/内侧玻璃。单片Low-e中空玻璃或白玻璃的相关物理参数如表2所示，透射膜的具体光学数据如表3所示。

图3 玻璃结构示意

表2 玻璃性能参数

表3 透射膜光学参数

负载工况下模拟计算温度和能耗时，冷藏室内饮品罐表面积按0.034 m2/瓶计算，饮品的比热容与密度采用水的比热容和密度，其中水的比热容为4 200 J/(kg·K)，水的密度为1 000 kg/m3。能耗模拟计算过程中，制冷温度设定8 ℃，cop设定1.01[23]。

气象参数采用深圳地区(属夏热冬暖地区，东经114.1°，北纬22.5°)典型年气象数据[24]并导入模拟软件进行仿真模拟。图4为深圳地区典型年太阳总辐射(左)和干球温度(右)全年变化情况。

图4 深圳地区典型年瞬时太阳辐射(左)和干球温度(右)

2 模拟结果及分析

2.1 温度模拟结果

2.1.1 冷饮柜空载状态下内部温度

将冷饮柜玻璃门置于东(a)、南(b)、西(c)、北(d)四个朝向模拟计算冷藏室内部温度，冷藏室空载时内部逐时温度模拟计算结果如图5所示。从图5可以看出，空载状态下，冷饮柜玻璃门朝东/西/北时，冷藏室内部温度主要变化规律为夏季、秋季高，春季、冬季稍低；而冷饮柜玻璃门朝南时，冷藏室内部温度主要变化规律为冬季偏高，春季、夏季、秋季相对偏低。

图5 空载状态下玻璃门不同朝向柜体内部逐时温度变化

根据上述规律，将选取每个朝向最高温的发生日进一步分析不同玻璃工况下冷藏室内部温度的变化，如图6所示。工况1朝南时冷藏室内最高温度出现在冬季12月29日15:00，可达97.6 ℃；一方面是由于工况1表面太阳光反射率和红外半球发射率均低于工况2和工况3，致使冷藏室内获得的辐射热量较多；另一方面是由于冬季太阳高度角较小，导致冷饮柜柜体通过玻璃门获得热量相比于其它3个朝向较多。此时工况2内部温度为73.7 ℃，相比于工况1/工况3降低23.9 ℃/5.7 ℃。

图6 不同玻璃工况下冷藏室内部逐时温度

工况1朝东/西时冷藏室内最高温度86 ℃/92.5 ℃出现在9月17日/8月30日，冷藏室内温度依旧很高且仅次于朝南时内部温度峰值；此时工况2朝东/西的内部最大温度为67.5 ℃/73.3 ℃，相比于工况1降低18.5 ℃/19.2 ℃，相比于工况3降低5.6 ℃/4.2 ℃。

当玻璃门朝向向北时冷藏室内最大温度出现在7月10日，此朝向下工况2比工况1/工况3低6.4 ℃/0.3 ℃。透射型辐射制冷膜应用于冷饮柜双Low-e中空玻璃或双层白玻璃后，冷藏室内部温度有明显改善。

2.1.2 负载状态下内部温度模拟

冷藏室内有饮品的状态下，选取工况1和工况2进行对比，内部温度模拟计算结果如图7所示。图中(a)、(b)、(c)、(d)表示东、南、西、北四个朝向。

图7 负载状态下玻璃门不同朝向柜体内部逐时温度变化

模拟计算结果显示，负载状态下，在各朝向情况下，柜内最高温度均低于空载状态下相同朝向的柜内最高温度。冷饮柜玻璃门朝向为东/西/北时，冷藏室内部温度总体变化规律为夏季、秋季高，春季、冬季低；而同一时刻工况2内部最高温比工况1内部最高温低5.5 ℃/5.5 ℃/3 ℃；冷饮柜玻璃门朝向为南时，工况1冷藏室内部温度最高可达49.2 ℃，同一时刻工况2冷藏室内部温度最高达42.6 ℃；相比于未应用透射型辐射制冷膜的工况，负载状态下冷饮柜玻璃门表面应用透射型辐射制冷膜后内部温度可降低6.6 ℃。负载状态下受负载热容、密度影响冷藏室内部温度最大值远低于空载状态下冷藏室内部温度的最大值。

2.2 能耗模拟

冷藏室内部温度模拟结果显示，冷饮柜玻璃门向南时瞬时温度最高，因此冷饮柜的能耗分析，选取玻璃门朝南的典型工况下，对空载状态和负载状态分别进行瞬时冷负荷的分析。

2.2.1 空载状态下瞬时冷负荷

在空载条件下，根据计算得到的冷饮柜瞬时冷负荷的变化情况，工况1、工况2、工况3每月最大瞬时冷负荷模拟计算对比结果如图8所示。

图8 不同工况下每月最大瞬时冷负荷对比/W

模拟计算结果显示，冷饮柜内部瞬时冷负荷最大值出现在12月，主要是由于冬季太阳高度角较低，玻璃门朝向为南时透过玻璃进入室内的太阳辐射较多，导致内部温度较高。图8结果显示，双Low-e中空玻璃应用透射型辐射制冷膜后最大瞬时冷负荷由313.8 W降至224.5 W，显著降低了制冷设备装机容量。透射型辐射制冷膜应用于双层中空白玻璃后，冷饮柜内瞬时冷负荷最大值低于双Low-e中空玻璃工况的瞬时冷负荷最大值。

2.2.2 负载状态下能耗变化

在负载状态下，即冷饮柜内放入饮品后能耗模拟计算结果如图9所示。

图9 不同工况下冷饮柜能耗对比

从图9中可以看出，透射型辐射制冷产品应用于双层Low-e中空玻璃后，每月能耗降低6.8～12.1 kWh，应用于双层白玻璃后，其每月能耗相比于Low-e中空玻璃仍偏高0.5～9.1 kWh。分析可知，透射型辐射制冷膜应用于双层白玻璃后能耗仍高于双层Low-e玻璃情况，主要是由于双层白玻璃的内层玻璃红外半球发射率在0.84左右，对远红外热辐射的反射率较低，热阻隔效果低于双层Low-e中空玻璃，导致其能耗高。双层Low-e中空玻璃应用透射型辐射制冷膜后全年空调能耗降低11.6%，其中4～10月份空调能耗降低9.2%，能耗降低显著。

2.3 应用后改善分析

冷饮柜内部采用聚氨酯(PU)泡沫作为保温材料，聚氨酯泡沫尺寸稳定性性能指标[11]，要求在温度80 ℃条件下48 h内形变小于等于2%。

冷饮柜双Low-e中空玻璃门表面应用透射型辐射制冷膜后，空载状态下不启用空调，冷藏室内部最高温度可低至73.7 ℃。相比于未应用透射型辐射制冷膜的Low-e中空玻璃门工况降低23.9 ℃。因此，应用透射型辐射制冷膜后内部保温材料可大幅度降低因高温引起的热膨胀风险。

3 结论

本文依据实体冷饮柜建立Energyplus模型，以深圳地区气象条件为例进行模拟分析，对比应用透射型辐射制冷膜前后的温度和能耗差异，可得出以下结论：

(1)夏热冬暖地区，空载状态下，冷饮柜双层Low-e中空玻璃门外表面应用透射型辐射制冷膜后柜内温度最大值降低23.9 ℃，全年最大瞬时冷负荷由313.7 W降至224.5 W；负载状态下，应用透射型辐射制冷膜后全年空调能耗由917 kWh降至810.7 kWh，节能率达11.6%，4～10月份空调能耗降低9.2%；

(2)冷饮柜玻璃门采用双层中空白玻璃外贴透射型辐射制冷膜后其能耗仍高于采用双层Low-e中空玻璃结构；

(3)冷饮柜双Low-e中空玻璃门外表面应用透射型辐射制冷膜后，可有效降低柜体保温材料的膨胀风险。