小滿作為二十四節(jié)氣中的第八節(jié)氣，象征著降水頻繁?！八脑轮?，小滿者，物致于此小得盈滿。”意味著南方雨水之盈；北方麥籽粒剛開(kāi)始飽滿。

圖源：攝圖網(wǎng)

“萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)”小滿之后，日照更長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射更加強(qiáng)烈。

(資料圖)

走在路上，你有沒(méi)有觀察過(guò)路邊建筑的玻璃，很多并不是完全透明的玻璃，而是有各類顏色的鍍膜玻璃。這不僅僅是為了美觀，也與輻射息息相關(guān)。

熱反射玻璃照片（注：來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

01

熱量和輻射有什么關(guān)系？

熱反射玻璃是通過(guò)真空鍍膜等技術(shù)，在玻璃表面形成一層熱反射鍍層。大面積地應(yīng)用于建筑表面時(shí)，能將太陽(yáng)的絕大部分熱量以熱反射、熱輻射等方式阻擋在建筑體外，從而能有效減少熱量的吸收，在夏季降低建筑體內(nèi)部溫度。

溫度上升，是由于物體持續(xù)吸收熱量。熱量可以通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射來(lái)傳遞。其中，「輻射」是指物體向周?chē)臻g發(fā)射電磁波，也就是熱輻射。輻射能力和溫度有關(guān)，溫度越高，輻射能力就越強(qiáng)。因此，一個(gè)溫度較高的物體會(huì)向周?chē)臻g輻射更多的熱量。物體表面的材料和顏色會(huì)影響它對(duì)熱輻射的反射和吸收。輻射制冷利用了這種反射和吸收的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷。

熱反射玻璃工作原理圖（注：來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

傳熱的三種方式示意圖（注：來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

02

輻射可以用來(lái)制冷？

1. 輻射傳熱的科學(xué)原理

輻射傳熱是基于吸收和發(fā)射輻射的物理學(xué)原理。當(dāng)一個(gè)物體吸收輻射時(shí)，它會(huì)從周?chē)臻g吸收能量，導(dǎo)致溫度升高。相反地，當(dāng)一個(gè)物體發(fā)射輻射時(shí)，它會(huì)向周?chē)臻g釋放能量，導(dǎo)致溫度降低。輻射傳熱是以電磁波的形式傳播能量，過(guò)程中是不需要介質(zhì)的，也就是說(shuō)熱量可以在真空中傳遞，因此它在太空中非常常見(jiàn)。

2. 輻射制冷的技術(shù)原理

「輻射制冷」是指熱物體通過(guò)大氣的紅外透明窗口，利用黑體輻射的方式，將熱量輻射到外部的低溫空間中，從而達(dá)到制冷的一種方式。

輻射相關(guān)原理示意圖（注：來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

物體溫度只要高于0K，就會(huì)產(chǎn)生熱輻射，由于輻射物體表面狀況、分子結(jié)構(gòu)和溫度等條件的不同，造成輻射波長(zhǎng)也各不相同。地表上物體的熱能大多數(shù)是通過(guò)輻射換熱，將自身熱量以13μm的電磁波的形式通過(guò)“大氣窗口”排放到溫度接近絕對(duì)零度的外部太空，達(dá)到自身冷卻的目的。

輻射系統(tǒng)示意圖（注：來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

03

輻射傳熱應(yīng)用在我們生活的方方面面

1. 航空航天領(lǐng)域

宇航員在太空中使用的航天器的許多設(shè)備，因?yàn)榇蠖鄶?shù)處于真空狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流，其制冷與散熱大多也是使用輻射傳熱技術(shù)。

航天器示意圖（注：來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

2. 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

溫室大棚也是運(yùn)用輻射進(jìn)行增溫。太陽(yáng)光在白天會(huì)透過(guò)溫室的薄膜、玻璃照射進(jìn)溫室內(nèi)，吸收太陽(yáng)輻射的熱量為溫室增加溫度，但地面反射出的長(zhǎng)波輻射熱量不能透過(guò)溫室散出，從而減少熱量的散失來(lái)實(shí)現(xiàn)增溫。

溫室大棚示意圖（注：來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

輻射傳熱在生活中也有著廣泛的應(yīng)用，例如我們經(jīng)常使用的微波爐、紅外線灶等都是通過(guò)輻射傳熱的方式實(shí)現(xiàn)加熱的效果。此外，在工業(yè)生產(chǎn)中也需要利用輻射傳熱進(jìn)行材料加熱、熔化、蒸發(fā)等工藝過(guò)程。

微波爐工作示意圖

紅外線灶示意圖（注：來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

04

輻射傳熱的未來(lái)如何？

輻射傳熱的相關(guān)技術(shù)，因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具備非常廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，目前已經(jīng)在制冷技術(shù)、節(jié)能建筑、能源轉(zhuǎn)換、材料制備等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。然而，輻射傳熱的相關(guān)技術(shù)在未來(lái)發(fā)展中也面臨著諸多挑戰(zhàn)。

1. 輻射需要進(jìn)一步提高效率和進(jìn)行合理的能量存儲(chǔ)

輻射的總量雖然巨大，但是能流密度較低，且具備不穩(wěn)定性。例如太陽(yáng)輻射能量非常大，但受晝夜、季節(jié)、天氣等多種因素制約，在夏季晴朗的正午時(shí)間，太陽(yáng)輻射最強(qiáng)烈，但在陰天僅有五分之一。想要得到較高的功率，往往需要面積很大的收集設(shè)備。因此需要進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率，開(kāi)發(fā)更高效的輻射能轉(zhuǎn)換設(shè)備，同時(shí)設(shè)計(jì)有效的能量存儲(chǔ)方式，以應(yīng)對(duì)能量的不穩(wěn)定性。

2. 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程需要提高穩(wěn)定性及耐久性

輻射材料的穩(wěn)定性耐久性在實(shí)際應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。輻射發(fā)射和吸收受物體表面的顏色及干潔程度的影響很大，實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備易積水、積塵，同時(shí)設(shè)備長(zhǎng)期使用后會(huì)出現(xiàn)生銹劣化等情況，會(huì)嚴(yán)重影響能量吸收效率。因此，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中還需要考慮高效合理低成本的設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)。

3. 降低設(shè)備的生產(chǎn)成本

隨著技術(shù)的發(fā)展，部分輻射設(shè)備材料已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，但效率偏低，成本較高，暫時(shí)還不能和常規(guī)的化石能源相比較，并且設(shè)備使用壽命較低。因此，在實(shí)際使用中，輻射轉(zhuǎn)換設(shè)備應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)、天氣狀況，充分利用各波段輻射能量，并且分析設(shè)備投資回收期合理選擇設(shè)備種類及規(guī)模建設(shè)。

各波段輻射應(yīng)用圖（注：來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

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供稿單位：北京制冷學(xué)會(huì)

撰稿人：徐錢(qián) 北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院副教授、北京市科協(xié)2021-2023年度青年人才托舉工程被托舉人

鄭強(qiáng) 北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院碩士研究生