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      天空輻射制冷技術發展現狀與展望

        摘要:天空輻射制冷技術是指地球表面物體通過“大氣窗口”波段(主要在 8~13 μm)向宇宙發射紅外輻射以實現自身降溫的過程。作為一種無需能量輸入的制冷技術,天空輻射制冷可為應對能源危機及全球變暖提供一種新的思路。從發展歷程看,傳統的輻射制冷技術應用僅限于夜間。近年來,隨著納米光子學及超材料領域的發展,日間輻射制冷技術的優勢已經得到驗證。

        本文對天空輻射制冷技術的發展現狀進行了回顧,涉及基本原理、材料與結構,分析了其潛在應用前景,并重點討論了該技術當前研究與應用中面臨的挑戰。在能源形勢與環境問題日益嚴峻的今天,探索天空輻射制冷技術在不同場景的應用,如建筑節能、減輕城市熱島效應、緩解水資源短缺、提高光伏發電效率等,有望助力我國的碳達峰、碳中和事業發展。

        關鍵詞:輻射制冷;光譜選擇性;大氣輻射;紅外輻射

        能源危機與全球變暖是當今世界面臨的重大挑戰。目前,制冷能耗約占全球建筑總用電量的 20%,占全球總用電量的 10%。提高現有制冷系統效率和探索新型制冷技術成為目前亟待開展的工作。天空輻射制冷技術是指地球表面物體通過“大氣窗口”波段(主要在 8~13 μm)向宇宙發射紅外輻射以實現自身降溫的過程。由于宇宙背景近乎一個溫度為2.7 K 的理想黑體光譜,而地球表面平均溫度約為290 K,因此地球向宇宙的紅外輻射可用于冷卻地球表面物體。

        傳統的輻射制冷材料及其應用僅限于夜間,這是由于材料在白天對太陽輻射的吸收抵消了其紅外輻射的制冷量。近幾年,隨著納米光子學和超材料領域的發展,新型光譜選擇性輻射制冷材料得到迅速發展,這些新型輻射制冷材料在太陽輻射波段具有高反射率,同時在“大氣窗口”波段具有高發射率,可實現全天輻射制冷。作為一種無需能量輸入的制冷技術,天空輻射制冷可為應對能源危機及全球變暖提供一種新的思路。

        本文在已有文獻基礎上,對天空輻射制冷技術現狀進行了較為全面的回顧,涉及基本原理、材料與結構,分析了其潛在應用前景,同時總結了輻射制冷應用的創新性擴展以及當前研究熱點,如動態輻射制冷材料、顏色多樣性輻射制冷材料以及與其他技術的綜合應用等,并重點討論了目前應用中面臨的挑戰,可為后續天空輻射制冷技術的規?;瘧锰峁﹨⒖?。

        一、天空輻射制冷原理

        地表和大氣層吸收太陽輻射,同時也會以紅外輻射的形式向外太空輻射能量,這兩者之間的平衡決定了地表的平均溫度(如圖 1(a))。由于各類大氣分子、氣溶膠以及云的散射和吸收作用,太陽輻射(0.3~2.5 μm)會沿傳播路徑逐漸衰減。同時,地表紅外輻射(2.5~50 μm)在通過大氣層時也會發生吸收和散射,僅有一部分可以穿透大氣層進入外太空,該部分可以穿透大氣層的輻射波段即“大氣窗口”波段(主要在 8~13 μm),其輻射能即為天空輻射制冷的冷量來源。

        “大氣窗口”的產生是由于大氣層由多種氣體組成,包含紅外光譜吸收性氣體,如水蒸氣、CO2 和臭氧等,基于不同氣體的綜合作用,大氣輻射主要集中在中紅外波段,但如圖 1( b) 所示,大氣輻射在8~13 μm 波段內是高度透明的,表現出明顯的光譜選擇性。為使熱量可以通過“大氣窗口”釋放到宇宙中,需要最大程度地增加被制冷物體通過“大氣窗口”的紅外熱輻射。由于熱輻射與構成物質的電子的振蕩和躍遷而釋放的能量密切相關,故熱輻射的波長主要取決于輻射體的材料共振頻率和溫度。目前輻射制冷材料主要為熱輻射波長被調制到“大氣窗口”波段的光譜選擇性輻射體或整個中紅外波段(即 4 μm 以上) 的寬譜輻射體。但在“大氣窗口”波段外對大氣輻射的額外吸收限制了寬譜輻射體在白天的冷卻性能,因此選擇性輻射體在白天應用更具潛力。

        輻射制冷過程中輻射體表面能量平衡如圖 1(c)所示,其中 Prad 表示輻射體表面的熱輻射,Psolar 表示吸收的太陽輻射,Patm 表示吸收的大氣輻射,Pnon-radiative 表示非輻射損耗。根據能量平衡理論,輻射體表面的凈輻射制冷功率可表示為:

        Pnet-cooling = Prad - Patm - Psolar - Pnon-radiative    (1)

      天空輻射制冷技術發展現狀與展望

      圖 1 輻射制冷基本原理

        日間輻射制冷由于陽光照射會導致輻射體表面溫度升高,故輻射制冷材料需要對太陽輻射有很高的反射率( 一般大于 0. 9)。大氣質量系數( air mass,AM)常用來表征太陽光穿過大氣層后的太陽光譜,定義為直接穿過大氣層的光程長度。標準的太陽平均輻照度通常由 AM1.5 太陽光譜表示,具體分布如圖 1( b) 所示。為保證輻射制冷效果,至少須反射 90%的入射陽光。輻射體表面太陽反射率的微小變化,會對材料的輻射制冷性能產生顯著影響。

        輻射制冷過程中,由于輻射體的溫度低于周圍環境空氣的溫度,周圍環境會通過導熱和對流向輻射體進行傳熱,即非輻射損耗。輻射體的制冷量損耗不僅與環境風速和溫度等因素有關,也與裝置的保溫性能有關,為簡化該過程,多數研究采用總傳熱系數 K 來表征非輻射損耗,可表示為:

        Pnon-radiative = KA(Tamb- Ts)   (2)

        式中:K 為導熱和對流總傳熱系數,W/(m2·K);A 為輻射體面積,m2; Tamb為環境溫度,K; Ts 為輻射體表面溫度,K。

        二、天空輻射制冷材料與結構

        基于輻射制冷原理,材料的光譜選擇性輻射特性對實現高效輻射制冷至關重要。從發展歷程看,夜間輻射制冷自 20 世紀中葉起已有較多研究。但這些夜間輻射制冷材料難以同時滿足在“大氣窗口”波段具有高發射率,且對太陽輻射具有高反射率,因此限制了其在白天的應用。隨著研究的深入,目前已設計出新材料或結構可用于全天輻射制冷。本節對夜間和日間輻射制冷材料進行了回顧,并對動態輻射制冷材料的最新研究進展進行了總結。

        2.1 夜間輻射制冷材料

        夜間輻射制冷指在夜間達到低于環境溫度的冷卻,寬譜和選擇性輻射材料均可實現這一功能。夜間輻射制冷材料一般可分為: 1) 聚合物: PMMA、PVC、PPO 樹脂和其他復合高分子材料;2)無機薄膜:一氧化硅、二氧化硅、氮氧化硅和各類涂料(如 TiO2、BaSO4 等);3) 氣體:氨、環氧乙烷、乙烯或這些氣體的混合物?;诰酆衔锏囊归g輻射制冷材料可由少量聚合物涂層以及下方的金屬層組成。聚合物涂層由紅外透射聚合物與納米粒子混合制備,通過改變納米粒子的濃度,可在整個“大氣窗口”內調整吸收光譜。由硅基氮化物、氮氧化物和氧化物制造的無機薄膜可在中紅外波段實現高發射率。氣體通過分子拉伸和旋轉使分子在“大氣窗口”波段內具有強烈的紅外吸收,使用氣體作為工質的輻射制冷裝置具有無需額外傳熱流體的優勢。

        2.2 日間輻射制冷材料

        由于太陽輻射能量密度約為輻射制冷能量密度的 10 倍,這給輻射制冷的日間應用帶來了挑戰。近年來,得益于微納技術研究的進展,使新型輻射制冷材料如光學薄膜材料、超材料及超表面、光子晶體等既具有高太陽光譜反射率,又在“大氣窗口”波段具有高發射率的材料,得以實現日間輻射制冷。

        以光子材料和超材料為代表的納米光學材料為日間輻射制冷的光學性質設計提供了新思路。由于具有周期性的多層膜結構光子晶體可強化“大氣窗口”波段的發射能力,A.P.Raman 等研究了由 7 層 SiO2 和 HfO2 組成的光子晶體以實現白天低于環境溫度的日間輻射制冷,如圖 2(a)所示,該材料可反射97%的入射陽光,并在“大氣窗口”波段具有高發射率,在超過 850 W/m2 的直射陽光下冷卻功率可達到 40.1 W/m2。

        上述多層膜結構材料雖具有較好的冷卻性能,但加工難度及成本限制了其廣泛應用。近年來,聚合物輻射制冷材料受到廣泛關注,如 PET、PVF、PDMS、PMMA等。Zhai Yao 等提出了一種如圖 2(b)所示的可卷對卷制造的低成本聚合物-顆粒物超材料。嵌入聚合物中的 SiO2 顆粒通過高階 Fr?hlich 共振增強紅外發射,該超材料在“大氣窗口”波段的紅外發射率可達到 0.93,在正午實現了 93 W/m2 的冷卻功率。此外,采用溫度誘導相轉化工藝制備的多孔聚乙烯冷卻布也可兼容卷對卷生產技術。

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      圖 2 日間輻射制冷材料

        目前,大多數基于聚合物的輻射制冷材料仍然依靠高反射金屬層來確保日間輻射制冷性能,但這限制了其應用靈活性,也增加了成本。為解決預制輻射制冷材料不能直接應用于各種紋理和形狀表面的缺點,如圖 2(c)所示,J.Mandal 等采用相轉化工藝制備分層多孔 P(VdF-HFP) HP輻射制冷涂層,其孔隙結構利用了空氣與聚合物之間的折射率不匹配這一特點強化了光的散射,通過散射可見光和近紅外光,多孔聚合物可以實現約 0.96 的太陽光譜反射率和 0.97 的紅外發射率,并且可通過嵌入無機染料顆粒來制備不同顏色的涂層。此外,該課題組還提出將 Al2O3 和BaSO4 顆粒嵌入聚合物涂層可進一步提高太陽反射率。

        空氣濕度會顯著影響輻射制冷性能。目前大多數輻射制冷材料是在干燥氣候下進行測試的,而在潮濕環境下“大氣窗口”透射率會急劇下降,因此,開發適合潮濕地區的輻射制冷材料仍是一項挑戰。Wang Tong 等提出一種分層多孔陣列 PMMA 薄膜,其表面密堆積微孔陣列,內部通過模版法結合了豐富的隨機分布納米孔,薄膜表現出 0.95 的太陽光譜反射率與 0.98 的中紅外發射率,即使在潮濕的氣候下也可達到相對環境溫度約 5.5℃ 的溫降。此外,孔徑與孔隙率也會對輻射制冷特性產生影響,光學模擬結果表明混合納米孔在特定厚度下明顯比單一孔徑具有更高的反射率。

        現有輻射制冷材料大多為聚合物或無機薄膜,而木材作為一種可再生材料和碳匯材料,基于其經濟性和環保優勢,拓展其性能將對未來的能源格局產生重要影響。Li Tian 等通過去木質素和再壓制制造了一種機械強度為天然木材 8 倍以上的輻射制冷木材,如圖 2(d)所示,基于纖維素納米纖維的低光學損耗和無序光子結構,可實現全天輻射制冷。

        雖然輻射制冷材料的應用顯示出極大的節能潛力,但現有材料大多為白色或銀白色表面,出于美觀等原因并非總是可取的。目前已有研究致力于制造色彩更為豐富的輻射制冷材料,雙層結構的設計可使材料具有所需顏色的同時保證其輻射制冷性能,頂層選擇性吸收與所需顏色互補的可見光并對紅外輻射高度透明,底層則強烈反射透射的紅外輻射,使材料整體表現出高反射率。

        除濕度、云量、風速等氣候因素,表面污染、積水等也會對輻射制冷性能產生顯著影響,針對該問題,已有研究利用飛秒激光刻蝕、模版法等方法對輻射材料表面進行改進使其具有自清潔功能。Liu Bingying 等模仿甲蟲、撒哈拉銀蟻和荷葉的結構和功能開發了一種分層自清潔多孔涂層。Wu Junrui 等通過飛秒激光燒蝕技術制造了具有珊瑚狀微納結構的分層 PTFE 薄膜,Wang Huidi 等開發了一種由 EPDM 和疏水性 SiO2 顆粒組成的多孔復合膜。即使在高濕度和強陽光照射下,這些材料仍有良好的疏水性、抗破壞性和熱穩定性。

        2.3 動態輻射制冷材料

        由于靜態輻射制冷材料不具備自行調節紅外輻射的能力,在夜間或非制冷季節易造成過度冷卻,因此能夠主動或被動響應外界變化而動態調節自身光學性能的智能材料受到廣泛關注。動態輻射制冷利用發射率可變的材料來實現加熱或冷卻需求變化時紅外輻射的自行調節,目前其研究主要包括熱致變色、電致變色和機械應變響應等。

        熱致變色是指物質的顏色隨溫度變化而發生改變的現象,屬于可逆化學變化。其中二氧化釩(VO2,相變溫度約為 68℃) 和硫系化合物(GST,相變溫度約為 150℃) 熱致變色材料在相變前為紅外透射率高的半導體態,相變后為紅外吸收率高的金屬態。Tang Kechao 等將 WxV1-xO2 嵌入到銀膜上層的 BaF2 介質層中,其結構如圖 3(a) 所示,通過吸收共振的設計可將材料室溫熱發射率從半導體態的 0.20 切換至金屬態的 0.90。Xu Ziquan 等通過控制激光脈沖的頻率加熱以替代傳統加熱方式,使 GST 膜發生非易失性相變和可重構性凸起,材料發射率峰值可在 0.1 和 0.7 間切換,該方法為熱輻射控制開辟了新的途徑。

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      圖 3 動態輻射制冷材料

        基于氧化鎢(WO3)、聚苯胺(PANI)和石墨烯等具有可見光-紅外電致變色性能材料的器件通常為多層結構,由夾在兩個電極間通過電解液分隔的光學和電化學活性層組成,依靠改變外加電位差產生離子或電子的插入/提取,從而改變材料在中紅外和“大氣窗口”波段的光學性質。WO3 在質子/鋰離子插入下從透明/絕緣體轉變為藍色/金屬狀態。M.S.Ergoktas等采用如圖 3(b)所示的鋰離子插層石墨烯來實現石墨烯光學可調性和非易失性。此外,Xu Gaoping等基于 H2SO4 摻雜 PANI 薄膜,構建了一種光學可變和熱管理同時進行的雙功能電致變色器件,在 8~14 μm 波長范圍內紅外發射率變化約為 0.4。

        應變響應是指通過加載/卸載應力動態改變材料的形貌或結構,從而連續調諧材料的光學性能。A.Krishna 等通過施加應力來動態改變石墨烯表面皺褶的間距大小,由于該褶皺可造成光的多次內部反射和干涉,使材料表面透射率降低并提高了發射率。Zhao Huaixia 等提出一種基于 PDMS 涂層的動態空化冷卻/加熱模式切換材料,在機械刺激下,PDMS涂層中的亞穩態折痕產生空洞,從透明固體態可逆地變化至多孔態,多孔態可實現 93% 的太陽反射和94%的紅外發射,而透明固體態則允許 95%的太陽光透過以實現太陽能加熱。

        三、輻射制冷技術的應用

        雖然目前已有許多可實現全天輻射制冷的材料,但輻射制冷技術的商業化應用仍面臨諸多挑戰,如冷卻功率密度低、裝置和系統的開發尚不完全成熟等。本節回顧了輻射制冷技術現有的及正在探索的應用領域,對如建筑節能、光伏冷卻、個人熱管理及淡水收集等進行了介紹與討論。

        3.1 被動式建筑節能

        國際能源署 2021 年報告指出,在過去的三十年中用于建筑制冷的能耗增長了兩倍多,制冷用電量占建筑總用電量的近 20%。因此,被動冷卻技術的應用對于建筑節能具有至關重要的意義。本節中提到的被動式建筑節能,特指無需額外能量輸入的輻射制冷建筑節能應用。

        輻射制冷技術以天空作為冷源對建筑進行降溫,將輻射制冷材料直接應用于建筑圍護結構表面,尤其是高天空視域因子的圍護結構,如屋頂,將帶來可觀的節能效果。輻射制冷屋頂相比普通屋頂具有更高的太陽光反射率和中紅外發射率,不僅可以減少建筑冷負荷,而且可顯著緩解城市熱島效應。

        圖 4(a)所示為 Fang Hong 等在美國懷俄明州測試對比輻射制冷超材料屋頂與普通瓦屋頂搭建的模型室,測試結果顯示屋頂表面和室內的最大溫差分別為 28.6℃和 11.2℃。目前,輻射制冷屋面已有應用于大型公共建筑中的案例,例如杭州蕭山國際機場T4 航站樓廊橋,在應用輻射制冷技術后,單個廊橋的年空調制冷節能率可達 43.7%。

        針對輻射制冷技術應用于建筑圍護結構的研究,雖然屋頂在天空視野因素方面更具優勢,但其他圍護結構在設計靈活性方面同樣可行。目前,對于透明輻射制冷材料的研究拓展了該技術在建筑窗戶上的應用,與現有節能玻璃相比,不僅能減少通過窗戶的得熱,還可以對建筑進行冷卻。研究可分為兩種類型,即透明輻射制冷薄膜和在玻璃材料表面添加透明涂層。如圖 4 (b) 所示,Yi Zhitong 等將由 PET 和 SiO2 微球組成的混合透明超材料薄膜應用于屋頂天窗,在中國寧波 8 月份測得有無透明超材料薄膜的兩個玻璃模型箱內部空氣的最大溫差為 21.6℃。K.W.Lee 等通過在有機硅彈性基質內的 SiO2氣凝膠微粒中布置光學調制器(正十六烷)來合成透明的輻射制冷超材料,并將該材料制成玻璃,與普通玻璃相比,超材料玻璃下方的室內空氣溫度降低了約 3.6 ℃。

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      圖 4 輻射制冷技術在建筑節能中的被動式應用

        3.2 主動式建筑應用

        3.2.1 基于空氣和水循環的輻射制冷系統

        除直接應用于建筑圍護結構表面,采用空氣或水作為傳熱介質的輻射制冷系統同樣具有靈活的應用形式?;诳諝庋h的系統相對簡單且安裝成本低,而基于水循環的系統則具有更好的傳熱性能。輻射制冷器件與介質的傳熱效率及介質的最佳質量流量是研究的重點,空氣和水的流量對實現輻射制冷的最佳冷卻性能具有至關重要的作用。

        相比于自然通風,采用與輻射制冷技術相結合的空氣冷卻系統可實現更顯著的降溫效果,同時也可避免直接在圍護結構表面應用輻射制冷材料造成的冬季“過冷”現象。如圖 5(a) 所示,Zhao Dongliang等提出一種可由多個并聯輻射制冷空氣冷卻器組成的住宅建筑屋頂集成輻射制冷空氣系統,實驗結果顯示,雖然通風和冷屋頂都能實現一定溫降,但只有屋頂集成輻射制冷空氣系統能將閣樓溫度全天降至低于環境溫度。

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      圖 5 基于空氣和水循環的輻射制冷系統

        以水作為傳熱介質不僅比空氣具有更高的熱容量,且易于與水箱等儲冷設備相結合。Wang Weimin 等提出的用于辦公樓的輻射制冷系統由輻射制冷回路和空間冷卻回路組成,輻射制冷回路使水通過屋頂輻射制冷器件循環,相比于 VAV( variable air volume)系統可節省 45% ~68%的冷卻耗電。如圖 5(b)所示,A.Aili 等提出一個可全天連續運行的千瓦級輻射制冷水循環系統并進行實驗研究和模型分析,結果顯示日間水以低流速( <0.25 L/( m2·min)) 運行,夜間以高流速(>1 L/(m2·min)) 運行,可提升系統冷卻效果。

        此外,將基于水的冷卻系統與其他空調系統相結合也拓展了輻射制冷技術在建筑中的應用范圍,例如可將輻射制冷得到的冷水用于吊頂 /地板輻射供冷,或用于預冷進入冷水機組的工質。Zhao Dongliang 等設計了一種基于超材料的輻射制冷冷水收集系統,并將該系統用于冷卻空調冷凝器,通過儲冷設備和控制系統可實現晝夜連續冷卻以顯著提高空調系統效率,模擬顯示該系統在不同地點(美國鳳凰城、休斯頓和邁阿密)與商業辦公樓空調系統的冷凝器集成時,夏季制冷耗電量可減少 32%~45%。

        3.2.2 與太陽能集熱相結合的可調控利用

        目前發展較成熟的太陽能集熱技術在原理上與輻射制冷技術有一定關聯性,將兩者結合以實現制冷與供熱模式切換具有很大的建筑節能潛力。Li Xiuqiang 等設計了靜電控制熱接觸傳導的薄膜滾動雙模式裝置,冷卻功率可達 71.6 W/m2,加熱功率可達 643.4 W/m2,模擬顯示若在美國廣泛布置該系統,可節省 19.2%的制冷及供暖用能。

        如圖 6(a)所示,Xia Zhilin 等設計了一種自適應溫控裝置來調整輻射制冷器件的冷卻能力,通過溫度形狀記憶彈簧來驅動板材張角的變化,并在板材的上表面加入太陽能吸收材料以實現工作模式的切換。Hu Mingke 等在研究中將太陽能加熱和輻射制冷兩種空氣加熱/冷卻裝置相結合,通過兩種模塊旋轉和移動,系統的運行模式可以靈活切換。除了與空氣系統相結合外,太陽能加熱-輻射制冷裝置也可用于循環水的加熱和冷卻,如圖 6(b)所示,該裝置使太陽能加熱-輻射制冷面板與外管一起圍繞內管旋轉,并有效地將熱量或冷量傳遞給通過內管的水流。上述采用機械方式實現冷熱模式切換的系統具有構造簡單、維護方便等特點,但自適應程度更高、調控更智能的雙模式系統仍有待進一步研究。

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      圖 6 與太陽能集熱相結合的輻射制冷應用

        3.3 光伏冷卻

        光伏發電(photovoltaic,PV) 愈發成為重要的電力來源。雖然光伏電池吸收了約 80%的入射太陽輻射,但其中只有一小部分轉化為電力輸出,大部分則轉化為熱量使面板溫度升高。一般溫度每升高 1℃,光電轉換效率下降 0.4%~0.6%?;谳椛渲评涔ぷ鳝h境與光伏電池十分相似并且可實現全天被動制冷的特性,出現了多種形式的輻射制冷與光伏電池綜合應用。最直接的結合形式即將透明輻射制冷材料敷設在光伏電池表面,旨在提高光伏電池表面的紅外發射率。與常規 PV-玻璃的形式相比,將 PDMS敷設于光伏電池表面,光伏電池平均溫度下降約 1.0℃,可見簡單的直接將輻射制冷與光伏結合的降溫效果并不顯著,遠不及通過增強對流所帶來的效益。

        在此基礎上,Zhao Bin 等設計了由一維多層堆疊結構與二維光子晶體組成的輻射制冷結構,在保證光伏轉換波段(0.3~1.1 μm) 太陽輻射吸收的同時選擇性反射其他波段太陽輻射,實驗表明運用該結構,光伏電池效率比常規 PV-玻璃的形式高出6.9%。為使輻射制冷技術發揮更大潛力,輻射制冷與光伏電池的間接結合形式也得到了廣泛研究。如通過熱管( heat pipe,HP) 連接光伏( PV) 和輻射制冷(radiative cooling,RC) 的系統。但采用復雜的結構或額外的機械部件,會增加系統的不穩定因素且使制作工藝復雜化,需權衡系統成本與光伏效率間的關系。

        3.4 淡水收集及濕度發電

        由于淡水資源短缺,很多研究聚焦于如何從空氣、海水中獲取更多的淡水??捎糜诼端占囊归g輻射制冷箔片已投入實際應用,然而現有的露水收集裝置很難在日間太陽直射的條件下工作。將夜間輻射制冷材料和太陽能蒸發材料相結合,既可在夜間收集露水也可以在日間收集太陽能蒸發蒸汽的凝水,從而實現全天淡水收集。近幾年超材料的發展拓展了輻射制冷技術在淡水收集方面的應用。如圖 7(a)所示,Zhou Ming 等將背襯銀的 PDMS 薄膜置于聚苯乙烯盒中冷卻濕空氣,其收集的淡水量幾乎是夜間輻射制冷箔的兩倍。I.Haechler 等通過對超材料輻射冷卻器的背面做疏水處理并結合輻射匯聚器,設計出如圖 7(b) 所示的高效且可全天工作的露水收集裝置。該系統在 96%的相對濕度下的產水率超過 50 g /(m2·h)。

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      圖 7 輻射制冷在收集淡水中的應用

        但應用輻射制冷技術收集露水時,集露面上凝水的增多會降低輻射制冷功率。此外,雖然干燥晴朗的環境有利于輻射制冷,但也意味著環境中沒有足夠的水蒸氣可以冷凝,地理和氣候仍然是被動式淡水收集的決定性因素。然而水蒸氣的來源可以不局限于空氣,還可通過太陽能蒸發海水或污水來供給。此外,在利用輻射冷卻器收集淡水時,集露面附近的相對濕度較大,而濕電量會隨著環境相對濕度的增大而增加。因此利用輻射制冷來增強濕度發電量可能會成為未來的研究方向。

        3.5 個人熱管理

        隨著人們越來越注重熱舒適性,可穿戴電子設備及智能紡織品的出現催生了個人熱管理技術的發展。該技術聚焦于將個人體溫調節功能融入日常服裝設計中。將輻射制冷技術理念中對人體紅外波段的輻射或太陽輻射的調控與個人熱管理技術相融合,衍生出了多樣的可穿戴織物,一般包括以下幾類:

        1)靜態織物。該類織物可通過添加納米金屬顆粒層或多層纖維結構實現對不同波段輻射的調控。Zeng Shaoning 等采用 PTFE 粒子、TiO2 粒子以及PLA 纖維編織了輻射制冷織物,如圖 8(a)所示,與普通棉織物對比實驗中,該織物表面溫降可達 4.8 ℃。通過對輻射制冷技術進行逆向思考,Yue Xuejie 等利用多孔銀/纖維素/碳納米管(CNT)制備納米纖維膜,基于 CNT 涂層 90%以上的太陽吸收率和 Ag 涂層高于 70%紅外反射率,實現了太陽熱量輸入最大化和人體輻射熱量輸出最小化,可顯著提高寒冷環境中的人體熱舒適性。

      天空輻射制冷技術發展現狀與展望

      圖 8 輻射制冷技術在個人熱管理中的應用

        2)有色織物。顏色作為織物的基本屬性,影響著不同波段輻射的發射與吸收,通過添加可強烈共振散射可見光的納米粒子層,可產生不同顏色的織物。Cai Lili 等利用無機納米顆粒如魯士藍(PB)、氧化鐵(Fe2O3)和硅(Si)制備可擴展的彩色聚乙烯織物,該織物表現出 80%的高紅外透明度且相比傳統織物可實現 1.6~1.8 ℃的溫降。

        3)動態織物。受變色龍、烏賊等生物在放松與興奮狀態下改變顏色的啟發,該類織物通過動態改變表面納米晶體的松緊排布,實現對不同波段輻射的調控。Zhang Xu'a 等通過在三醋酸纖維素雙形態纖維上涂抹一層碳納米管薄層,根據織物相鄰纖維層之間的距離依賴性電磁耦合原理,實現了如圖 8(b) 所示的紅外輻射調節,當皮膚的相對濕度發生變化時,織物紅外輻射調節能力改變超過 35%。Wang Yang 等通過整合紗線紡絲和連續浸漬涂層技術制備了熱致變色絲綢,其快速且可控的熱致變色特性使織物具有調控太陽輻射的能力。

        雖然輻射制冷技術在個人熱管理方面的應用較為靈活,但仍有諸多問題亟待研究:織物材料既需滿足光譜選擇性輻射特性,也需滿足其作為織物的基本屬性,如保證透氣性、水蒸氣轉移率等;織物是否具有足夠的機械強度滿足日?;顒?、織物輻射性能是否會衰減、織物材料是否可水洗等仍是需要解決的問題。

        3.6 其他應用

        日間輻射制冷材料的規?;a使很多大型工業設備采用輻射制冷技術來達到節能的目的成為可能。由于電廠的乏汽需要冷凝,將輻射制冷作為凝汽器的附加冷源是提高電廠發電效率的潛在途徑之一。圖 9(a)所示為 Zhang Kai 等提出的以大面積輻射制冷模塊和大容量蓄冷罐作為附加冷源的空冷式電廠乏汽冷凝系統。A.Aili 等對水冷式電廠使用輻射制冷技術后的節水情況進行了研究,發現輻射制冷可以有效抑制冷卻水的蒸發從而節約電廠至少30%的用水量。

        除生產設備外,輻射制冷還可用于倉儲。由于糧食需要儲存在低溫干燥的環境中,相關研究表明,當淺圓儲糧倉屋頂使用輻射制冷技術后,最上層的糧溫最大可以降低 4.7℃。研究顯示當倉庫屋頂采用輻射制冷材料時,倉庫全年的制冷能耗可減少 65.2%。熱電也是輻射制冷的熱門應用方向之一。很多研究將輻射制冷技術應用于熱電器件的冷端來提高發電溫差。如圖 9(b) 所示,當柔性可穿戴熱電設備和輻射制冷技術結合時,不僅可減少熱電設備的體積,還可以提高設備的發電功率。

      天空輻射制冷技術發展現狀與展望

      圖 9 輻射制冷在其他領域的應用

        由于輻射制冷量具有時間依賴性,輻射制冷在夜間效果更好,但白天對制冷的需求更大。因此可將相變材料和輻射制冷技術結合起到對冷量削峰填谷的作用。這要求相變材料具有較低的相變溫度和較高的相變焓。Yang Luyao 等通過一種新型柔性交聯聚合物將相變材料和輻射制冷結合起來,由于兼具較好的導熱性能,該材料顯示出良好的控溫能力。

        四、挑戰與展望

        4.1 提高冷卻功率及有效面積

        由于輻射制冷技術固有的低能量密度特性,因此需要較大部署面積來滿足制冷量需求,但隨著對可再生能源需求的不斷增加,有限的面向天空的面積使輻射制冷與太陽能系統間的競爭不可避免,特別是對于城市多層或高層建筑。因此,提高輻射制冷功率或與光伏、光熱等系統耦合具有重要意義。由于太陽輻射能量密度相對更高,進一步提高太陽反射率仍有很大潛力提高輻射制冷功率。大氣輻射是另一個影響輻射制冷功率的重要因素,通過減少大氣輻射吸收來提高冷卻功率將是潛在的研究方向。非輻射傳熱對輻射制冷應用是否有利取決于輻射制冷表面工作溫度與環境溫度間的關系,對于低于環境溫度的應用,屏蔽非輻射傳熱是必要的,設計一種透光率高且同時具備耐久性和機械強度的對流屏蔽層仍是研究的重點。此外,由于局部大氣條件變化和云層覆蓋使輻射制冷具有間歇性,尋找一種有效的冷量存儲方式及用冷側與供冷側之間的有效耦合至關重要。

        4.2 測試標準及區域適用性

        由于輻射制冷效果與地理位置和氣候條件密切相關,目前的研究中缺乏統一的測試條件和標準方法來對比不同類型輻射制冷材料及器件的性能。此外,單獨應用輻射制冷技術仍存在局限性,若要在多領域投入實際應用,需和其他技術相結合。因此,除了目前的輻射制冷性能評價指標如冷卻功率、輻射表面與環境的溫差及節能量外,輻射制冷技術在與其他技術結合時還應有其他評價標準。如針對與光伏相結合的應用,由于電能和熱能具有不同的熱力學性質,因此應使用更標準化的分析來計算系統總效率,類比于光伏的標準測試條件,未來應為輻射制冷器件制定測試標準和性能指標。此外,目前已有研究調查了一些國家應用輻射制冷技術的資源潛力。通過對不同區域環境因素的評估,也可為當地使用輻射制冷技術的預計收益及器件的設計策略提供指導。雖然大多數研究進行了室外測試,但并未考慮到在復雜城市環境下周圍建筑、樹木對視野的遮擋。通過對材料及結構的研究設計以增強紅外輻射的方向性,可減小周圍環境對輻射制冷性能的影響。

        4.3 穩定性及耐久性

        輻射制冷材料的穩定性及耐久性對其實際應用具有決定性影響,目前許多研究仍處于實驗階段,一些研究對輻射制冷材料進行了實驗室條件下的強化衰老測試,但大多數研究只進行了短期的戶外測試。進行長期戶外測試將有助于評估輻射制冷器件在實際戶外條件下的穩定性和使用壽命。積水、積塵以及材料和下方金屬層隨時間推移的劣化等因素,給輻射制冷材料在室外保持良好的性能與機械穩定性帶來挑戰。雖然目前已有針對自清潔疏水輻射制冷材料的研究,然而由于其制造工藝復雜,實現自清潔材料規?;a仍有一定困難,并且已有的研究中并未對自清潔材料的使用壽命與穩定性進行評估。此外,在輻射制冷技術應用的研究中應考慮設備和系統如何進行合理的維護并定期對其性能進行測試,以保證其穩定性與耐久性。

        4.4 經濟性分析

        如何平衡材料成本、加工工藝與制冷性能是日間輻射制冷材料商業化利用的關鍵問題。大部分基于聚合物的輻射制冷材料都具有實現規?;a的潛力,這是實際應用中的優勢。但仍然存在材料老化與性能下降的問題,在實際應用中需考慮和評估這些材料的壽命,生命周期分析可作為關鍵參考,同時綜合投資回收期分析以指導輻射制冷材料的選擇。在經濟性評估中,應因地制宜,綜合考慮如冬季采暖損失、當地電價以及應用場景保溫性能,風速、云量、降水等變動的天氣因素也應被考慮在內,未來的研究中可設計詳細的經濟性分析模型以評估輻射制冷技術的應用可行性。

        05 結論

        全球氣候變化對人類社會構成重大威脅,作為全球最大的溫室氣體排放國,中國對于近零碳排放技術的探索和創新具有重大意義。天空輻射制冷技術作為一種無需額外能量輸入的清潔冷卻技術,具有巨大的節能減碳潛力和廣闊的應用前景。受益于納米光子學及超材料領域的發展,包括光學薄膜材料、超材料及超表面、光子晶體等新型輻射制冷材料得以用于全天輻射制冷,但實現與大規模制造技術兼容的高性能輻射冷卻仍面臨著諸多挑戰。由于輻射制冷效果與地理位置和氣候條件密切相關,因此,選擇合適的部署位置并因地制宜設計輻射冷卻器光譜特性至關重要。此外,利用發射率可變的材料來實現加熱或冷卻需求變化時紅外輻射的自行調節也可在提高輻射制冷效率方面發揮重要作用。

        輻射制冷技術的實際應用場景也得到了很大拓展,包括建筑節能、提高光伏發電效率、淡水收集、個人熱管理及電廠節水等。將輻射冷卻技術與其他可再生能源技術如太陽能集熱、光伏發電等相結合,可在有限的屋頂部署面積下帶來可觀的節能收益。而冷量可調節的主動式輻射制冷系統如結合相變材料、利用機械變形等提高了輻射制冷技術應用的靈活性。此外,多種顏色與透明輻射制冷材料的進展也擴展了其應用范圍。在實際應用中,除冷卻性能外,需考慮的關鍵因素還應包括成本、穩定性和耐久性,這也將作為未來輻射制冷技術大規模應用的重要參考。

      標簽: 天空輻射制冷  

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