01 背景介紹
隨著地球溫度的升高，冷卻已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊粋€重要方面，尤其是在太空冷卻方面。空間制冷約占一次建筑能耗的40%，由于極端高溫事件的發(fā)生和生活水平的提高，預計全球需求將上升。空氣壓縮空調(diào)是住宅和工業(yè)制冷中使用最多的制冷設備。然而，這些設備消耗大量的能源，并造成二氧化碳當量的嚴重環(huán)境污染。能源短缺正變得越來越頻繁，尤其是在貧困地區(qū)。因此，開發(fā)消耗更少能源的冷卻技術(shù)對于提高能源相對貧乏地區(qū)的生活質(zhì)量至關(guān)重要。與電力驅(qū)動的蒸汽壓縮系統(tǒng)不同，半被動和被動冷卻方法由于其高效率和節(jié)能而變得流行。其中一種方法是輻射冷卻，即物體通過熱輻射向宇宙釋放熱量，而不需要任何額外的輸入能量。這個過程利用了宇宙中8-13微米之間的透明窗口，它在絕對零度的溫度下充當散熱器。然而，由于輻射材料的太陽反射率和發(fā)射率較低，輻射冷卻受到限制，導致冷卻功率小于160 W/m2。此外，環(huán)境氣候中的高濕度會吸收紅外輻射，使透明窗失效。相比之下，熱吸附是一種靈活而穩(wěn)定的冷卻方法，它依賴于不同襯底材料之間的熱量傳遞。蒸發(fā)冷卻是另一種節(jié)能技術(shù)，與輻射冷卻相比，它被證明是環(huán)保的，并且是一種易于維護的技術(shù)，通過液體到蒸汽的相變來降低溫度。然而，這種方法通常需要足夠的水供應，這在全年面臨嚴重缺水的貧困地區(qū)可能是一個挑戰(zhàn)。
近日，香港城市大學Steven Wang團隊探索一種以更少的能源消耗運行的冷卻策略。該文展示了一種受駱駝毛結(jié)構(gòu)啟發(fā)的被動式膜封裝吸附性冷卻器，它可以定期從大氣中吸收水分，并將其釋放出來用于白天的蒸發(fā)冷卻，從而有效調(diào)節(jié)建筑溫度，而無需額外的能量輸入。該吸附性冷卻器由無水鹽和改性膨脹石墨制成，并經(jīng)透氣多孔膜進一步封裝，具有較高的吸附性。這種新型材料具有形狀穩(wěn)定、循環(huán)性能好、粘水能力強等特點。在此蒸發(fā)冷卻演示中，駱駝毛吸附劑的平均冷卻功率可達630 W/m2，遠遠高于輻射冷卻方法。該理論模型表明，與參考建筑的冷卻能源使用相比，所提出的吸附性冷卻器有可能將冷卻能源的碳排放減少61%至87.83%。這種受自然啟發(fā)的方法為高效的空間冷卻鋪平了新的道路，而不需要額外的水供應和最小化的能源消耗。研究成果以“Camel-Fur-Inspired Graphite-Based Hygroscopic Membrane for Passive Air Cooling with Ultrahigh Cooling Power”為題發(fā)表在《Advanced Energy Materials》。
圖1. 受駱駝毛啟發(fā)的石墨基被動吸附劑冷卻。
圖2. 超親水膨脹石墨的設計、合成和表征。
圖3. LiCl/超親水膨脹石墨的吸水和解吸性能。
圖4. LiCl/超親水膨脹石墨的吸水和解吸性能。
圖5. 聚四氟乙烯膜包封LiCl/SHEG吸附劑蒸發(fā)冷卻室實驗結(jié)果。
圖6. A) 2022 年 6 月和 7 月的全球熱浪。B) 參考建筑和使用吸附冷卻器的建筑的制冷能耗（千瓦時）。C) 參考建筑和帶吸附冷卻器建筑的節(jié)能效果。D) 參考建筑和裝有吸附冷卻器的建筑所用冷卻能源的碳足跡。E) 通過使用我們的吸附冷卻器，九個選定城市的二氧化碳減排潛力。F) 模擬世界地圖，顯示吸附冷卻技術(shù)在不同氣候區(qū)每年節(jié)省制冷能源的潛力。(注：能源使用在 EnergyPlus 中模擬，碳足跡在 SimaPro 中模擬）。我們選擇了不同氣候區(qū)的九個代表性城市（香港、上海、孟買、阿布扎比、悉尼、紐約、巴黎、圣保羅和開普敦）進行比較。該理論模型表明，與九個不同氣候城市的預測值相比，建議的吸附冷卻器每年可減少 12.16% 至 39% 的冷卻能源使用量，與參考建筑冷卻能源使用所釋放的排放量相比，有可能減少 61% 至 87.83% 的冷卻能源碳排放量。