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不吹空调也可以很凉快!辐射冷却技术来帮忙

辐射冷却技术 辐射冷却材料
发布:2020-09-17 15:07:45    

夏天的高温使大家不得不待在空调房里,但是,长期吹空调,对身体并不好,而且这需要消耗大量电能,其中使用的制冷剂也具有很强的温室效应。近几年由于纳米光学和超材料的研究,辐射冷却技术在欧洲大陆已经得到了实际工程的应用,从而达到降温避暑的效果。

辐射冷却是指物体通过反射太阳光和辐射散去热能的过程,不需要损耗电能就能实现环境的被动降温,该技术取消了传统的空调系统末端装置。

1、超级冷却木材:新型辐射冷却结构材料

减少人类对空调等低能效制冷方法的依赖,将对全球能源格局产生重大影响。通过对木材进行完全脱木素和致密化处理,马里兰大学胡良兵和科罗拉多大学波尔得分校尹晓波团队研制出一种工程材料,其中的纤维素纳米纤维反向散射太阳辐射,并在中红外波长中发射出强烈的辐射,可在夜间和白天连续的亚环境冷却。

通过模拟了木材冷却的潜在影响,发现节省的能源在20%到60%之间,这在炎热和干燥的气候中最为明显。冷却木材具有良好的白度,不吸收可见光,这是由于纤维素纤维的光学损耗低和材料的无序光子结构造成的。在冷却木材的红外范围内释放的能量超过了接收到的太阳能。通过对暴露在天空中的天然木材和冷却木材样品的实时温度测量,证实了这种冷却效果。

降温木材在夜间和白天的平均冷却功率分别为63 W/m2和16 W/m2。全天的平均冷却功率为约50 W/m2。夜间和白天分别能够实现平均低于环境温度>9 ℃和>4 ℃的降温。此外,冷却木材的韧性是天然木材的10.1倍,机械强度为404.3兆帕斯卡,是天然木材强度的8倍以上。冷却木材固有的轻量化特性使其强度是广泛使用的Fe-Mn-Al-C结构钢的三倍。同时,这种多功能、可伸缩的冷木材料为未来的节能和可持续建筑应用带来了希望,能够大幅减少碳排放和能源消耗。相关研究以“A radiative cooling structural material”为题目发表在Science上。

2、纺织品中红外辐射的动态门控

人体主要通过以10um波长为中心的红外辐射吸收和散发热量。然而,无论是我们的皮肤,还是构成服装的纺织品,都无法动态地控制这个光通道来进行热管理。

马里兰大学王育煌、欧阳敏团队通过在三乙酸纤维素双晶纤维表面涂覆一层薄碳纳米管的设计制成纺织品,随着皮下相对湿度的变化,可有效地调节35%以上的红外辐射。

实验和模拟结果表明,这种动态红外门控效应主要是由相邻涂层纤维之间的电磁耦合引起的。在炎热和潮湿的条件下,织物中的纱线发生变形并紧密地结合在一起,缩小了纱线中导电材料之间的距离,增强了导电材料之间的电磁耦合,产生共振电磁耦合效应,使纺织品的辐射率更好地匹配人体的热辐射,允许红外辐射通过。

同时,纱线的收紧直接提高了纺织品的孔隙率,有利于人体和环境之间的对流和蒸发等传统的热交换,协同增强了智能织物的红外辐射“门控”效应。当外界条件变得更凉爽和干燥时,织物中的纱线以相反的方式对环境做出响应,阻挡人体热量的散失。这一效应为开发自主、自供电的可穿戴局部热管理系统开辟了道路,并扩大了我们适应苛刻环境的能力。相关研究以“Dynamic gating of infrared radiation in a textile”为题目发表在Science上。

3、聚合物涂层的高效日间辐射冷却

辐射冷却通过反射太阳光和向外层空间辐射热量,自发地冷却表面。目前的设计有望是电气冷却的替代品,但目前的技术要么效率低下,要么适用性有限。

美国哥伦比亚大学虞南方和杨远团队报道了提出了一种简单、廉价、可伸缩的多级多孔聚合物:聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物涂层的制备方法,可以实现高效的辐射冷却。[P(VdF-HFP)HP]涂层具有优异的辐射冷却性能。高的半球太阳反射率(0.96±0.03)和长波红外发射率(0.97±0.02)允许在太阳强度分别为890和750 W m−2的情况下,涂层使室内环境温度下降6°C左右,冷却功率96W m−2,性能相当于或超过了最先进的辐射冷却设计,并且该技术提供了简单的制备方法。

这种多孔薄膜中,聚偏二氟乙烯与空气折射率相差很大,可有效散射阳光,包括紫外光、可见光和近红外光,从而实现高反射率,不会被阳光加热;微米多孔结构提高了材料的辐射率,增加了向外的热辐射。

此外,这种涂层可以通过类似刷墙的方式进行施工,对于实际应用极具吸引力。可以采用刷涂、浸涂、喷涂等各种工艺,也适用于金属、木材、塑料凳多种基材。相关研究以“Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling”为题目发表在Science上。

4、可伸缩的玻璃-聚合物混合超材料

被动辐射冷却从表面吸收热量,并将其作为红外辐射辐射到大气中。然而,太阳辐照度与近环境温度表面的低红外辐射通量之间的能量密度不匹配,要求材料强烈地发射热能而几乎不吸收阳光。

美国科罗拉多大学Xiaobo Yin和Ronggui Yang将共振极性介电微球随机嵌入聚合物基体中,得到了一种对太阳光谱完全透明的超材料,同时在大气窗口的红外发射率大于0.93。当背衬银涂层时,这种超材料在阳光直射下的辐射冷却功率为93w m-2。

更重要的是,展示了这种超材料的高产量、经济的卷对卷制造,这对于促进辐射冷却作为一种可行的能源技术至关重要。相关内容以“Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling”为题目发表在Science上。

以上就是关于应用在实际工程中的辐射冷却技术的相关介绍。

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