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不开空调也能散热？纽约州立大学布法罗分校的工程师们设计了一种新型装置，借助铝聚合物膜吸热，再将热量通过特殊设计的散热层辐射向天空，从而为建筑物降温，不需要使用电力。研究论文发表于《自然-可持续发展》期刊。 图为辐射冷却系统装置。该系统通过吸收密封环境中的热量，并将该能量通过地球大气层散发出去，从而起到降温效果。图片来源：纽约州立大学布法罗分校 来源 纽约州立大学布法罗分校 翻译 李光昭 审校 戚译引 编辑 李光昭 纽约州立大学布法罗分校（University at Buffalo）的工程师们设计了一个新系统，可以帮助城市中密集的建筑在不耗电的情况下达到降温效果。在面临全球变暖的今天，这一创新十分重要。 这一系统使用了一种特殊材料——一种廉价的铝聚合物膜，它被安装在一个盒子里，位于特别设计的遮光层底部。铝聚合物膜能够吸收盒中的空气里的热量，然后将其散发到大气层中，进而进入外太空，通过这种方式保持周围环境的凉爽。而遮光层有两个作用，一是隔离入射的阳光，帮助减少热量吸收，二是将铝膜发出的热辐射射向天空。 研究的共同第一作者 Lyu Zhou 说：“聚合物膜可以通过热辐射散热，保持凉爽，同时可以对周围环境起到降温效果。这种模式被称为辐射降温或被动降温，它令人感兴趣的地方在于它不需要消耗电力，不需要借助电池或者其他任何电源，就可以实现降温效果。” 布法罗分校电气工程副教授甘巧强（Qiaoqiang Gan）是该研究的首席研究员，他指出：“我们这个系统的创新性之一，是它可以将热辐射直射到空中。热量的传播通常是向各个方向进行的，而我们找到了一种方式，能够将散热过程集中到一个方向上。这使得这一冷却系统在高楼林立的城市中可以更有效地工作。我们采用了低成本的商用材料制造这一装置，结果显示其降温效果非常好。” 总体说来，工程师团队设计的“挡板加空箱”系统高约 45.72 厘米，长宽分别约 25.4 厘米。如果用于为一座建筑降温的话，需要用多个装置覆盖楼顶。 这一研究于 2019 年 8 月 5 日发表于《自然--可持续发展》（Nature Sustainability）杂志。这一国际性合作项目由布法罗的甘巧强团队、阿卜杜拉国王科技大学 (King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）的 Boon Ooi 团队和威斯康星麦迪逊分校 （University of Wisconsin-Madison）的于宗福（Zongfu Yu）团队共同合作完成。同作为第一作者的，还有布法罗分校电气工程副教授 Haomin Song，KAUST 的 Jianwei Liang。这项研究部分由美国国家科学基金会赞助完成。 为都市送清凉 这一新型被动降温系统解决了一个很重要的问题：如何保证辐射降温在拥挤的城市中白天的降温效果。 Song 指出：“辐射降温在夜晚很容易做到，因为晚上我们不会继续接收到太阳能热量，只需通过向外散发热辐射进行降温。但是在太阳照射的白天进行降温是一个挑战。为了应对这一情况，就需要一种不会吸收太阳能的散热材料。我们的系统解决了这一难题。” 如果将这个散热膜和遮光层组成的系统安装在室外，在白天它可以使小型封闭环境中的空气温度最多下降 6 摄氏度，晚上温度下降幅度最高可达 11 摄氏度。 结构创新提高降温效果 新辐射降温系统融入了很多有趣的光学设计特点。 其中一个关键元素就是聚合物—金属薄膜，它在铝膜上覆盖了一层聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane）涂层。铝膜可以反射阳光，涂层可以吸收周围空气中的热量，进而散发热量。 工程师团队将复合薄膜安装在一个泡沫材料盒子底部，并在盒子上方竖立一个遮光层，它的四壁向外倾斜，由可吸收太阳能的材料制成，内部还有一个倒置的锥体。这一结构设计有双重作用：首先它可以吸收阳光，起到缓冲作用；其次，遮光层的倒方椎体结构和内部的锥体可以使热辐射方向集中地发射到空中。 甘巧强指出：“如果你观察过汽车前灯的话，会发现车灯通过某种结构让光束朝向固定方向照射。我们也采用了这种设计。我们这个系统能够调整热辐射的方向，提升向天空散热的效率。而通过控制热辐射的方向，我们提高了降温系统在建筑密集的环境下的工作表现。” 本文来自微信公众号“科研圈”。如需转载，请在“科研圈”后台回复“转载”，或通过公众号菜单与我们取得联系。原文信息请点击“阅读原文”。 论文信息 【标题】 A polydimethylsiloxane-coated metal structure for all-day radiative cooling 【作者】Lyu Zhou et al. 【期刊】Nature Sustainability 【时间】05 Aug. 2019 【DOI】10.1038/s41893-019-0348-5 【链接】https://www./articles/s41893-019-0348-5 【摘要】Radiative cooling is a passive cooling strategy with zero consumption of electricity that can be used to radiate heat from buildings to reduce air-conditioning requirements. Although this technology can work well during optimal atmospheric conditions at night, it is essential to achieve efficient cooling during the daytime when peak cooling demand actually occurs. Here we report an inexpensive planar polydimethylsiloxane (PDMS)/metal thermal emitter thin film structure, which was fabricated using a fast solution coating process that is scalable for large-area anufacturing. By performing tests under different environmental conditions, temperature reductions of 9.5 °C and 11.0 °C were demonstrated in the laboratory and an outside environment, respectively, with an average cooling power of ~120 W m–2 for the thin film thermal emitter. In addition, a spectral-selective structure was designed and implemented to suppress the solar input and control the divergence of the thermal emission beam. This enhanced the directionality of the thermal emissions, so the emitter’s cooling performance was less dependent on the surrounding environment. Outside experiments were performed in Buffalo, New York, realizing continuous all-day cooling of ~2–9 °C on a typical clear sunny day at Northern United States latitudes. This practical strategy that cools without electricity input could have a significant impact on global energy consumption. ▽ 精彩回顾 ▽ |
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