01 背景介绍
随着地球温度的升高，冷却已经成为我们日常生活的一个重要方面，尤其是在太空冷却方面。空间制冷约占一次建筑能耗的40%，由于极端高温事件的发生和生活水平的提高，预计全球需求将上升。空气压缩空调是住宅和工业制冷中使用最多的制冷设备。然而，这些设备消耗大量的能源，并造成二氧化碳当量的严重环境污染。能源短缺正变得越来越频繁，尤其是在贫困地区。因此，开发消耗更少能源的冷却技术对于提高能源相对贫乏地区的生活质量至关重要。与电力驱动的蒸汽压缩系统不同，半被动和被动冷却方法由于其高效率和节能而变得流行。其中一种方法是辐射冷却，即物体通过热辐射向宇宙释放热量，而不需要任何额外的输入能量。这个过程利用了宇宙中8-13微米之间的透明窗口，它在绝对零度的温度下充当散热器。然而，由于辐射材料的太阳反射率和发射率较低，辐射冷却受到限制，导致冷却功率小于160 W/m2。此外，环境气候中的高湿度会吸收红外辐射，使透明窗失效。相比之下，热吸附是一种灵活而稳定的冷却方法，它依赖于不同衬底材料之间的热量传递。蒸发冷却是另一种节能技术，与辐射冷却相比，它被证明是环保的，并且是一种易于维护的技术，通过液体到蒸汽的相变来降低温度。然而，这种方法通常需要足够的水供应，这在全年面临严重缺水的贫困地区可能是一个挑战。
近日，香港城市大学Steven Wang团队探索一种以更少的能源消耗运行的冷却策略。该文展示了一种受骆驼毛结构启发的被动式膜封装吸附性冷却器，它可以定期从大气中吸收水分，并将其释放出来用于白天的蒸发冷却，从而有效调节建筑温度，而无需额外的能量输入。该吸附性冷却器由无水盐和改性膨胀石墨制成，并经透气多孔膜进一步封装，具有较高的吸附性。这种新型材料具有形状稳定、循环性能好、粘水能力强等特点。在此蒸发冷却演示中，骆驼毛吸附剂的平均冷却功率可达630 W/m2，远远高于辐射冷却方法。该理论模型表明，与参考建筑的冷却能源使用相比，所提出的吸附性冷却器有可能将冷却能源的碳排放减少61%至87.83%。这种受自然启发的方法为高效的空间冷却铺平了新的道路，而不需要额外的水供应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”为题发表在《Advanced Energy Materials》。
图1. 受骆驼毛启发的石墨基被动吸附剂冷却。
图2. 超亲水膨胀石墨的设计、合成和表征。
图3. LiCl/超亲水膨胀石墨的吸水和解吸性能。
图4. LiCl/超亲水膨胀石墨的吸水和解吸性能。
图5. 聚四氟乙烯膜包封LiCl/SHEG吸附剂蒸发冷却室实验结果。
图6. A) 2022 年 6 月和 7 月的全球热浪。B) 参考建筑和使用吸附冷却器的建筑的制冷能耗（千瓦时）。C) 参考建筑和带吸附冷却器建筑的节能效果。D) 参考建筑和装有吸附冷却器的建筑所用冷却能源的碳足迹。E) 通过使用我们的吸附冷却器，九个选定城市的二氧化碳减排潜力。F) 模拟世界地图，显示吸附冷却技术在不同气候区每年节省制冷能源的潜力。(注：能源使用在 EnergyPlus 中模拟，碳足迹在 SimaPro 中模拟）。我们选择了不同气候区的九个代表性城市（香港、上海、孟买、阿布扎比、悉尼、纽约、巴黎、圣保罗和开普敦）进行比较。该理论模型表明，与九个不同气候城市的预测值相比，建议的吸附冷却器每年可减少 12.16% 至 39% 的冷却能源使用量，与参考建筑冷却能源使用所释放的排放量相比，有可能减少 61% 至 87.83% 的冷却能源碳排放量。