01 背景介紹
隨著地球溫度的升高，冷卻已經成為我們日常生活的一個重要方面，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生和生活水平的提高，預計全球需求將上升。空氣壓縮空調是住宅和工業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境污染。能源短缺正變得越來越頻繁，尤其是在貧困地區。因此，開發消耗更少能源的冷卻技術對于提高能源相對貧乏地區的生活質量至關重要。與電力驅動的蒸汽壓縮系統不同，半被動和被動冷卻方法由于其高效率和節能而變得流行。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。蒸發冷卻是另一種節能技術，與輻射冷卻相比，它被證明是環保的，并且是一種易于維護的技術，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可能是一個挑戰。
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構啟發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冷卻，從而有效調節建筑溫度，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定、循環性能好、粘水能力強等特點。在此蒸發冷卻演示中，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”為題發表在《Advanced Energy Materials》。
圖1. 受駱駝毛啟發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吸附劑蒸發冷卻室實驗結果。
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，顯示吸附冷卻技術在不同氣候區每年節省制冷能源的潛力。(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。