一種既可集水，又可持續(xù)冷卻的策略

熱設(shè)計(jì) 2023-11-24

來源：Science

原文：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add1795

01 背景介紹

預(yù)計(jì)到 2050 年，與制冷相關(guān)的溫室氣體排放量將增加五倍，由于生活水平提高（尤其是在氣候潮濕的國家）和地球持續(xù)整體變暖的結(jié)合。需要有效冷卻的替代方法來滿足這些需求。盡管正在進(jìn)行大量努力以更普遍地提高冷卻的能源效率，但通過觀察冷表面上出現(xiàn)的小水滴發(fā)現(xiàn)了一個(gè)潛在的重要策略。大多數(shù)人都經(jīng)歷過這個(gè)過程，從空調(diào)形成的冷凝水到從冰箱中取出的冷飲。盡管傳統(tǒng)冷水機(jī)的效率越來越高，但整合被動(dòng)輻射冷卻策略（將天空用作冷水槽）不僅可以提高性能，還可以生產(chǎn)淡水。

然而，水蒸氣冷凝過程的效率是一個(gè)很大障礙。一個(gè)被稱為性能系數(shù)（COP）的既定品質(zhì)因數(shù)代表了產(chǎn)生的有用冷卻能量與提供的功的比值。一般而言，冷水機(jī)的COP取決于熱端（TC）和冷端（TE）之間的溫度差。空調(diào)需要空氣除濕，但水蒸氣結(jié)露會引入更大的溫差，從而降低了COP。這可能需要重新定義這個(gè)過程中的濕度管理。

通過關(guān)注主要由空氣中的水分離驅(qū)動(dòng)的空氣-水-能源關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同和多功能效應(yīng)。從空氣中抽取水蒸氣實(shí)現(xiàn)空氣除濕，同時(shí)還創(chuàng)造淡水源。幾項(xiàng)研究已經(jīng)證明，通過將潛能與顯熱冷卻解耦，能效提高了兩倍以上，主要是在潮濕的氣候條件下。將水蒸氣捕獲過程從顯熱冷卻中分離出來引發(fā)了一個(gè)相關(guān)問題，即促進(jìn)高效冷卻和淡水生成的兩用設(shè)備的可行性。盡管設(shè)備的雙重性質(zhì)在炎熱和潮濕地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和性能效率方面相對簡單，但在炎熱和干燥的地方部署這些系統(tǒng)存在嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

02 成果掠影

近日，上海交通大學(xué)王如竹教授在《Science》發(fā)表評述“Sustainable cooling with water generation”介紹了一種被動(dòng)輻射冷卻策略(將天空用作冷水槽)，這種策略不僅有助于冷卻，也可能有助于解決世界上許多地區(qū)的缺水問題。干旱地區(qū)通常在晴朗的天空條件下?lián)碛谐渥愕淖匀魂柟?，這提供了一種可持續(xù)的方式來增加或減少材料相對于環(huán)境的內(nèi)能。濕材料的高溫會加速干燥過程，同時(shí)水蒸氣會釋放到環(huán)境中。相比之下，根據(jù)菲克定律，吸濕性多孔材料由于水濃度差異而從大氣中捕獲水，從而促進(jìn)了該過程的可逆性。2017 年，一項(xiàng)概念驗(yàn)證表明，通過使用多孔金屬有機(jī)框架，可以在室外干旱條件下從空氣中收集水分。在短短幾年內(nèi)，大氣水收集取得了長足的進(jìn)步，從晝夜設(shè)備到每天使用多個(gè)周期的設(shè)備，即使在沙漠環(huán)境中，不僅通過吸附劑-干燥劑而且使用白天輻射天空冷卻材料迅速匯聚到連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備。通過重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有設(shè)備而不是重新發(fā)明材料，可以潛在地實(shí)現(xiàn)具有冷卻功能的現(xiàn)有集水器的兩用功能。

03 圖文導(dǎo)讀

吸濕性吸附材料從室外空氣中捕獲水蒸氣，同時(shí)還通過熱泵或輻射冷卻器降低空氣溫度。飽和后，吸附劑材料通過使用太陽熱能或熱泵進(jìn)行再生。放出的高溫水蒸氣結(jié)露。潮濕的室內(nèi)廢氣和環(huán)境空氣中的水蒸氣也是水源，后者（環(huán)境空氣中的水蒸氣）在夜間通過使用輻射屋頂涂層進(jìn)行結(jié)露。兩用設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行依賴于太陽能蓄熱。由于白天的大氣窗口（8 至 13 μm），輻射天空冷卻材料持續(xù)提供冷卻效果。