一种既可集水，又可持续冷却的策略

热管理博览会 2023年5月15日浏览：1304

来源 | Science

背景介绍

预计到 2050 年，与制冷相关的温室气体排放量将增加五倍，由于生活水平提高（尤其是在气候潮湿的国家）和地球持续整体变暖的结合。需要有效冷却的替代方法来满足这些需求。尽管正在进行大量努力以更普遍地提高冷却的能源效率，但通过观察冷表面上出现的小水滴发现了一个潜在的重要策略。大多数人都经历过这个过程，从空调形成的冷凝水到从冰箱中取出的冷饮。尽管传统冷水机的效率越来越高，但整合被动辐射冷却策略（将天空用作冷水槽）不仅可以提高性能，还可以生产淡水。

然而，水蒸气冷凝过程的效率是一个很大障碍。一个被称为性能系数（COP）的既定品质因数代表了产生的有用冷却能量与提供的功的比值。一般而言，冷水机的COP取决于热端（TC）和冷端（TE）之间的温度差。空调需要空气除湿，但水蒸气结露会引入更大的温差，从而降低了COP。这可能需要重新定义这个过程中的湿度管理。

通过关注主要由空气中的水分离驱动的空气-水-能源关系，可以实现协同和多功能效应。从空气中抽取水蒸气实现空气除湿，同时还创造淡水源。几项研究已经证明，通过将潜能与显热冷却解耦，能效提高了两倍以上，主要是在潮湿的气候条件下。将水蒸气捕获过程从显热冷却中分离出来引发了一个相关问题，即促进高效冷却和淡水生成的两用设备的可行性。尽管设备的双重性质在炎热和潮湿地区的经济和性能效率方面相对简单，但在炎热和干燥的地方部署这些系统存在严峻挑战。

成果掠影

近日，上海交通大学王如竹教授在《Science》发表评述“Sustainable cooling with water generation”介绍了一种被动辐射冷却策略(将天空用作冷水槽)，这种策略不仅有助于冷却，也可能有助于解决世界上许多地区的缺水问题。干旱地区通常在晴朗的天空条件下拥有充足的自然阳光，这提供了一种可持续的方式来增加或减少材料相对于环境的内能。湿材料的高温会加速干燥过程，同时水蒸气会释放到环境中。相比之下，根据菲克定律，吸湿性多孔材料由于水浓度差异而从大气中捕获水，从而促进了该过程的可逆性。2017 年，一项概念验证表明，通过使用多孔金属有机框架，可以在室外干旱条件下从空气中收集水分。在短短几年内，大气水收集取得了长足的进步，从昼夜设备到每天使用多个周期的设备，即使在沙漠环境中，不仅通过吸附剂-干燥剂而且使用白天辐射天空冷却材料迅速汇聚到连续运行的设备。通过重新设计现有设备而不是重新发明材料，可以潜在地实现具有冷却功能的现有集水器的两用功能。

图文导读

吸湿性吸附材料从室外空气中捕获水蒸气，同时还通过热泵或辐射冷却器降低空气温度。饱和后，吸附剂材料通过使用太阳热能或热泵进行再生。放出的高温水蒸气结露。潮湿的室内废气和环境空气中的水蒸气也是水源，后者（环境空气中的水蒸气）在夜间通过使用辐射屋顶涂层进行结露。两用设备的连续运行依赖于太阳能蓄热。由于白天的大气窗口（8 至 13 µm），辐射天空冷却材料持续提供冷却效果。