黑科技:新型冷却系统将热气“发射”至太空 或将重新定义空调

[导读] 早在 2014 年的时候,一支斯坦福研究团队就提议,可以通过天空把热量排到外太空以达到制冷的目的。现在,这项研究又有了新进展,他们成功做出了这种新型节能制冷系统。最新研究成果发表在上周的《自然-能源》(Nature Energy)上。

你有没有想过,天空也许是个高效又节能的“空调”。

这个点子并没有想象中的那么不切实际。毕竟,当飓风肆虐美国,世界气象组织宣布全球变暖可能导致强飓风出现更频繁,我们不得不寻求一切方法来实现节能减排。

早在 2014 年的时候,一支斯坦福研究团队就提议,可以通过天空把热量排到外太空以达到制冷的目的。现在,这项研究又有了新进展,他们成功做出了这种新型节能制冷系统。最新研究成果发表在上周的《自然-能源》(Nature Energy)上。

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实验结果也证明,这种新型“空调”能让热干燥气候下的一栋两层办公楼的空调耗电量节省超过 21%,整个夏季能省下 14.3 兆瓦时电,相当于普通三口之家(假设每月耗电 350 千瓦时)将近三年半的耗电量。

如果将该辐射冷却系统与循环水冷却系统相结合,在理想气候条件下,对于供热、冷却以及通风等,还有可能实现将近 70% 的能源节省!

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图丨新型辐射冷却装置的早期原型板

该技术名为“辐射天空冷却”(radiative sky cooling),灵感来自于一种叫作“辐射冷却”(Radiative Cooling)的自然现象。这种现象指的是,我们身边所有的物体都会放出热辐射,其中一部分被大气层反射和吸收,另一部分处于特定波长范围的辐射能逃逸到更冷的外太空。物体本身就可以通过放出热辐射的方式使自己的温度低于周边气温。

这一技术有望改善目前主流制冷系统在节能减排上的差劲表现。要知道,制冷系统每年消耗全球发电量的 15%,碳排放占全球温室气体排放量的 10%。预计 2050 年,全球对于制冷系统的需求还将增长十倍,提高冷却系统的效率将是 21 世纪能源挑战的关键部分。

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图丨新型辐射冷却装置正在进行田间测试

目前,常用的空调系统运行原理是这样的:空调中的冷却液吸收室内的热量并将它释放到外面的空气中。风扇使空气运动到冷凝管上并带走其中的热量,降低冷却液温度。

斯坦福大学应用物理学家 Aaswath Raman 表示:”制冷系统的工作效率是由室外温度决定的,如果室外温度高的话,空调在释放热量时会耗费更多的电能。”

具体而言,制冷系统的效率主要取决于冷凝器对环境的排热温度:冷凝器温度越低,冷却效率越高。根据经验,冷凝器温度每降低 1°C,冷却系统耗电量将降低大约 3% 到 5%。然而,目前主流的冷却系统都是依靠蒸发冷却降低冷凝器温度,不仅引入了系统复杂性(管理水质和矿物沉积)以及蒸汽冷却组件的初始成本(如冷却塔),更大的弊端在于增加了很多额外的电能耗费以及水分损失。

而”辐射天空冷却”技术却在降低水温上另辟蹊径,利用特殊设计的辐射板实现这一点:这种辐射板能吸收水中的热量并以特定的波长辐射到外太空。其最大的技术亮点在于,电能消耗较小,而且并不会引起水汽的蒸发,既省电又省水。

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具体而言,这项技术主要利用了地球大气层对于中红外波段(8 到 13 微米)的热辐射是”透明的”、可穿透的事实,将材料表面的热量被动地辐射到外太空,从而使表面温度冷却到低于环境温度。这就是为什么即便环境温度没有达到冰点以下,夜空下车窗或者玻璃片上也会产生结霜现象(玻璃表面的热量被辐射到外太空,因而其表面温度低于周边环境的温度,水汽遇冷结霜)。

研究者们的最终想法是,将这种流体制冷板与空调冷凝器结合,达到节能降温的效果。但是,想要有效利用这种冷却机制还有一大挑战:这种辐射冷却的效果仅在夜间明显,但是我们对冷却系统的需求主要集中在白天。而在白天,这种冷却效果有一个”死敌”——太阳辐射,辐射出去的热量会被源源不断的太阳热辐射给抵消掉。

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图丨 图 a: 新型辐射冷却装置实物图。图 b:辐射冷却装置的三维示意图。图 c:辐射冷却装置的横截面示意图。图 d:光子辐射冷却材料的扫描电镜图。

但这个问题并非没有解决之道。早在 2014 年,团队就研发出一种新型光子材料来应对这个问题,这种材料是在硅基底上沉积一层 200 纳米厚的 Ag 膜(Ti 作为黏着层),然后在其上交替沉积 7 层厚度不等的 SiO2(二氧化硅)和 HfO2(二氧化铪)。这种新型材料不仅可以辐射出能”溜出”大气窗口的中红外光,同时还能反射掉 97% 的太阳光辐射,相关成果发表在当时的《自然》杂志上。

一旦将这种材料铺在屋顶上,它们就能直接接受白天的太阳辐射,同时还能保持低于环境温度 4.9°C 的低温,最终达到相当于每平方米 40.1 瓦特的冷却功率(注意:制冷功率和制冷量是不同的,空调的制冷量是指空调器进行制冷运行时,单位时间内从密闭空间、房间或区域内除去热量总和,单位为 W。制冷量大的空调适用于面积比较大的房间,且制冷速度较快。以 15 平方米的居室面积为例,使用额定制冷量在 2500w 左右的空调比较合适。)

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图丨 SkyCool Systems 公司的三位主要成员

解决了这个关键难题,该技术离落地又近了一步。2016 年春天,团队的三名研究者共同成立了 SkyCool Systems 公司,致力于推广辐射冷却技术的商业化。其中,Goldstein 出任首席技术总监,论文的第一作者、曾入选 2015 年 MIT TR 35 的 Aaswath Raman 出任首席执行官,斯坦福大学电气工程学教授 Shanhui Fan 出任技术顾问。

在最新的《自然能源》发表的文章中,研究人员还分享了将该技术扩展到冷却流动水的具体效果。

在实际操作中,研究人员在冷却板下放置了很多细薄的水管以通入流动的水,测试结果显示,三天时间内水温冷却到比最初温度低 5°C。这说明,该技术有望引入现有的冷却系统中,替换或者增强传统制冷设备的冷凝器组件,以达到更高的制冷效率。

通过进一步建模,研究人员称,将该制冷板安装处于 Las Vegas 热干燥气候的两层办公大楼上,整个夏季的冷却耗电量能够节省超过 21%。

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太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest Lab)能源分析师 Nick Fernandez 说,“对于那些在设计阶段就选择将该新型辐射冷却技术纳入新建筑冷却系统的开发商来说,节能空间可能更大。”

Nick Fernandez 在 2015 年的分析报道中就称,如果将该辐射冷却系统与循环水冷却系统相结合,在面板下设置水管,从而利用循环水而不是空气来进行冷却。在理想气候条件下,对于供热、冷却以及通风等,有可能实现将近 70% 的能源节省。

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图丨图a:传统空气冷却制冷系(Air-cooled condenser:空气冷凝器;Evaporator:蒸发器;Roof:膨胀阀)图b:SkyCool 辐射制冷板制冷系统(Air-cooled condenser:空气冷凝器;Evaporator:蒸发器;Roof:膨胀阀;compressor:压缩器;pump:泵;Heat exchange: 热交换)

面对全球能源日益紧张、环境日益恶化的局面,加之,全美能源产值的 14% 都用于住宅和商业大楼的制冷,一项既能节省水电能源又能减少碳排放的技术市场潜力巨大。SkyCool 公司的辐射冷却板技术不仅能够改进现有建筑冷却系统,还能为业主和租户的节省不少成本。

然而,SkyCool 并不是唯一一家想要抢占该市场的公司。今年 2 月份,来自美国科罗拉多大学波德分校的工程师团队在《科学》杂志发布了一种玻璃/聚合物复合材料,该材料能在正午太阳直接照射条件下,实现 93 瓦特每平方米的辐射制冷功率。这支团队强调的是,他们已经想出如何以合理的成本制造成卷的新型薄膜材料,并计划“使其成为切实可行的应用于住宅和商业大楼的大规模技术”。

与斯坦福团队的模式一样,科罗拉多大学的研究者从 ARPA-E 筹到资金,申请了专利并成立了一个公司 RadiCool。目前,该研究团队正与潜在的投资者和制造商进行洽谈。

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图丨 Aaswath Raman 曾出席过EmTech

另一方面,SkyCool 的研究者正在致力于继续提升其新型材料的辐射冷却效率。目前,SkyCool 的 CEO Raman 拒绝透露最终产品价格的有关信息,但他认为,任何前期的成本都会被最终长期的能源节省所抵消。

作者在论文中表示,目前该冷却系统的尺寸以及集成模式还尚未针对成本及投资回报期进行优化,系统的排管、泵以及热交换等组件的平衡、软成本、安装成本等都对将来的商业化和实际使用非常重要。

此外,虽然研究者主要强调了辐射制冷面板在白天运行的能力,解决了白天较热环境温度下冷却系统效率低的问题,但另一方面需要注意的是,该辐射冷却面板每天要工作 24 小时。因此,将来可以通过进一步完善的系统设计以及在夜间使用热量存储,那么当制冷需求较低或者不需要制冷时,就能挖掘出更大程度的能源节省。

而根据太平洋西北国家实验室的评估,如果 SkyCool 的房顶辐射冷却板的制造和安装能够达到每平方英尺 58 美分,那么节省的能源可以在大约五年内抵消成本。

目前,SkyCool 正在加州戴维斯(Davis)进行其最新一代制冷板的实地试验,进而评估该技术是否足以增强空调以及商业化制冷系统的效率。

SkyCool 的下一个重大计划是与其早期客户或商业伙伴进行大规模实际验证,Raman 和 Goldstein 这个计划明年就能实施。他们的目标是那些涉及大型冷却系统需求的企业,如大型超市和大型数据中心,在那些地方,微小的能源节省将聚少成多,进而带来可观的效益。

 

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