美媒：美国开发辐射制冷系统 将比任何冷却系统更节能
美媒称，总部设在加利福尼亚州的美国天空冷却系统公司正处于制造一种冷却系统的早期阶段。这种冷却系统比一个世纪来人类用过的任何冷却系统都更节能。该公司利用了辐射制冷的概念。几百年前，这个概念就在中东和印度被人使用过。
据美国石英财经网站8月5日报道，随着世界面临不断扩大的气候变暖危机，这类发明可能会成为力挽狂澜者。目前的气候变暖危机是人类活动导致的各种排放推动的。美国环境保护局的数据显示，从全球看，大约12%的非二氧化碳排放是冷冻设备和空调带来的。
报道称，要理解辐射制冷的工作原理，暂时忘记太阳，想想夜晚的天空。夜空非常寒冷。在夜晚，散热物体向上释放的热量比整个天空发回地面的热量更多。
几百年前——远在制冷设备出现前，印度人和伊朗人曾利用这个基本概念在温度高于冰点的情况下制造冰块。他们将水注入大而浅的陶瓷缸。缸的周边围上干草以隔热。然后，他们将这些缸放在室外晴朗的夜空下。这听起来是反直觉的。但如果空气的温度只比冰点高一点，水释放出热量会使水温低于周围空气的温度，从而让它结冰。如果你夏天早上醒来时看到一层霜花或露水，就是同样的原理在起作用。
如今，天空冷却系统公司的研究人员正把这个原理运用于现代。他们用它来重新构想我们为住宅、数据中心和冰箱制冷的办法。
在斯坦福大学工作时，天空冷却系统公司的三名创始人——范汕洄、埃利·戈德斯坦和阿斯沃斯·拉曼——创造了一种有助于推动辐射制冷过程的材料。这种材料的表面会以恰当的平衡来吸收、散发和反射热。
报道称，他们的发明看起来很像太阳能电池板。一块扁平的金属面板上覆盖着一层高技术薄膜——这就是三人发明的材料。这种材料会有效地反射太阳的光和热，这样，该薄膜下面的温度可以比周围空气温度低5至10摄氏度。在薄膜下的金属面板上蜿蜒环行的一套管道系统就暴露在较冷的温度中，从而冷却管内的液体。
尽管天空冷却系统公司认为，它的技术同目前的制冷系统并肩工作会让制冷系统更有效率，但美国布法罗大学的研究人员认为，未来可能出现独立的不使用电的辐射制冷系统。该大学研究人员进行的有关新研究发表在英国《自然·可持续发展》杂志上。
科学家发明可替代空调的制冷系统 通过吸收人体热量降温
2020-08-21 08:36:35 来源：快科技 作者：斌斌 编辑：益达兄 浏览：23377
据外媒报道，来自《美国科学院院报》上的一项新研究，展示了一种新的节能制冷系统，只需空调电量的一半。
空调的出现使人们能够更舒适的度过夏季，但是却及其费电。因此，一个由多国科学家组成的研究小组研发了一种被称为“冷管”制冷系统，它通过吸收人体散发的热量来工作，因此只需空调一半的电量。
不列颠哥伦比亚大学亚当•瑞萨内克（Adam Rysanek）解释说：“空调的工作原理是利用空气来降温和除湿，但这并不环保。而‘冷管’的工作原理是通过吸收人体体辐射直接释放的热量，因此将大大节省能源。”
该系统利用辐射冷却原理，将矩形壁板或天花板镶入冷水，它们被包裹在一种新颖的膜中，该膜是气密的并且可以防止潮湿，以避免结露的形成。
同时，这种薄膜允许辐射通过，这意味着当一个人站在面板旁边或下面时，身体热量会向冷却的面板辐射，从而产生冷却的感觉，而无需对空气进行除湿。
该系统在新加坡进行了测试，受邀参加的55名受试者表示，尽管当时的温度为30℃，但是大部分依然感觉十分凉爽舒适。
研究人员表示，目前的冷管设计使其成为户外活动的合适解决方案，如夏季集市、音乐会等。下一步，他们将继续开发该系统，使其能够替代空调等传统制冷系统，广泛用于家庭和办公需要。
无需电力：科学家打造出一套独特的辐射冷却系统
来源：cnBeta.COM
-2021-
03/07
15:31
据外媒报道，一项研究描述了一个旨在帮助贫困社区、减少制冷和供暖成本并降低二氧化碳排放的被动冷却系统。被动降温就像树荫一样，一直存在。 最近，研究人员一直在探索如何利用遮挡阳光的纳米材料来为被动冷却技术涡轮增压，这种技术被称为辐射冷却或天空冷却。
虽然已经取得了一些进展，但这种环保技术并不普遍，因为研究人员一直在努力最大化材料的冷却能力。
近日，由布法罗大学工程师领导的新研究在这一领域取得了重大进展。相关研究论文于上月8日发布在了《Cell Reports Physical Science)》上。
文章中，研究人员描述了一种独特设计的辐射冷却系统：
在阳光直射的室外环境下，将测试系统内的温度降低12摄氏度以上；
为了模拟夜晚，将实验室里测试箱的温度降低了14摄氏度以上；
与此同时捕捉到足够的太阳能，从而可以将水加热到60摄氏度左右。
研究人员们指出，虽然测试的系统只有70平方里面，但最终可以扩大到覆盖整个屋顶从而减少社会在制冷和供暖方面对化石燃料的依赖。另外它还可以帮助电力供应有限的社区。
“在我们的日常生活中，对供暖和制冷的需求非常大，尤其是在日益变暖的世界中制冷，”该研究首席作者、UB工程与应用科学学院电气工程教授Qiaoqiang Gan说道。
该系统主要由两面镜子组成，它们由10个极薄的银和二氧化硅层组成，它们V形摆放。
镜子负责吸收入射的阳光，然后将可见光和近红外波段的太阳能转化为热能。另外，镜子还反射来自“发射器”（两个镜子之间的一个垂直盒子）的中红外波，然后发射器将它们携带的热量反射到天空中。
“由于中央热发射体两面的热发射被反射到天空中，所以该发射体的局部冷却功率密度增加了一倍从而导致创纪录的高温降低，”Gan说道，“大多数辐射冷却系统分散太阳能，这限制了系统的冷却能力。即使有完美的光谱选择，在环境温度为25摄氏度的情况下，冷却功率的上限约为每平方米160瓦。相比之下，这些系统上每平方米约1000瓦的太阳能都被浪费了。”
据悉，Gan联合创立了一家新公司Sunny Clean Water LLC，该公司正在寻找合作伙伴从而将这项技术商业化。
接下来，该研究小组将继续研究改进这项技术的方法，其中包括研究如何收集足够的太阳能来烧开水使之适合饮用。
重新定义空调？新型冷却系统可将热气“发射”至外太空，最佳状态下省70%的电能
识别图中二维码加入科技英语直播 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。
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！
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。 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。
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。 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。） 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%。 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。 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。 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。 一种新的多层材料可在不使用电力的情况下为建筑物降温。图片来源：斯坦福大学 本报讯 从古希腊时期开始，雪白的屋顶便被用来反射太阳光从而为室内降温。如今，来自美国加利福尼亚的研究人员在这一古老方法中添加了一种现代技术，从而让建筑物在炎炎夏日无须用电即可实现“被动制冷”的效果，实现真正的节能减排。 科学家研制出一种新的多层涂层，可谓是为制冷打出了一套组合拳。首先，这种新材料几乎能够反射太阳光带来的全部能量。其次，它还能吸收来自建筑物内部的热量，并在不使周围空气升温的前提下将其辐射殆尽。 由于这项新技术并不需要任何电能，因而能够大大削减修建空调建筑所需的成本——在美国，仅空调的使用便消耗了全部电量的近15%。 新冷却技术的第一部分——反射——似乎很好理解：这只须看看一面镜子便够了。而第二部分——辐射掉热量——则不太直观。 建筑物、树木和人体都会以红外线的形式向外辐射热量——这也就是人们在夜视镜中看到的怪异光芒。通常这种红外辐射发生在波长介于6至30微米之间的一个广泛的范围中。由于空气中的分子能够吸收位于这一范围顶部与底部的红外线，因此辐射能够加热周围的环境。然而，波长介于8到13微米的光线却能够穿过空气进入寒冷的广阔空间。 因此由帕洛阿尔托市斯坦福大学电气工程师Shanhui Fan率领的研究小组，开始着手制造一种同时能够很好地辐射长波长能量的反射镜镀层。他说：“并没有天然材料，既能够反射太阳波长又能够辐射适当长度的热波长。”从而使其逃逸到大气中去。 为了设计这样一种材料，Fan及其研究团队制造出一种交替着二氧化硅（SiO2）和二氧化铪（HfO2）的7层薄膜，总厚度不超过2微米。研究人员将这些薄膜放置在一个比萨饼盘大小的硅片上面，再在上面加上一个薄银层，其作用相当于一个初始的效果优良的反射镜。其中头4层SiO2和HfO2非常薄，它们被设计用来反射没有被银层反射的几乎全部的入射光线。而这5层薄膜总共能够反射掉97%的入射能量。而另外3层薄膜——两层较厚的SiO2被一个厚HfO2层所分开——的作用则相当于一个散热器，负责吸收来自下方的热量，并以8到13微米的波长再次释放这些能量。 在实验中，研究人员把这种材料置于建筑物屋顶，它能同时把建筑物内部的红外光散射出去，并反射外部太阳光。在各种各样的测试中，即便在全日照的情况下，这种涂层仍能够使表面下的温度冷却5摄氏度。 Fan及其同事日前在《自然》杂志网络版上报告了这一技术成果。 Fan强调，几乎所有能量技术的工作原理都是将热量从一个热的地方转移至一个冷的地方。他说，对于这种新涂层而言，“垃圾场”则在空中，这是一个从地球的任何角落都很容易到达的地方。 Fan表示，辐射冷却技术已应用多年，在建筑物中很常见。但是他们研发的新型节能材料同时还反射可见光，能把这两种技术结合起来是前所未有的。 加利福尼亚大学伯克利分校光电工程师Eli Yablonovitch表示：“这是一个非常新颖而简单的想法。”但这种新涂层是否足够便宜从而能够大面积推广尚不得而知。Fan表示，现有的技术便能够完成这项工作。他说，即便用这种新涂层覆盖房顶不容易实现，这项技术依然可以带来更好的空调系统，从而使那些余热能够被释放到空中。（赵熙熙） |
