原创 高分子科学前沿 高分子科学前沿 2023-05-05 07:48 发表于浙江
随着生活水平的提高，预计到2050年，与冷却有关的温室气体排放将增加五倍。因此，需要采取替代性高效的冷却方法来满足人们对制冷的需求。受从冰箱中取出的冷饮表面有小水滴的启发。科学家们通过研究在寒冷表面上出现的小水滴，发现了一个潜在的重要战略。上海交通大学王如竹教授在《Science》发表评述介绍了一种被动辐射冷却策略(将天空用作冷水槽)，这不仅有助于冷却，也可能有助于解决世界上许多地区的缺水问题。
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。这可能需要重新审视这个过程中的湿度管理。协同和多功能效应可以通过关注空气 - 水 - 能量关系来实现，主要由水与空气分离驱动。从空气中抽取水蒸气可实现空气除湿，同时还创造了淡水源。一些研究已经证明，在潮湿的气候条件下，通过将潜热和显热冷却解耦，能源效率可以提高两倍以上。将水蒸气捕获过程从显热冷却中分离出来，引发了一个有关促进高效冷却和淡水生成的两用装置的可行性的相关问题。尽管从经济和性能效率的角度来看，在炎热和潮湿的地区，设备的双重性质是相对简单的，但在炎热和干燥的地方部署这些系统存在严重的挑战。干旱地区通常拥有充足的自然阳光，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。湿材料的温度升高会加速干燥过程，水蒸气会释放到环境中。相比之下，根据菲克定律，由于水浓度差异，吸湿性多孔材料从大气中捕获水，促进了该过程的可逆性。2017年，一项概念验证显示，在室外干旱条件下，使用多孔金属有机框架从空气中收集水。在短短几年内，大气集水突飞猛进的发展，即使在沙漠环境中，迅速融合到连续操作的设备，不仅通过吸附剂干燥剂，而且还使用白天辐射冷却材料，通过重新设计现有的设备，实现现有的具有冷却功能的采水器的双重用途。由于固有的材料和传热特性，干旱地区的可持续冷却需要一个两步法（见图）。低于环境温度的吸附剂可降低室外空气温度，同时促进水分捕获，最终形成冷却和除湿的空气。由于吸附过程会产生热量，因此可以使用辐射冷却或基于干燥剂的热泵带走显热和吸附热，后一种装置的加入具有从蒸发器中处理的空气中吸附水分的能力，引入了冷却吸附除湿，从而产生舒适的空气。通过利用固有热泵功能同时产生冷却和加热能量，冷凝热作为副产物不会被浪费，而是用于加热解吸过程。因此，蒸发量升高，以及减少冷凝的温度，都会产生了积极影响。因此，传统空调设备中由低温蒸发冷却处理的潜热负荷可以通过基于吸附技术的系统进行管理，其中吸附剂材料可以通过太阳能加热或热泵冷凝热量再生，对设备性能产生积极影响。另外，太阳能，再加上热能储存的技术进步，成为另一个潜在的来源。收集液态水的最后一步是通过热途径在高温水蒸气和散热器之间进行能量交换。太阳能可以在水的相变过程中发挥重要作用。一般而言，在屋顶上部署的辐射涂层在干旱地区可能会有所帮助，并且可以减轻两用设备或建筑物传统空调的一些负担。此外，在极端干燥的环境条件下，从人类或其他湿源以潜热负荷大规模回收室内废气，可以成为另一种水源。这种空气湿度回收已经在航天器或空间站中用于为宇航员提供长达数月或全年的水。全年多变的环境和室内条件需要灵活的设备适应性策略。例如，对金属有机框架逐步位置的精确调节显示出在相对湿度低至10%的恶劣环境条件下运行的前景。在微米和纳米尺度上，吸附剂孔体积的实时操纵有望带来可调的吸水行为和解吸温度。相比之下，辐射涂层可以利用可切换的温度调制热发射，扩展两用设备的使用场景，提供全年的热舒适性。在评估设备时，需要就相关指标达成共识，以便将有用的产品与所提供的工作联系起来，这使得规划前进道路更加困难。除了辐射冷却、太阳能和总面面积之外，其他因素，如总重量和吸附剂重量，可能会增加另一层，以确保竞争设备的比较有公平的基础。此外，应在全球范围内对干旱和半干旱地区的两用装置进行评估，以明确显示广泛部署的潜力。这样的工程机会需要进一步的定量分析和更深入的物理见解，并清楚地描述与传统一次性设备的理论和实践改进。广泛实施双重用途方法可能会遇到各种挑战。其中之一是由于相对湿度较低，吸附剂捕获水的可能性降低。提高吸附剂吸附速率和动力学的有效解决方案是使用复合材料，并调节蒸发温度。通过结合这些材料和系统级策略，可以大大提高吸附剂吸附水的潜力。相比之下，大气中较低的水分含量可以提高辐射天空冷却材料的性能。由于在单一的两用设备中收集大气水的可持续冷却与各种技术相连接，因此需要特别努力寻找商业吸引力的最佳解决方案，以及可持续生活的低碳道路。
