北京COOL青年:木叶动秋声,天空自致冷

2022-08-07 阅读次数:183次

立    秋

【唐】刘言史

兹晨戒流火,商飙早已惊。

云天收夏色,木叶动秋声。

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唐代诗人刘言史在《立秋》中描述了这样一幅场景:从立秋这天开始,暑热渐退,秋风开始蠢蠢欲动,云际天空开始收敛夏日的色调,树叶间秋声已动。总之,秋姑娘迈着轻盈的脚步,带着清凉和舒爽,她来了!

始惊三伏尽,又遇立秋时。8月7日立秋,北京制冷学会带领大家了解天空辐射致冷。

由于大量温室气体导致的全球变暖,虽说七月流火,逐渐转凉,但当前居高不下的气温仍旧让大家对户外活动望而却步,往往选择功率开足的空调房间内享受清凉。在大家享受清凉的同时,我们也必须意识到一个严峻的问题:依靠空调等设备的主动制冷消耗了巨大的能量!据统计,仅建筑物制冷系统就消耗了全球室内用电总量的20%,同时制造了全球温室气体排放总量的10%,预计到2050年,人类对制冷的需求会增长3倍[1]。因此,新型制冷方式的开发及应用拓展研究迫在眉睫,刻不容缓。

天空辐射致冷就在这种局势下逐渐得到了广泛的关注。和主动制冷技术相比,这种冷却技术不需要外界能量输入即可达到降低物体表面温度的目的,因此我们称其为辐射“致”冷。此外,天空辐射致冷不向环境排放任何污染物,为当前能耗巨大的主动制冷技术带来的相关能源、环境和社会问题提供了新的解决思路。那么,什么是天空辐射致冷呢,它的原理又是什么呢?

天空辐射致冷指的是地表物体以热辐射的方式,源源不断的透过大气层向零下两百多摄氏度的外太空释放热量、从而降低自身温度的一种被动冷却方式。那是不是所有热辐射都能透过大气层将热量散出去呢?答案是否定的。大气层对热辐射电磁波的透射性是选择性的,只有波段为8至13微米的热辐射电磁波才能很好地透过大气层散发到外太空,我们把这个波段称为“大气窗口”。因此,若地表物体在大气窗口波段具有较高的发射率,就能将更多的热量以热辐射的形式释放到外太空,从而获得更好的降温冷却效果。

实际上,在自然界中的很多现象都是由天空辐射致冷引起的,比如在天气晴朗的深秋早晨,即使环境的温度还未达到露点或冰点,在树叶的表面上也会出现结露或结霜现象,这正是树叶上表面和外太空进行辐射换热、辐射致冷效应明显所致。与传统模式相比较,天空辐射致冷具有零能耗、零排放的绝对优势,符合可持续发展、绿色发展的观念。当前,辐射致冷已经在建筑物制冷、智能穿戴产品、航天飞行器的高效散热等众多领域取得了应用,在助力实现双碳目标方面发挥了重要的促进作用。

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天空辐射制冷的应用举例

[1] Birol F. The future of cooling: opportunities for energy-efficient air conditioning. International Energy Agency, 2018.

[2] Cai L, Song A Y, Li W, et al. Spectrally selective nanocomposite textile for outdoor personal cooling. Advanced Materials, 2018, 30: 1802152.

[3] Safi T S, Munday J N. Improving photovoltaic performance through radiative cooling in both terrestrial and extraterrestrial environments. Optics Express, 2015, 23: A1120-A1128.

[4] Inamori T, Ozaki N, Saisutjarit P, et al. Passive radiative cooling of a HTS coil for attitude orbit control in micro-spacecraft. Advances in Space Research, 2015, 55: 1211-1221.

[5] Fan L, Li W, Jin W, et al. Maximal nighttime electrical power generation via optimal radiative cooling. Optics Express, 2020, 28: 25460-25470.

[6] Dong M, Zhang Z, Shi Y, et al. Fundamental limits of the dew-harvesting technology. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering, 2020, 24: 43-52.

[7] Zhao D, Aili A, Yin X, et al. Roof-integrated radiative air-cooling system to achieve cooler attic for building energy saving. Energy and Buildings, 2019, 203: 109453.

撰稿人:北京科技大学能源与环境工程学院副教授王存海(北京市科协2022-2024年度青年人才托举工程被托举人)


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