奇妙！晒太阳可降温，制冷不用电！

赵东亮等

2018-10-27

第一作者：赵东亮

通讯作者：杨荣贵、尹晓波、谭刚

通讯单位：美国科罗拉多大学、美国怀俄明大学

研究亮点

1. 集成了一种以水为工作介质的辐射制冷集冷模块。

2. 发布了第一个可全天连续运行的千瓦级辐射制冷系统。

3. 提出了辐射制冷与建筑结合的24小时全天连续运行具体方案。

为什么要研究辐射制冷？

在炎炎夏日保持清凉，不仅对人体的舒适性至关重要，也会影响到一系列家用和工业设备的正常运行。传统的制冷方式，以空调系统为代表，需要消耗大量电能，同时其中使用的制冷剂也具有很强的温室效应。

天空辐射制冷(Sky Radiative Cooling)是利用部分可以穿透大气层的特定波长电磁波，将物体的多余热量以红外辐射的形式永久地“扔”进宇宙的制冷方式。由于其不耗能、不费电的特点，尤其是近几年由于纳米光学和超材料的研究，实现了在白天太阳直射下仍能将物体降温，天空辐射制冷吸引了世界各国科研人员和社会有识人士的广泛关注。

辐射制冷还存在什么问题？

白天辐射制冷超材料的诞生为该项技术的应用奠定了坚实的基础。然而，在辐射制冷材料的应用中，还有一系列需要考虑和解决的实际问题。例如，在建筑应用领域，简单的被动式应用虽然可以将此类材料直接贴附或涂刷于建筑物外表面进行降温，但是昼夜交替和冬夏的季节变化也给这种应用方式带来了挑战。

一句话总结：

有鉴于此，美国科罗拉多大学博尔德分校（杨荣贵和尹晓波教授团队）和怀俄明大学（谭刚教授团队）合作，发展了一种以水为工作介质的辐射制冷集冷模块，实现了第一个可全天连续运行的千瓦级辐射制冷系统，并提出了辐射制冷与建筑结合的24小时全天连续运行具体方案。

图1 可24小时全天连续运行的千瓦级辐射制冷系统

以水为工作介质的辐射制冷集冷模块

在该团队2017年开发的一种可大规模生产的辐射制冷超材料薄膜（Science, Vol. 355, pp.1062-1066, 2017）的基础上，此项工作进一步对辐射制冷超材料薄膜的系统集成进行了研究。文章提出了一种以水为工作介质的辐射制冷集冷模块，该模块可以在白天太阳直射条件下将水冷却至比环境温度低10.6 °C。

图2A展示了以水为工作介质的辐射制冷集冷模块的截面图，其由辐射制冷超材料、polycarbonate水板、polyethylene薄膜，以及保温材料等组成。该团队使用对比试验的方式为我们展示了辐射制冷超材料和模块的制冷性能。

图2 辐射制冷超材料及模块

把四个同样结构但表面材料光学特性不同的水冷模块并排排列（图3A），其中包括聚合物表面模块（Bare module）、反射模块（Reflective module）、保温模块（Well-insulated module）、以及辐射制冷模块（RadiColdmodule）。聚合物表面模块为太阳光吸收-红外发射材料作为表面（图3B，红线），模拟一般的常规屋面材料。反射模块使用全反射材料作为表面（图3B，橙线），模拟对太阳光反射的冷屋面（cool roof）材料。保温模块使用保温材料作为表面，模拟保温较好的密闭空间，例如建筑物阁楼空间。辐射制冷模块为太阳光反射-红外发射（图3B，蓝线）。

图3 应用不同表面材料的辐射制冷模块的对比试验

试验结果显示辐射制冷模块在白天（12:30-3:00）可将水温降至比环境温度平均低10.6 °C（图3C），在夜间可将水温降至比环境温度低约11 °C（图3D）。同时，通过一系列的试验，文章给出了净辐射制冷量与辐射表面温度之间的关系，此关系对于辐射制冷的实际应用有着重要的意义（图3E）。

24小时全天候千瓦级辐射制冷系统

通过对一系列环境因素，例如风速、降水量以及云层对辐射制冷效果的影响，该团队公开发表了第一个能在白天太阳直射下给水降温的千瓦级辐射制冷系统（图4A），此系统使用连接了10个模块，总辐射表面积为13.5 m²。随后在天气情况大部晴好的条件下（图4B），该团队对系统进行了3天连续测试（图4C）。在3天的连续测试中，系统获得的夜间最大净制冷量为1296 W，正午（12点至2点）平均净制冷量为607 W。系统单位面积净制冷量在40-100 W/m²之间（图4D）。

图4 千瓦级辐射制冷系统的3天连续测试

从图4C中可以看出，辐射制冷系统的出口温度时刻受到环境温度的影响，其随时间波动的特性给实际应用带来了困难。此前斯坦福大学课题组的研究（Nature Energy, 2, 17143, 2017）验证了应用白天辐射制冷来降低空调冷凝器温度，并通过此方法来提高空调系统COP的可行性，但却未从系统角度给出辐射制冷全天24小时连续运行的具体方案。杨荣贵团队考虑到辐射制冷系统的效能最大时段是在夜间环境温度较低时。

因此，对于辐射制冷的系统应用必须是全天连续的。该团队提出了一种分开利用白天和夜间辐射制冷量的方法（图5A），即利用白天辐射制冷用来降低空调冷凝器温度（以提高空调系统的COP），同时将夜间辐射制冷进行冷量蓄存来降低白天的空调系统冷负荷。

辐射制冷与建筑结合

文章提出了此系统与建筑结合的全天24小时连续运行技术路线，以此来最大化辐射制冷系统的效能。对一个5000 m²的商业建筑进行了制冷能耗模拟计算，结果显示针对纬度较低地区的3个不同城市（Phoenix, Houston, Miami），该系统在冬季（11月-2月）可以降低64-82%的制冷能耗，在夏季（5月-8月）可以降低32-45%的制冷能耗（图5C）。

图5 可24小时连续运行的建筑结合辐射制冷系统

总结

这项工作为辐射制冷的应用领域开辟了新道路，特别是大型建筑节能方向和大型电厂能效提高方向提供了切实可行的方案，极大地促进了辐射制冷的实际应用和产业化进程。

参考文献

Dongliang Zhao, Gang Tan, Xiaobo Yin, RongguiYang et al. Subambient Cooling of Water: Toward Real-World Applications ofDaytime Radiative Cooling. Joule 2018.

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30468-9

团队介绍

第一作者-赵东亮：

美国科罗拉多大学博尔德分校博士后，师从杨荣贵教授，2011年毕业于上海交通大学制冷与低温工程研究所，获工学硕士学位，2014年毕业于美国怀俄明大学土木与建筑工程系，师从谭刚教授， 获工学博士学位。

主要从事传热和建筑节能领域的研究工作，迄今为止已在Science, Joule，Applied Energy等期刊发表学术论文20余篇，其中3篇为ESI高被引论文，论文共计被引700余次（谷歌学术），获2项中国专利，1项美国专利，是AppliedEnergy, Solar Energy, ASME Journal of Heat Transfer等10余种国际期刊的审稿人，曾获得美国机械工程师协会（ASME）颁发的杰出审稿人奖（Outstanding Reviewer Award）。

通讯作者-尹晓波教授：

美国科罗拉多大学博尔德分校机械工程系，材料科学与工程系和物理系BruceS. Anderson副教授（终身）。尹晓波教授1998年毕业于南京大学物理系获得学士学位, 于2008年10月毕业于斯坦福大学电子工程系获得博士学位。在加入科罗拉多大学之前，尹晓波教授在美国劳伦斯国家实验室工作，并是美国加洲大学机械工程系和斯坦福大学光学中心助理研究教授。

尹晓波教授系光学，光学材料及应用物理领域专家。在过去十年中发表了包括4篇《科学》 和3篇《自然》在内的近百篇专业期刊论文。论文被应用10000余次，并获得诸多国际奖项， 包括美国国防部高级研究计划署青年学者奖（DARPAYoung Faculty Award, 2015），弗瑞德卡弗里基金杰出青年学者奖 (the Kavli FoundationEarly Career Lectureship in Materials Science, 2017) 和intel公司奠基人Moore先生和其家族私人基金所设立的发明创造奖（Gordonand Betty Moore Inventor Fellow, 2017）。他拥有多项已审批和待批发明专利，是科技新创公司Radi-Cool Inc.的共同创始人。

通讯作者-谭刚教授：

美国怀俄明大学土木与建筑工程系副教授。谭刚教授分别于1998年和2001年毕业于清华大学热能工程系获得学士及硕士学位，并于2005年毕业于麻省理工学院获得建筑技术博士学位。谭刚教授系建筑节能技术、建筑新材料方面的专家，已在相关领域发表50余篇论文。在加入怀俄明大学之前，谭刚教授在纽约及波士顿的能源咨询公司任职高级工程师，从事大型节能项目的工作，积累了丰富的工程实际经验。他拥有多项已审批和待批发明专利，是科技新创公司Radi-CoolInc.的共同创始人。

通讯作者-杨荣贵教授：

科罗拉多大学机械工程系终身正教授，于1996年获得西安交通大学电厂热能工程学士学位，1999年获得清华大学工程热物理硕士学位后赴美留学，2001年获得加州大学洛杉矶分校微机电系统工程硕士学位后转学麻省理工学院机械工程系，师从陈刚教授和Mildred S. Dresselhaus教授，于2006年2月获得工学博士学位，2006年1月起任职于科罗拉多大学博尔德分校，2011年提前两年晋升副教授（终身教席），于2016年晋升正教授。

杨荣贵博士的研究成果已获得许多国际奖项，包括2004年美国国家航空和宇宙航行局技术创新奖、2005年国际热电学会戈德史密斯奖、2008年美国国防部高等研究局青年教师奖、2008年麻省理工学院出版的《科技评论》中35岁以下的35位“世界顶级青年创造者榜”（TR35）、2009年美国国家科学基金会的教授职业奖、2010年美国机械工程师学会的传热学青年研究奖、2014年国际热电学会青年研究奖、2015 年美国机械工程师学会士（ASME Fellow）。

已发表成果包括Science, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Joule, Nature Communications, Physical Review Letters, Review of Modern Physics等在内的180多篇期刊论文，100多个特邀讲座。论文引用10000多次（H指数47）。他拥有十多项已审批和待批发明专利，是两个科技新创公司（Kelvin Thermal Technologies Inc. 和Radi-CoolInc.）的共同创始人。