新型冷卻系統可將熱氣「發射」至外太空,最佳狀態下省70%的電能

你有沒有想過，天空也許是個高效又節能的「空調」。

這個點子並沒有想像中的那麼不切實際。畢竟，當颶風肆虐美國，世界氣象組織宣布全球變暖可能導致強颶風出現更頻繁，我們不得不尋求一切方法來實現節能減排。

早在 2014 年的時候，一支斯坦福研究團隊就提議，可以通過天空把熱量排到外太空以達到製冷的目的。現在，這項研究又有了新進展，他們成功做出了這種新型節能製冷系統。最新研究成果發表在上周的《自然-能源》（Nature Energy）上。

實驗結果也證明，這種新型「空調」能讓熱乾燥氣候下的一棟兩層辦公樓的空調耗電量節省超過 21%，整個夏季能省下 14.3 兆瓦時電，相當於普通三口之家（假設每月耗電 350 千瓦時）將近三年半的耗電量。

如果將該輻射冷卻系統與循環水冷卻系統相結合，在理想氣候條件下，對於供熱、冷卻以及通風等，還有可能實現將近 70% 的能源節省！

圖丨新型輻射冷卻裝置的早期原型板

該技術名為「輻射天空冷卻」（radiative sky cooling），靈感來自於一種叫作「輻射冷卻"（Radiative Cooling）的自然現象。這種現象指的是，我們身邊所有的物體都會放出熱輻射，其中一部分被大氣層反射和吸收，另一部分處於特定波長範圍的輻射能逃逸到更冷的外太空。物體本身就可以通過放出熱輻射的方式使自己的溫度低於周邊氣溫。

這一技術有望改善目前主流製冷系統在節能減排上的差勁表現。要知道，製冷系統每年消耗全球發電量的 15％，碳排放佔全球溫室氣體排放量的 10％。預計 2050 年，全球對於製冷系統的需求還將增長十倍，提高冷卻系統的效率將是 21 世紀能源挑戰的關鍵部分。

圖丨新型輻射冷卻裝置正在進行田間測試

目前，常用的空調系統運行原理是這樣的：空調中的冷卻液吸收室內的熱量並將它釋放到外面的空氣中。風扇使空氣運動到冷凝管上並帶走其中的熱量，降低冷卻液溫度。

史丹福大學應用物理學家 Aaswath Raman 表示："製冷系統的工作效率是由室外溫度決定的，如果室外溫度高的話，空調在釋放熱量時會耗費更多的電能。"

具體而言，製冷系統的效率主要取決於冷凝器對環境的排熱溫度：冷凝器溫度越低，冷卻效率越高。根據經驗，冷凝器溫度每降低 1°C，冷卻系統耗電量將降低大約 3% 到 5%。然而，目前主流的冷卻系統都是依靠蒸發冷卻降低冷凝器溫度，不僅引入了系統複雜性（管理水質和礦物沉積）以及蒸汽冷卻組件的初始成本（如冷卻塔），更大的弊端在於增加了很多額外的電能耗費以及水分損失。

而"輻射天空冷卻"技術卻在降低水溫上另闢蹊徑，利用特殊設計的輻射板實現這一點：這種輻射板能吸收水中的熱量並以特定的波長輻射到外太空。其最大的技術亮點在於，電能消耗較小，而且並不會引起水汽的蒸發，既省電又省水。

具體而言，這項技術主要利用了地球大氣層對於中紅外波段（8 到 13 微米）的熱輻射是"透明的"、可穿透的事實，將材料表面的熱量被動地輻射到外太空，從而使表面溫度冷卻到低於環境溫度。這就是為什麼即便環境溫度沒有達到冰點以下，夜空下車窗或者玻璃片上也會產生結霜現象（玻璃表面的熱量被輻射到外太空，因而其表面溫度低於周邊環境的溫度，水汽遇冷結霜）。

研究者們的最終想法是，將這種流體製冷板與空調冷凝器結合，達到節能降溫的效果。但是，想要有效利用這種冷卻機制還有一大挑戰：這種輻射冷卻的效果僅在夜間明顯，但是我們對冷卻系統的需求主要集中在白天。而在白天，這種冷卻效果有一個"死敵"——太陽輻射，輻射出去的熱量會被源源不斷的太陽熱輻射給抵消掉。

圖丨 圖 a: 新型輻射冷卻裝置實物圖。圖 b：輻射冷卻裝置的三維示意圖。圖 c：輻射冷卻裝置的橫截面示意圖。圖 d:光子輻射冷卻材料的掃描電鏡圖。

但這個問題並非沒有解決之道。早在 2014 年，團隊就研發出一種新型光子材料來應對這個問題，這種材料是在矽基底上沉積一層 200 納米厚的 Ag 膜（Ti 作為黏著層），然後在其上交替沉積 7 層厚度不等的 SiO2（二氧化矽）和 HfO2（二氧化鉿）。這種新型材料不僅可以輻射出能"溜出"大氣窗口的中紅外光，同時還能反射掉 97% 的太陽光輻射，相關成果發表在當時的《自然》雜誌上。

一旦將這種材料鋪在屋頂上，它們就能直接接受白天的太陽輻射，同時還能保持低於環境溫度 4.9°C 的低溫，最終達到相當於每平方米 40.1 瓦特的冷卻功率（注意：製冷功率和製冷量是不同的，空調的製冷量是指空調器進行製冷運行時，單位時間內從密閉空間、房間或區域內除去熱量總和，單位為 W。製冷量大的空調適用於面積比較大的房間，且製冷速度較快。以 15 平方米的居室面積為例，使用額定製冷量在 2500w 左右的空調比較合適。）

圖丨 SkyCool Systems 公司的三位主要成員

解決了這個關鍵難題，該技術離落地又近了一步。2016 年春天，團隊的三名研究者共同成立了 SkyCool Systems 公司，致力於推廣輻射冷卻技術的商業化。其中，Goldstein 出任首席技術總監，論文的第一作者、曾入選 2015 年 MIT TR 35 的 Aaswath Raman 出任執行長，史丹福大學電氣工程學教授 Shanhui Fan 出任技術顧問。

在最新的《自然能源》發表的文章中，研究人員還分享了將該技術擴展到冷卻流動水的具體效果。

在實際操作中，研究人員在冷卻板下放置了很多細薄的水管以通入流動的水，測試結果顯示，三天時間內水溫冷卻到比最初溫度低 5°C。這說明，該技術有望引入現有的冷卻系統中，替換或者增強傳統製冷設備的冷凝器組件，以達到更高的製冷效率。

通過進一步建模，研究人員稱，將該製冷板安裝處於 Las Vegas 熱乾燥氣候的兩層辦公大樓上，整個夏季的冷卻耗電量能夠節省超過 21%。

太平洋西北國家實驗室（Pacific Northwest Lab）能源分析師 Nick Fernandez 說，「對於那些在設計階段就選擇將該新型輻射冷卻技術納入新建築冷卻系統的開發商來說，節能空間可能更大。」

Nick Fernandez 在 2015 年的分析報導中就稱，如果將該輻射冷卻系統與循環水冷卻系統相結合，在面板下設置水管，從而利用循環水而不是空氣來進行冷卻。在理想氣候條件下，對於供熱、冷卻以及通風等，有可能實現將近 70% 的能源節省。

圖丨圖a：傳統空氣冷卻製冷系（Air-cooled condenser:空氣冷凝器；Evaporator:蒸發器；Roof:膨脹閥）圖b：SkyCool 輻射製冷板製冷系統（Air-cooled condenser:空氣冷凝器；Evaporator:蒸發器；Roof:膨脹閥；compressor:壓縮器；pump：泵；Heat exchange: 熱交換）

面對全球能源日益緊張、環境日益惡化的局面，加之，全美能源產值的 14% 都用於住宅和商業大樓的製冷，一項既能節省水電能源又能減少碳排放的技術市場潛力巨大。SkyCool 公司的輻射冷卻板技術不僅能夠改進現有建築冷卻系統，還能為業主和租戶的節省不少成本。

然而，SkyCool 並不是唯一一家想要搶佔該市場的公司。今年 2 月份，來自美國科羅拉多大學波德分校的工程師團隊在《科學》雜誌發布了一種玻璃/聚合物複合材料，該材料能在正午太陽直接照射條件下，實現 93 瓦特每平方米的輻射製冷功率。這支團隊強調的是，他們已經想出如何以合理的成本製造成卷的新型薄膜材料，並計劃「使其成為切實可行的應用於住宅和商業大樓的大規模技術」。

與斯坦福團隊的模式一樣，科羅拉多大學的研究者從 ARPA-E 籌到資金，申請了專利並成立了一個公司 RadiCool。目前，該研究團隊正與潛在的投資者和製造商進行洽談。

圖丨 Aaswath Raman 曾出席過EmTech

另一方面，SkyCool 的研究者正在致力於繼續提升其新型材料的輻射冷卻效率。目前，SkyCool 的 CEO Raman 拒絕透露最終產品價格的有關信息，但他認為，任何前期的成本都會被最終長期的能源節省所抵消。

作者在論文中表示，目前該冷卻系統的尺寸以及集成模式還尚未針對成本及投資回報期進行優化，系統的排管、泵以及熱交換等組件的平衡、軟成本、安裝成本等都對將來的商業化和實際使用非常重要。

此外，雖然研究者主要強調了輻射製冷面板在白天運行的能力，解決了白天較熱環境溫度下冷卻系統效率低的問題，但另一方面需要注意的是，該輻射冷卻面板每天要工作 24 小時。因此，將來可以通過進一步完善的系統設計以及在夜間使用熱量存儲，那麼當製冷需求較低或者不需要製冷時，就能挖掘出更大程度的能源節省。

而根據太平洋西北國家實驗室的評估，如果 SkyCool 的房頂輻射冷卻板的製造和安裝能夠達到每平方英尺 58 美分，那麼節省的能源可以在大約五年內抵消成本。

目前，SkyCool 正在加州戴維斯（Davis）進行其最新一代製冷板的實地試驗，進而評估該技術是否足以增強空調以及商業化製冷系統的效率。

SkyCool 的下一個重大計劃是與其早期客戶或商業夥伴進行大規模實際驗證，Raman 和 Goldstein 這個計劃明年就能實施。他們的目標是那些涉及大型冷卻系統需求的企業，如大型超市和大型數據中心，在那些地方，微小的能源節省將聚少成多，進而帶來可觀的效益。