我们离一张膜空调还有多远？

冷却系统消耗全球发电量的15％，占全球温室气体排放量的10％。到2050年，制冷需求将增长十倍，提高冷却系统的效率是二十一世纪能源挑战的关键部分。

【日间天空辐射冷却材料】，早在1995年就已经研究出相关的设计材料，被认为是解决冷却系统耗电问题的关键技术。日间天空辐射冷却领域连续出现了多项进展。

8月的时候，本号曾经转发过一篇文章《厉害了，一张薄膜能将室温狂降17℃！发明者是从南大毕业的哦！》，文中提到美国科罗拉多大学的研究者找到了一种无需制冷剂、无需电力就可以为建筑降温的薄膜，冷却效果非常强劲，成本非常低廉，被称为有划时代意义的降温材料。这种材料的主要发明人为尹晓波和杨容贵。该技术如能普及，或将对人们日常生活造成深远影响，文章当时创下了30万的阅读量。



而在近日，加拿大籍印裔材料学家Aaswath Raman (拉曼)研究出了一种独特的制冷涂层材料。同样的，这种材料完全不需要电力维护，使用的能源是一种用之不竭的能源——宇宙的寒冷。


与尹晓波的技术不同，这次的技术属于涂层材料，而非薄膜。相同点在于，他们都使用了： 【日间天空辐射冷却技术】

(图片来源：混子曰)

日间天空辐射冷却技术，即“daytime radiative sky cooling", 早在1995年就已经研究出相关的设计材料，被认为是解决冷却系统耗电问题的关键技术。

辐射冷却是指物件透过辐射散去热能的过程 。在气象学上，天朗气清、微风级干燥的情况下，较有利辐射冷却。物体通过辐射所放出的能量，称为辐射能，简称辐射。而日间天空辐射冷却技术是指通过特殊材料或者设备将热量以红外线的形式定向辐射到外太空，这样既不会增加附件环境的温度也不会损害人体健康。


最近日间天空辐射冷却领域连续出现了多项进展。

利用日间天空辐射冷却技术，科研人员可以通过流体冷却面板，利用辐射天空冷却，以低于空气温度的液体降温，零蒸发损失，而且冷却过程几乎不耗电。在三天的测试中，他们展示了，将高于环境空气温度高达5℃的冷水，以0.2Lmin-1m-2的流速进行冷却，其有效散热通量高达70Wm。通过建模进一步展示，当在热干燥气候（美国拉斯维加斯）的两层办公楼的冷却系统的冷凝器一侧集成时，夏天的冷却耗电量可以减少21％，14.3兆瓦时）。


Aaswath Raman

Aaswath Raman(拉曼)于2002年搬到美国并获得学士学位，目前是斯坦福大学金斯顿实验室的研究员，主要研究“辐射式或天空冷却”，开发可再生制冷和其他原型系统。研究如何在没有电力的情况下对建筑物进行控温。

他和他的团队开发的这种非常有潜力的制冷涂层材料，采用“辐射冷却”。

Raman说：“辐射天空冷却利用了我们大气的自然属性。如果你能将消散热量的红外辐射到非常寒冷的东西，比如像外太空；你就可以在没有任何电力的情况下冷却建筑物。这样就提供了一种完全被动，非蒸发的方式，在环境空气温度以下进行冷却。“



本发明的核心是超薄多层材料。拉曼和同事伊莱·戈尔茨坦和尚伊·法恩已经制作并于2014年第一次测试的材料上的薄层的顶部由七层二氧化硅和氧化铪的银，它能同时做两件事，将不可见的红外线从建筑物内部流入冷空间（使用它作为散热器），同时反射几乎所有的入射的阳光，否则这些太阳能否会使建筑物变暖。

据作者介绍，材料因此起“散热器和优良的镜子”的作用，而最终的结果就是降低建筑物温度。“材料的内部结构被调整为以一定频率辐射红外线，使其能够进入空间，而不会使建筑物附近的空气变暖。

2014年，这些研究人员表明，光学表面可以设计成即使在晴天也能实现这种冷却效果。在他们最近的工作，他们测试的系统-用涂有顶上铺设自来水管道的专用材料面板-在斯坦福大学的一个建筑物的屋顶。他们发现面板能够在三天的时间内将水温一直降低到比环境空气温度低3℃~5℃。

正在商业化！

当连接到制冷或空调系统时，它们可以提高20％以上的效率。拉曼和他的同事现在正在将该技术作为创业公司SkyCool Systems进行商业化，并在美国加利福尼亚州进行一个试点示范活动。
已经与制造商合作，可以生产大片冷却材料，以便进一步开发。



在美国进行现场试运行的冷却系统运行中的面板

它如何适用于像印度这样的国家？拉曼表示：“对于印度建筑物，我们的流体冷却面板可能对超级市场，冷藏设施，数据中心，办公楼，商场和其他商业建筑物的商业制冷产生重大影响。“而且，在农村情况下，使用这种技术可以实现完全无电，低档的冷却。”

在技术投入实际使用之前，至少有两个技术问题仍有待解决。工程师们必须首先弄清楚如何有效地将建筑物的热量传递给涂料，其次，创造出能够使面板在所需尺寸上的制造设备。





希望国内也能快速进行类似技术的商业化，造福社会！


Goldstein, E. A. et al. Sub-ambient non-evaporative fluid cooling with the sky. Nat. Energy (2017) doi: 10.1038/nenergy.2017.143

我记得这种面板对表面清洁度要求很高，暂时没有实际应用意义

熵：你当我不存在？

热不会消失。
导热不管怎么做，一定是把热量交换到其他地方去了，一定是这里冷了那里热了。
所以都是浮云……

学过热力学第二定律吗

现有的物理学体系在有生之年能不能看到被改变？

这些东西对tgfcer太难，还算讨论电梯里面跳的问题吧。

还熵

你们看了吗?不是熵就是能量守恒的，答不对题！难道你们回帖就是为了刷积分？

薄膜原理是把热能转换成特定频率的红外线，然后辐射到太空去。
楼上谈熵和热二的你们看帖了吗。

这个用处不大的，因为辐射很小，而且辐射到100米外和外太空对室内散热来说本质没有不同

如果真的有用，我想问那冬天怎么办？一户标配两套房子吗？

是自来水管道将屋内热量带走吧

不是吧，就是不想自来水加热而已吧

LowE玻璃第二代

转换本身的能量从哪来？

室内本身的温暖，热能啊，大气压啊，重力啊，再不济还能通电呢，民科那么多，总能把你唬的一愣一愣的

宇宙做冷端喷了，你在地面给大气层射红外线，大气层也在给你射红外线啊233，真能那么简单穿出去？

调整到特定频率可以穿透大气层。

大气层给你射的红外线呢亲

按这里面的说法

全地球都来这么一层，直接就进入第X次冰河期了

对地球辐射不变，主要是增加了地球对太空辐射，原来辐射到大气层被吸收或者反弹的热量有部分通过特定波长直接穿过了大气层，所以原理上是可以降温
问题是，这实际是对整个大环境有区别，对个人住房来说热辐射微乎其微，而且没必要辐射到太空，辐射到街对面也一样……

我纯粹只是来刷个积分

水区回帖哪有积分

本帖最后由 旨旨 于 2017-10-21 13:24 通过手机版编辑

辐射?太可怕了！必须抵制！美帝亡我之心不死，南大耻辱！

热力学第二定律是最大的壁垒。4F正解。

一直以为水区也有积分的上当人士路过

不如去年吹巴铁的凶

你只需要回答我靠什么来转换？
薄膜放那里自己就转换了？
这种转换的发生不需要耗费能量？

这种东西可能有，但绝对不是文章中写的这样。

以前那帖有个转自知乎的介绍

杨二
物理学、光学 话题的优秀回答者
4 人赞同了该回答
先上结论：该薄膜确实能够降低室温，但是文章中并没有说可以降低17℃，这应该是报道者为了吸引眼球取了个这样的标题。



原理：

考虑一个放在室外爆嗮的物体，它既会辐射热量，也会吸收阳光和大气辐射升温，还会受到热对流和热传导的影响，所以如果要让物体降温，就必须提高其热辐射效率，降低其对阳光的吸收。

有意思的是，大气层刚好在红外有一个窗口（波长为8-13微米），这些红外线可以直接穿过大气层辐射到太空去。

我们知道，太空的温度约为2.725K，（宇宙背景辐射就跟这个温度直接相关），所以太空就像一个低温水池，通过大气窗口，我们就可以把地球上不需要的热量辐射到太空去。



如何做到这一点？

这就需要构造一种材料，可以提高物体的热辐射效率，并且降低物体对阳光的吸收。

物理上，通常一个良好的电磁波吸收物体，也是一个良好的电磁波辐射物体。这里的电磁波辐射是由于黑体辐射效应导致的。

所以，总的来说，实际上是设计一种滤波器，它在红外频段能够有较高的吸收率，在光频段能够有较高的反射率。这正是超材料擅长的地方。


图1、超材料结构示意图。

所以在Science这篇文章中，作者构建了一种超材料，这种材料是由在高分子聚合物中添加一些直径约为8微米的氧化硅（即玻璃）纳米颗粒。




图2、该超材料在8-13微米处有很高的辐射效率。



可以看到这种超材料在红外频段（8-13微米）处有较高的辐射（吸收）效率。


图3、超材料样品图。



当然这种薄膜如果要降温需要在背后镀一层银薄膜，这样才能发射可见光。所以在实际使用中，需要在后面再镀一层银薄膜。



效果

从测量效果看，该超材料在正午太阳直射的时候，其降温功率为93瓦每平方米，应该说非常高，可以大幅度降低房屋降温消耗的能源。但降温效果可能没有新闻中提到的狂降17度那么夸张。



优点及存在的挑战

优点：实际上辐射降温的方法早在2014年就已经被斯坦福大学的Shanhui Fan组提出，所以在原理上，该science文章并没有太多的创新之处。其创新点在于，他们的方法可以很容易大规模生产，价格相对便宜，并且制作难度相对以前大幅度降低，这为辐射降温方法走向市场奠定了基础。

存在的挑战：其使用性任然有局限性，这种材料需要保持其干净，如果薄膜上有灰尘或者露珠雨水，其降温效果可能会大大的降低。



参考文献：

Zhai Y, Ma Y, David SN, Zhao D, Lou R, Tan G, Yang R, Yin X. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling. Science. 2017 Mar 10;355(6329):1062-6.

Raman AP, Anoma MA, Zhu L, Rephaeli E, Fan S. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight. Nature. 2014 Nov 27;515(7528):540-4.

说说而已

水变油的高阶版本？