Представете си сгради, които се охлаждат сами, сякаш имат климатик, но без да използват нито един ват. Това бъдеще вече се създава благодарение на... пасивно радиационно охлажданеТази стратегия използва физиката на топлинното излъчване, за да излъчва топлина в небето, дори при пълна слънчева светлина, ако материалът е добре проектиран. Далеч от това да е научна фантастика, съществуват реални прототипи. нови биоразградими пластмасови покрития и фотонни устройства, които вече са демонстрирали забележително намаляване на температурата в реални условия.
За да разберем магията, е полезно едно кратко обяснение: всички горещи тела излъчват инфрачервено лъчение. Ако дадена повърхност успее да излъчи повече енергия в небето, отколкото абсорбира, тя се охлажда. Това може да се случи както през нощта, така и през деня, когато се комбинират определени условия. висока слънчева отражателна способност (за да не се нагрявате на слънце) и висока емисионна способност в инфрачервения спектър (за ефективно отвеждане на топлината, особено в атмосферния прозорец от 8-13 µm). Обърнете внимание, че това не е „блокиране на студа“, а точно обратното: излъчват топлина към небето, което, гледано от Земята, действа като голям радиатор с много ниска ефективна температура.
Какво е пасивно радиационно охлаждане и как се вписва в енергийния баланс на Земята?
В климатичната система Земята абсорбира предимно късовълнова радиация от Слънцето и губи енергия, излъчвайки дълговълнова радиация. Картината обаче е по-сложна, отколкото изглежда: освен разсейване на радиацията, има и пренос на топлина от конвекция и изпарениекоито често доминират на повърхността. В атмосферен мащаб радиацията отново е ключова и за да усложнят нещата, дневните вариации, географията и общо кръвообращение което преразпределя топлината между тропиците и полюсите.
Тъй като тропиците получават повече слънчева енергия на квадратен метър, атмосферата и океаните пренасят топлината чрез водовъртежи и средни потоци. По този начин тропическите региони излъчват по-малко в космоса, отколкото биха излъчвали без тази циркулация, а полюсите - повече, въпреки че в абсолютни стойности тропиците остават областите, които те излъчват повече енергия до космоса. Този контекст обяснява защо ефективността на радиационното охлаждане зависи от където y когато се прилага.
Как се чувства и кога работи най-добре
Във всяка ясна нощ кожата ви го забелязва: ако погледнете небето за няколко секунди и след това се покриете с лист хартия, ще усетите, че хартията е „топла“. Истинското обяснение е, че хартията, на около ~300 К И с висока емисионна способност, то излъчва повече топлина от небето, чиято ефективна температура, без да се брои космическата радиация (~3 K) поради атмосферното затихване, остава много по-ниска. Не е правилно да се твърди, че хартията блокира студа.То просто излъчва топлина към вас, точно както би направил огън, макар и на много по-ниска температура.
Този ежедневен ефект се задейства, когато небето е ясно, влажността е ниска и използваните материали излъчват добре светлина в инфрачервения диапазон на атмосферата. При тези условия повърхността може да се охлади под околната температура и дори да генерира топлина. слана или черен лед върху повърхности, изложени през нощта, дори при температура на въздуха малко над 0°C. Сред астрономите-аматьори е много добре известно: оптика и оборудване им става „твърде студено“ гледайки нагоре към ясното нощно небе.
Знания с вековна история: нощен лед в Индия и Иран
Преди хладилниците, ледът в Индия се е правил, като са се оставяли водни пластове в плитки керамични тави на открито, изолирани със сено и напълно изложени на небето. Ако вятърът е бил слаб и въздухът не е бил много по-топъл от 0°C, радиационни загуби Придобиването на топлина нагоре надвишаваше приходите от конвекция и водата замръзна рано сутринта. Подобни техники са документирани в Иран, исторически прецедент за пасивно охлаждане което днес се завръща силно.
Основна физика: емисионна способност, отражателна способност и прозорец 8-13 µm
За да работи един материал, той трябва да увеличи максимално две свойства: висока слънчева отражателна способност във видимия и близкия инфрачервен спектър (за да се избегне нагряване на слънце) и висока емисионна способност В термичния инфрачервен спектър, особено между 8 и 13 µm, където атмосферата „пропуска“ радиацията в космоса. Законът на Стефан-Болцман свързва излъчената мощност с температурата, а емисионната способност показва каква част от тази мощност материалът може да излъчва спрямо черно тялоМатериали с емисионна коефициентност ~0,9-0,98 са отлични кандидати за студени покриви и панели.
Струва си да се помни, че не всичко е радиация: на повърхностно ниво вятърът и влажността са от значение, защото конвекцията и изпарението могат да намалят или понякога маска, радиационното предимство. Ето защо честното тестване на материали определя хомогенни условия на тестване, за да се сравняват ябълки с ябълки.
Строителни материали: от бели покриви до фотонни структури
Традиционните решения, като бои и строителни разтвори, вече предлагат емисионни коефициенти около 0,96което обяснява ефективността му при охлаждане през нощта. Най-добрите съвременни бели бои постигат слънчева отражателна способност до ~0,94 с емисионна способност ~0,96. Проблемът: пигменти като титанов двуокис2 (и ZnO) абсорбират ултравиолетова светлина, което обикновено оставя общото отражение под 0,95.
За да пробият този таван, са се появили „боядисващи се“ порести полимери: техните пори разсейват слънчевата светлина с голяма ефективност, постигайки отражателна способност ~0,96 и емисионни коефициенти ~0,97На открито на пълна слънчева светлина, охлаждащи мощности близки до 96 W / m² и спадове на температурата с около 6°C под околната, което не е никак малко през лятото.
Други стратегии включват диелектрични стекове върху метални огледала, полимер-метални композити и посребрени полимерни филми с отражателни свойства. ~ 0,97 и емисионна коефициент ~0,96, който при сравнения под лятното слънце успя да се запази 11 ° C По-хладни от търговските бели бои. Те са фотонни подходи, които комбинират слоеве и текстури, за да „избутат“ радиацията в добрия прозорец.
През 2014 г. беше съобщено за многослойна фотонна структура със селективна емисия в дълговълновия инфрачервен спектър, способна да постигне 5°C под околната температура под директно слънчево облъчване. А през 2017 г. материали със силициеви микросфери в полимерна матрица, покрити със сребро, демонстрираха радиационно охлаждаща сила от порядъка на ~93 W/m² По обяд, всички с мащабируеми производствени процеси ролка до ролка.
Биопластмаси и цвят: от ултраотражателен PLA до течни кристали
Екип от Джънджоу и Университета на Южна Австралия представи филм за Биоразградим PLA с пореста микроструктура, получена чрез фазово разделяне при ниска температура. Резултатът: коефициент на отражение на слънцето на ~ 98,7%, ултраниска топлопроводимост (~0,049 W/m·K) и висок инфрачервен излъчвателен капацитет.
При тестове на покриви на пълно слънце, това покритие постигна пиково охлаждане -9,2 ° C Що се отнася до атмосферата по обяд; тя средно беше -4,9 ° C през деня и -5,1 ° C през нощта, с мощност до ~136 W/m²Градските симулации показват годишни икономии от охлаждане до ~20,3% в градове като Лхаса. Освен това, издръжливостта му изглежда обещаваща: след 120 часа потапяне в киселина и 8-месечна доза UV лъчение, той все още се представяше добре. -5 до -6,5 °C под околната температура.
Ами ако искаме цвят, без да жертваме производителността? Корейски изследователи са разработили фотонни течни кристали Тези системи генерират цвят чрез структурно отражение, а не чрез абсорбция, като по този начин поддържат охлаждащ капацитет. В сгради и превозни средства, където естетиката е от значение, възможността за избор на цветове без компромис с температурата е значително предимство.
Отвъд картините: устройства и концепции, които разширяват картата
От Университета в Бъфало идва един много изобретателен прототип: кутия от пяна с абсорбиращи, наклонени външни стени, геометрия с вътрешен конус и тънък лист от алуминий, покрит с полидиметилсилоксан (PDMS). Алуминият отразява слънцето, а PDMS, излъчващ инфрачервени лъчи, излъчва топлина към небето; дизайнът насочва светлината към центъра и изхвърля отразената топлина навън, намалявайки слънчевите печалби и насърчавайки радиационното разсейване.
Тествана на палубата, системата успя да понижи вътрешната температура до ~ 6 ° С през деня и ~ 11 ° С през нощта без консумация на електроенергия. Тези видове модулни и нискобюджетни подходи се вписват много добре в гъсто населени градски среди, за да смекчат топлинен остров.
Друга поразителна линия на изследване: електрическата регулация на емисионната способност. Група от университета Линшьопинг е демонстрирала, че с... проводим полимерЕмисивността може да се регулира електрохимично, като по този начин се модулира температурата на устройството при околни условия. В момента измереният фин контрол е около ~ 0,25 ° СНо това доказва концепцията: радиационен „термостат“ с минимална консумация, който в бъдеще би могъл да бъде интегриран в покриви, както се прави със слънчевите панели.
И в теоретичната област е предложена самоподдържаща се система, която включва терморадиативен диод (TRD) и топлинен двигател (в идеалния случай двигател на Карно или термоелектрически генератор, TEG). Двигателят преобразува част от топлинния градиент в електричество, за да захранва TRD, който от своя страна излъчва инфрачервени фотони, генерирайки химичен потенциал на фотоните положителен. С емитер на 293 K, симулациите дават мощности до ~485 W/m², надвишавайки границата от ~459 W/m², определена от закона на Планк при 300 K, приблизително увеличение на 5,7%.
Приложения: от сградата до операционната зала, включително на терен
Първото поле е очевидно: сградиХладните покриви, фотонните покрития или порестите биопластмаси могат да намалят температурата на повърхността и търсенето на климатициособено в сух климат с много ясни дни в годината. В градски условия те също така помагат за контролиране на ефекта на албедо и смекчаване на градска термописалка.
Но списъкът е дълъг: транспорт (по-хладни тела), селското стопанство (защита на културите и почвата), Electrónica (разсейване на топлината без електрическо захранване), биомедицина (терморегулиращи превръзки за рани) и пространство (оптични слънчеви рефлектори за термичен контрол на космически кораби). Също така се проучва радиационни панели за охлаждаща вода и хибридни системи с изпаряване за умножаване на ефективността.
Идеални условия и практически ограничения
За да се покаже ефектът, основните съставки са ясни и служат като контролен списък: ясно небе, ниска влажност и материали с висока емисионна способност в диапазона 8-13 µmВъв влажен или облачен климат, производителността се намалява от насочената надолу атмосферна радиация, която „запълва“ инфрачервения прозорец, но подходът все още е полезен, тъй като допълнение на активни стратегии.
- Ясно небеТе минимизират повторното излъчване на атмосферни емисии към повърхността.
- Ниска влажностводните пари абсорбират в инфрачервения спектър и намаляват полезния прозорец.
- Подходящ материалвисока слънчева отражателна способност + висока инфрачервена емисионна способност.
Точното измерване е от значение: полусферична емисионна способност, преносимо оборудване и сравними тестове
Едно подценявано предизвикателство е метрологияПовечето лабораторно оборудване измерва емисионната способност в квазинормален режим, но за да се оцени наистина даден материал, е необходима неговата емисионна способност. общо полукълбо при всички дължини на вълните и ъгли. Освен това, полевите тестове изискват правилно калибриране на преносимото оборудване с ERD модели на известни свойства.
Друг ключов аспект е да се постигне съгласие показатели за заслуги и хомогенни условия на изпитване (слънце, ъгъл, вятър, влажност, топлинен фон). Испански групи, като IETCC-CSIC и IO-CSIC, заедно с международни сътрудници (INRiM, университети), настояват за консолидиране на методологии и тестови стендове, които позволяват сравняване на материали в надеждни и повторяеми.
Наноматериали и фотоника: фините детайли, които правят разликата
Диапазонът от подходи е широк. Има бои с висока емисионна способност (ε > 0,9) за покриви и фасади, емисионни полимерни филми за повърхности и инфрачервено-селективни прозорци, и фотонни структури (кристали и слоеве), които оформят разпространението на светлината, за да увеличат максимално изхода при 8-13 µm.
В нанообластта се изследват съединения. основен слой които позволяват регулиране както на слънчевата отражателна способност, така и на инфрачервената емисионна способност. Съобщава се за хибриди цинков оксид и графенов оксид интегрирани в полимерни матрици с висока радиационна производителност и филми на базата на титанов двуокис2 комбиниран с графит, който поддържа добра емисионна и отражателна способност в инфрачервения спектър, постигайки охлаждане под околната температура без влагане на енергия.
Полимерни матрици с частици от да2 o SiC Те са много активни, защото са полупрозрачни при слънчева радиация и излъчват инфрачервено лъчение. Металната подложка (сребро или алуминий) може да действа като огледало, за да подобри насочеността и интензитета; така се появиха полимерно-сребърни филми с отражателна способност ~0,97 и емисионна способност ~0,96, които превъзхождат боите в средата на лятото.
Друг подход е тези съединения да се обработят в нановлакна и текстил, отваряйки врати към дрехи, които регулират топлинния комфорт и осигуряват радиационни филтри. Интегрирането на нанокомпозити в полимерни фотонни решетки е обещаващо, въпреки че тяхната индустриална жизнеспособност, оптична/термична съвместимост и други аспекти все още се изучават. въздействие върху околната среда и здравето.
Градски климат, енергоспестяване и къде да се инсталира
Градовете концентрират търсенето на хладилни складове и понасят последствията. градски топлинен островТук, покриването на покриви и ограждащи конструкции с ERD материали намалява повърхностните температури и потреблението на електроенергия. Градските модели показват например, че в град с висока радиация като Лхаса, използването на PLA фолио може да намали до ~ 20,3% годишна консумация на хладилна енергия.
Покривите са основната цел, но има място и на паркинги, покриви на промишлени сгради, сенници и дори транспортни флотиКомбинирането на ERD с изолация, нощна вентилация или изпарително охлаждане създава синергии, които повишават ефективността, особено в сух климат с много ясни дни в годината.
Практически аспекти: цена, издръжливост и поддръжка
Цената и издръжливостта са движеща сила за приемането им. Някои съвременни покрития бяха крехки или скъпи, но новите... порест PLA Доказано е, че е устойчив на киселини и UV лъчение (еквивалентно на 8 месеца), като същевременно запазва забележителни характеристики. Въпреки това е препоръчително да се установят протоколи за поддръжка и хомологационни тестове ускорено стареене, за да се сравняват технологиите при равни условия.
Влажността на околната среда и облачността намаляват охлаждащата мощност, така че възвръщаемостта на инвестицията ще бъде зависими от климатаВъв влажни региони, той може да продължи да компенсира като подкрепа за намаляване на пиковото потребление, а в сух климат може да се превърне в централен инструмент на енергийната стратегия на сградата.
Може ли да се регулира и „да се изцеди повече от него“? Какво следва?
Активният контрол на емисионната способност отваря врати за управление на комфорта при поискване с минимални разходиДоказателството за концепцията с проводими полимери вече позволява фини настройки и използването на симулатори на небе (тръби с алуминиево покритие и прожектори, охлаждани с течен азот) помага за измерване без околен шум. С увеличаване на стабилността и обхвата на регулиране ще виждаме „умни“ капаци, които те се самонастройват.
Успоредно с това, тандемът TRD + термичен двигател (или TEG) предполага, че все още има физически потенциал за извличане на енергия от радиация с положителен химичен потенциал на фотоните. Фактори като връзката на областите TRD/емитер (~1:15) или материали като черен фосфор (Висока квантова ефективност, ниска нерадиационна рекомбинация) правят разлика; поставянето на TRD от горещата страна на двигателя може да подобри производителността с няколко 3-5%Все още трябва да се премине от хартия към прототип, но перспективите са обещаващи.
В крайна сметка, тази област обединява традицията (нощен лед), най-съвременната материалознание и климатичната безопасност. емисионни бои От традиционни фотонни покрития, които се представят добре на пълна слънчева светлина, до устойчиви биопластмаси, евтини устройства тип „радиационна кутия“ и електрически регулируеми системи, гамата от решения се разраства бързо и отговаря на спешната необходимост от намаляване на потреблението в хладилната техника, което вече се приближава до двуцифрени числа в световното потребление на електроенергия.
Все още има път за стандартизиране на измерванията, намаляване на разходите и адаптиране към влажен климат, но потенциалът е огромен: от покриване на цели квартали до намаляване на градска температура дори интегриране на лъчисти панели, които охлаждат технологичната вода или защитават сензори и електронно оборудване, без да консумират електричество. Най-хубавото е, че се възползваме от... естествен механизъм което Земята използва от милиони години; сега просто го настройваме фино, за да работи в наша полза.
