你有沒(méi)有想過(guò)，天空也許是個(gè)高效又節能的空調。
這個(gè)點(diǎn)子并沒(méi)有想象中的那么不切實(shí)際。畢竟，當颶風(fēng)肆虐美國，世界氣象組織宣布全球變暖可能導致強颶風(fēng)出現更頻繁，我們不得不尋求一切方法來(lái)實(shí)現節能減排。
早在 2014 年的時(shí)候，一支斯坦福研究團隊就提議，可以通過(guò)天空把熱量排到外太空以達到制冷的目的?，F在，這項研究又有了新進(jìn)展，他們成功做出了這種新型節能制冷系統。最新研究成果發(fā)表在上周的《自然-能源》（Nature Energy）上。
實(shí)驗結果也證明，這種新型空調能讓熱干燥氣候下的一棟兩層辦公樓的空調耗電量節省超過(guò) 21%，整個(gè)夏季能省下 14.3 兆瓦時(shí)電，相當于普通三口之家（假設每月耗電 350 千瓦時(shí)）將近三年半的耗電量。
如果將該輻射冷卻系統與循環(huán)水冷卻系統相結合，在理想氣候條件下，對于供熱、冷卻以及通風(fēng)等，還有可能實(shí)現將近 70% 的能源節??！
圖丨新型輻射冷卻裝置的早期原型板
該技術(shù)名為輻射天空冷卻（radiative sky cooling），靈感來(lái)自于一種叫作輻射冷卻"（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(huì )放出熱輻射，其中一部分被大氣層反射和吸收，另一部分處于特定波長(cháng)范圍的輻射能逃逸到更冷的外太空。物體本身就可以通過(guò)放出熱輻射的方式使自己的溫度低于周邊氣溫。
這一技術(shù)有望改善目前主流制冷系統在節能減排上的差勁表現。要知道，制冷系統每年消耗全球發(fā)電量的 15％，碳排放占全球溫室氣體排放量的 10％。預計 2050 年，全球對于制冷系統的需求還將增長(cháng)十倍，提高冷卻系統的效率將是 21 世紀能源挑戰的關(guān)鍵部分。
圖丨新型輻射冷卻裝置正在進(jìn)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并將它釋放到外面的空氣中。風(fēng)扇使空氣運動(dòng)到冷凝管上并帶走其中的熱量，降低冷卻液溫度。
斯坦福大學(xué)應用物理學(xué)家 Aaswath Raman 表示："制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(huà)，空調在釋放熱量時(shí)會(huì )耗費更多的電能。"
具體而言，制冷系統的效率主要取決于冷凝器對環(huán)境的排熱溫度：冷凝器溫度越低，冷卻效率越高。根據經(jīng)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(fā)冷卻降低冷凝器溫度，不僅引入了系統復雜性（管理水質(zhì)和礦物沉積）以及蒸汽冷卻組件的初始成本（如冷卻塔），更大的弊端在于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(shù)卻在降低水溫上另辟蹊徑，利用特殊設計的輻射板實(shí)現這一點(diǎn)：這種輻射板能吸收水中的熱量并以特定的波長(cháng)輻射到外太空。其最大的技術(shù)亮點(diǎn)在于，電能消耗較小，而且并不會(huì )引起水汽的蒸發(fā)，既省電又省水。
具體而言，這項技術(shù)主要利用了地球大氣層對于中紅外波段（8 到 13 微米）的熱輻射是"透明的"、可穿透的事實(shí)，將材料表面的熱量被動(dòng)地輻射到外太空，從而使表面溫度冷卻到低于環(huán)境溫度。這就是為什么即便環(huán)境溫度沒(méi)有達到冰點(diǎn)以下，夜空下車(chē)窗或者玻璃片上也會(huì )產(chǎn)生結霜現象（玻璃表面的熱量被輻射到外太空，因而其表面溫度低于周邊環(huán)境的溫度，水汽遇冷結霜）。
研究者們的最終想法是，將這種流體制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(gè)"死敵"——太陽(yáng)輻射，輻射出去的熱量會(huì )被源源不斷的太陽(yáng)熱輻射給抵消掉。
圖丨 圖 a: 新型輻射冷卻裝置實(shí)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(gè)問(wèn)題并非沒(méi)有解決之道。早在 2014 年，團隊就研發(fā)出一種新型光子材料來(lái)應對這個(gè)問(wèn)題，這種材料是在硅基底上沉積一層 200 納米厚的 Ag 膜（Ti 作為黏著(zhù)層），然后在其上交替沉積 7 層厚度不等的 SiO2（二氧化硅）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(shí)還能反射掉 97% 的太陽(yáng)光輻射，相關(guān)成果發(fā)表在當時(shí)的《自然》雜志上。
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(yáng)輻射，同時(shí)還能保持低于環(huán)境溫度 4.9°C 的低溫，最終達到相當于每平方米 40.1 瓦特的冷卻功率（注意：制冷功率和制冷量是不同的，空調的制冷量是指空調器進(jìn)行制冷運行時(shí)，單位時(shí)間內從密閉空間、房間或區域內除去熱量總和，單位為 W。制冷量大的空調適用于面積比較大的房間，且制冷速度較快。以 15 平方米的居室面積為例，使用額定制冷量在 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(gè)關(guān)鍵難題，該技術(shù)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，致力于推廣輻射冷卻技術(shù)的商業(yè)化。其中，Goldstein 出任首席技術(shù)總監，論文的第一作者、曾入選 2015 年 MIT TR 35 的 Aaswath Raman 出任首席執行官，斯坦福大學(xué)電氣工程學(xué)教授 Shanhui Fan 出任技術(shù)顧問(wèn)。
在最新的《自然能源》發(fā)表的文章中，研究人員還分享了將該技術(shù)擴展到冷卻流動(dòng)水的具體效果。
在實(shí)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(dòng)的水，測試結果顯示，三天時(shí)間內水溫冷卻到比最初溫度低 5°C。這說(shuō)明，該技術(shù)有望引入現有的冷卻系統中，替換或者增強傳統制冷設備的冷凝器組件，以達到更高的制冷效率。
通過(guò)進(jìn)一步建模，研究人員稱(chēng)，將該制冷板安裝處于 Las Vegas 熱干燥氣候的兩層辦公大樓上，整個(gè)夏季的冷卻耗電量能夠節省超過(guò) 21%。
太平洋西北國家實(shí)驗室（Pacific Northwest Lab）能源分析師 Nick Fernandez 說(shuō)，對于那些在設計階段就選擇將該新型輻射冷卻技術(shù)納入新建筑冷卻系統的開(kāi)發(fā)商來(lái)說(shuō)，節能空間可能更大。
Nick Fernandez 在 2015 年的分析報道中就稱(chēng)，如果將該輻射冷卻系統與循環(huán)水冷卻系統相結合，在面板下設置水管，從而利用循環(huán)水而不是空氣來(lái)進(jìn)行冷卻。在理想氣候條件下，對于供熱、冷卻以及通風(fēng)等，有可能實(shí)現將近 70% 的能源節省。
圖丨圖a：傳統空氣冷卻制冷系（Air-cooled condenser:空氣冷凝器；Evaporator:蒸發(fā)器；Roof:膨脹閥）圖b：SkyCool 輻射制冷板制冷系統（Air-cooled condenser:空氣冷凝器；Evaporator:蒸發(fā)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(huán)境日益惡化的局面，加之，全美能源產(chǎn)值的 14% 都用于住宅和商業(yè)大樓的制冷，一項既能節省水電能源又能減少碳排放的技術(shù)市場(chǎng)潛力巨大。SkyCool 公司的輻射冷卻板技術(shù)不僅能夠改進(jìn)現有建筑冷卻系統，還能為業(yè)主和租戶(hù)的節省不少成本。
然而，SkyCool 并不是唯一一家想要搶占該市場(chǎng)的公司。今年 2 月份，來(lái)自美國科羅拉多大學(xué)波德分校的工程師團隊在《科學(xué)》雜志發(fā)布了一種玻璃/聚合物復合材料，該材料能在正午太陽(yáng)直接照射條件下，實(shí)現 93 瓦特每平方米的輻射制冷功率。這支團隊強調的是，他們已經(jīng)想出如何以合理的成本制造成卷的新型薄膜材料，并計劃使其成為切實(shí)可行的應用于住宅和商業(yè)大樓的大規模技術(shù)。
與斯坦福團隊的模式一樣，科羅拉多大學(xué)的研究者從 ARPA-E 籌到資金，申請了專(zhuān)利并成立了一個(gè)公司 RadiCool。目前，該研究團隊正與潛在的投資者和制造商進(jìn)行洽談。
圖丨 Aaswath Raman 曾出席過(guò)EmTech
另一方面，SkyCool 的研究者正在致力于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(chǎn)品價(jià)格的有關(guān)信息，但他認為，任何前期的成本都會(huì )被最終長(cháng)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(jìn)行優(yōu)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(lái)的商業(yè)化和實(shí)際使用非常重要。
此外，雖然研究者主要強調了輻射制冷面板在白天運行的能力，解決了白天較熱環(huán)境溫度下冷卻系統效率低的問(wèn)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(shí)。因此，將來(lái)可以通過(guò)進(jìn)一步完善的系統設計以及在夜間使用熱量存儲，那么當制冷需求較低或者不需要制冷時(shí)，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(shí)驗室的評估，如果 SkyCool 的房頂輻射冷卻板的制造和安裝能夠達到每平方英尺 58 美分，那么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(jìn)行其最新一代制冷板的實(shí)地試驗，進(jìn)而評估該技術(shù)是否足以增強空調以及商業(yè)化制冷系統的效率。
SkyCool 的下一個(gè)重大計劃是與其早期客戶(hù)或商業(yè)伙伴進(jìn)行大規模實(shí)際驗證，Raman 和 Goldstein 這個(gè)計劃明年就能實(shí)施。他們的目標是那些涉及大型冷卻系統需求的企業(yè)，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(jìn)而帶來(lái)可觀(guān)的效益。