动态蒸发与辐射冷却用于高效全年节能

《SCIENCE ADVANCES》：Dynamic evaporative and radiative cooling for efficient year-round energy savings

　　

无电的辐射冷却（Radiative Cooling, RC）技术正日益受到关注，以降低能耗和二氧化碳（CO₂）排放。然而，夏季的RC冷却功率受到大气窗口固有约束的严重限制，且其在冬季的负面效应抵消了四季地区的全年节能效果。本研究引入了一种动态蒸发与辐射冷却（Dynamic Evaporative and Radiative Cooling, DERC）装置，以最大化炎热夏季的冷却功率并实现全年动态热管理。该DERC装置能自适应环境温度变化，展示出水蒸发的动态调控，以及对太阳辐射和热辐射的显著调制能力（ΔA_sol = 87%；Δε_Broadband = 63%）。理论和实时实验证明，DERC装置比前沿的动态辐射冷却（Dynamic Radiative Cooling, DRC）技术更加节能。节能模拟表明，与DRC装置相比，DERC装置可带来超过40%的一次能源节约和CO₂减排。该DERC装置代表了一项概念性进展，为全球节能与减排开辟了新途径。

**论文解读：动态蒸发与辐射冷却装置用于全年高效节能**

**一、 研究背景与意义**
建筑能耗约占全球总能耗的40%，应对能源可持续性和气候变化的紧迫需求，无电的被动冷却技术如辐射冷却（RC）——利用极冷的外太空作为冷源——得到了广泛探索。尽管已开发出多种RC材料（如白色涂料、结构木材、分级多孔薄膜等）以在夏季提供额外冷却并降低用电峰值，且动态热管理策略（如热致变色、电致变色材料等）被提出以克服RC在冬季增加供暖能耗的负面效应，但夏季的冷却功率受限于自然大气窗口的固有约束（约150 W m^?2），这成为静态RC和动态热管理装置共同面临的挑战。蒸发冷却（EC）是另一种有前景的节能技术，利用水从液态到气态的相变吸热原理实现非定向冷却，具有较高的冷却功率密度。然而，与RC类似，EC的被动冷却特性也会在冬季无意中增加供暖能耗。为实现建筑在所有季节的最高能效，将动态蒸发冷却（DEC）与动态辐射冷却（DRC）技术集成到一个单一的动态蒸发与辐射冷却（DERC）装置中，有望成为一种显著改进的节能解决方案。这种装置理论上应能超越现有的DRC装置，但此类独特材料此前尚未见报道。本研究旨在开发并验证这种DERC装置的概念，以推动全球节能与减排。

**二、 关键技术方法**
本研究开发了一种多层结构的DERC装置作为概念验证。该装置自上而下由聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）、乙基纤维素、分级多孔聚偏氟乙烯（PVDF）以及锂-聚丙烯酰胺（Li-PAAm）水凝胶组成。PEDOT:PSS/乙基纤维素层兼具辐射加热层和温敏致动器双重功能；底层的分级多孔PVDF和Li-PAAm水凝胶层则共同贡献于辐射冷却和蒸发冷却。其核心工作原理是温度驱动的被动自适应：高温下，致动器卷曲，暴露多孔PVDF层，实现高太阳反射率、高宽带发射率并开启蒸汽路径，进入冷却模式；低温下，致动器展开覆盖PVDF表面，关闭蒸汽路径，同时呈现低太阳反射率和低宽带发射率，进入加热模式。材料表征采用了紫外-可见-近红外光谱、傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜、有限元模拟等方法。热管理性能通过理论计算、控温环境实验以及新加坡（北纬1°20′，东经103°41′）屋顶的实时户外测试进行评估。节能潜力通过结合EnergyPlus软件及其Python API以及蒸发冷却模型插件的全尺寸建筑能耗模拟来论证。

**三、 研究结果**
**1. 设计原理与理论验证**
通过理论传热模型比较了纯RC、蒸发与辐射复合冷却（ERC）、DRC和DERC四种材料在典型中纬度夏冬条件下的性能。结果表明，理想DERC装置在夏季可实现高达1077 W m^?2的冷却功率，在冬季可实现1000 W m^?2的加热功率，实现了所有季节的最高建筑能效水平，理论上优于其他类型的节能材料。

**2. 材料表征**
制备的多层DERC材料展示了动态光学与蒸发性能。在冷却模式下，太阳反射率（R_sol）高达~0.918，宽带发射率（ε_Broadband）为~0.916；在加热模式下，R_sol低至~0.048，ε_Broadband为~0.291，调制幅度ΔA_sol达87%，Δε_Broadband达63%。分级多孔PVDF薄膜中的纳米孔（平均~0.54 μm）和微米孔（平均~5.5 μm）结构实现了宽光谱范围内的强散射，分别主要负责可见光和近红外光谱的散射，并提供了有效的蒸汽传输路径。Li-PAAm水凝胶作为可靠水源，并因添加LiBr而具备吸湿性、抗冻性（凝固点低至-52.2°C）和自补充潜力。蒸发调制测试显示，在临界温度（T_critical，~23°C）以下蒸发可忽略，在50°C时蒸发速率可达0.696 kg m^?2 hour^?1，接近自由水的蒸发速率，蒸发速率调制能力（ΔE_vap）高达~96%，优于当前最先进的DRC技术。

**3. 实际热管理测试**
温敏致动器（PEDOT:PSS/乙基纤维素）的弯曲行为测试显示，其弯曲角随环境温度升高而增大，在33°C时超过90°，且加热/冷却循环中无明显滞后。热管理性能对比实验表明：在加热模式下，DERC材料（DERC-H）由于水凝胶的高热阻（高比热容）以及低发射率对辐射热损失的抑制，比DRC材料（DRC-H）表现出更小的温度下降，模拟与实验结果一致。在冷却模式下，DERC材料（DERC-C）结合了辐射冷却和蒸发冷却效应，其冷却功率在30°至50°C范围内均高于DRC-C。户外实时测试中，DERC-C实现了比DRC-C更低的最低温度，最大降温达~6.3°C，平均降温3.7°C，模拟冷却功率超过DRC-C的4.7倍。

**4. 美学与节能评估**
通过给乙基纤维素被动层着色，DERC装置可在不影响基本性能的前提下满足美学需求。全建筑能耗模拟（覆盖气候分区0至8的31个城市）显示，DERC装置在所有气候区均展现出显著的节能潜力。以阿布扎比（阿联酋）为例的详细模拟表明，与商业静态屋顶材料相比，DERC材料和DRC材料的年供暖/制冷节能分别为13.2和10.2 MJ m^?2，节能百分比分别为8.66%和6.49%。折算为一次能源消耗，DERC材料（11.61 kWh m^?2）相比DRC材料（8.23 kWh m^?2）有显著提升，对应的CO₂减排量分别为7.62 kg m^?2和5.4 kg m^?2。研究也指出，在极端干旱地区大规模部署需考虑外部主动补水系统。

**四、 讨论与结论**
本研究成功验证了动态蒸发与辐射冷却（DERC）材料的概念。这种独特材料能够响应环境条件变化，动态调控水蒸发（ΔE_vap = 96%）以及太阳与热辐射（ΔA_sol = 87%；Δε_Broadband = 63%）。这些能力使其在能效上超越了最先进的动态辐射冷却（DRC）材料，这一点已通过理论计算和实时实验得到证实。能源模拟进一步揭示，与DRC材料相比，DERC材料能带来更多的一次能源节约（11.61 kWh m^?2 对比 8.23 kWh m^?2）和更大幅度的CO₂减排（7.62 kg m^?2 对比 5.4 kg m^?2）。因此，该DERC装置代表了节能与减排领域的一项重大概念进步，为全球碳中和与环境可持续发展开辟了新道路。