Пассивное дневное радиационное охлаждение

Пассивное дневное радиационное охлаждение (PDRC) может снизить температуру с нулевым потреблением энергии или загрязнением окружающей среды за счет излучения тепла в космическое пространство. Широкое применение было предложено в качестве решения проблемы глобального потепления.

Пассивное дневное радиационное охлаждение ( PDRC ) — это метод охлаждения зданий с нулевым энергопотреблением, предложенный в качестве решения для уменьшения кондиционирования воздуха , снижения эффекта городского острова тепла , снижения температуры человеческого тела в условиях сильной жары, перехода к углеродной нейтральности и контроля глобального потепления за счет усиления земного тепла. поток в космическое пространство посредством установки теплоизлучающих на Земле поверхностей, которые не требуют потребления энергии или загрязнения. В отличие от широко используемых систем охлаждения на основе сжатия (например, кондиционеров), они потребляют значительное количество энергии, имеют чистый эффект обогрева, требуют быстрого доступа к электричеству и часто требуют хладагентов, разрушающих озоновый слой или вызывающих сильный парниковый эффект. эффект, Применение PDRC может также повысить эффективность систем, получающих выгоду от лучшего охлаждения, таких как фотоэлектрические системы , методы сбора росы и термоэлектрические генераторы .

Поверхности PDRC спроектированы так, чтобы иметь высокий коэффициент отражения солнечной энергии (для минимизации притока тепла) и сильную инфракрасным излучением (LWIR) длинноволновым передачу тепла атмосферы через инфракрасное окно (8–13 мкм), что позволяет снизить температуру даже в дневное время. Его также называют пассивным радиационным охлаждением , дневным пассивным радиационным охлаждением , радиационным охлаждением неба , фотонным радиационным охлаждением и земным радиационным охлаждением . PDRC отличается от управления солнечной радиацией , поскольку увеличивает радиационное тепловыделение, а не просто отражает поглощение солнечной радиации.

По некоторым оценкам, если бы 1–2% площади поверхности Земли было отведено под PDRC, потепление прекратилось бы, а повышение температуры было бы сбалансировано до уровня, приемлемого для выживания . Региональные различия обеспечивают разные потенциалы охлаждения: пустынный и умеренный климат получают больше пользы от применения, чем тропический климат , что объясняется влиянием влажности и облачности на снижение эффективности PDRC. Были разработаны недорогие масштабируемые материалы PDRC, пригодные для массового производства, такие как покрытия , тонкие пленки , метаткани, аэрогели и биоразлагаемые поверхности.

PDRC могут быть включены в самоадаптивные системы, «переключающиеся» с пассивного охлаждения на обогрев, чтобы смягчить любые потенциальные эффекты «переохлаждения» в городских условиях . Они также были разработаны в других цветах, кроме белого, хотя, как правило, существует компромисс в охлаждающем потенциале, поскольку поверхности темного цвета менее отражающие. Исследования, разработки и интерес к PDRC быстро росли с 2010-х годов, что объясняется научным прорывом в использовании фотонных метаматериалов для достижения дневного охлаждения в 2014 году. наряду с растущей обеспокоенностью по поводу использования энергии и глобального потепления.

Пассивное дневное радиационное охлаждение (PDRC) использует холод космического пространства в качестве возобновляемого источника энергии для достижения дневного охлаждения, которое можно использовать во многих приложениях. например, охлаждение внутреннего пространства , на открытом воздухе смягчение последствий городского теплового острова , и эффективность солнечных батарей . Поверхности PDRC спроектированы так, чтобы иметь высокий коэффициент отражения солнечного света для минимизации притока тепла и сильный теплообмен с помощью длинноволнового инфракрасного (LWIR) теплового излучения . В планетарном масштабе это было предложено как способ замедлить и обратить вспять глобальное потепление . Приложения PDRC развертываются в виде поверхностей, обращенных к небу, подобно другим возобновляемым источникам энергии, таким как фотоэлектрические системы и солнечные тепловые коллекторы . PDRC стала возможной благодаря возможности подавлять солнечное нагревание с помощью фотонных метаматериалов , впервые опубликованной в исследовании Raman et al. научному сообществу в 2014 году. Приложения PDRC для охлаждения помещений растут, и, по оценкам, «размер рынка в 2025 году составит ~ 27 миллиардов долларов».

Классификация

Пассивное дневное радиационное охлаждение не является методом удаления углекислого газа (CDR) или управления солнечным излучением длинноволновым инфракрасным тепловым излучением (SRM), а скорее усиливает передачу тепла на поверхности Земли через инфракрасное окно с холодом космического пространства для достижения дневного охлаждения. Солнечное излучение отражается от поверхности PDRC, чтобы минимизировать приток тепла и максимизировать тепловое излучение . PDRC отличается от SRM тем, что увеличивает радиационное тепловыделение, а не просто отражает поглощение солнечной радиации. PDRC называют альтернативой или «третьим подходом» к геоинженерии . PDRC также был классифицирован как устойчивый и возобновляемые технологии охлаждения .

Глобальная реализация

PDRC могут замедлить и обратить вспять тенденции повышения температуры, связанные с изменением климата.

При глобальном применении PDRC может снизить рост температуры, замедлить и обратить вспять глобальное потепление . Айли и др. заключает, что «широкомасштабное внедрение радиационного охлаждения может снизить температуру воздуха у поверхности, если не во всей атмосфере». Чтобы решить проблему глобального потепления, PDRC должны быть спроектированы так, чтобы «гарантировать, что выбросы идут через окно прозрачности атмосферы в космос, а не только в атмосферу, что позволит обеспечить локальное, а не глобальное похолодание».

PDRC не предлагается в качестве самостоятельного решения проблемы глобального потепления, а должен сочетаться с глобальным CO ₂ сокращением выбросов и переходом от энергетики на ископаемом топливе . В противном случае «радиационный баланс не продлится долго, а потенциальные финансовые выгоды от смягчения последствий не будут полностью реализованы из-за продолжающегося закисления океана , загрязнения воздуха и перераспределения биомассы » из-за остаточных высоких уровней CO ₂ в атмосфере , как утверждает Мандей, который резюмировал глобальную реализацию PDRC следующим образом:

В настоящее время Земля поглощает на ~1 Вт/м2 больше, чем излучает, что приводит к общему потеплению климата. Покрыв небольшую часть Земли теплоизлучающими материалами, можно увеличить поток тепла от Земли, а чистый радиационный поток можно уменьшить до нуля (или даже сделать отрицательным), тем самым стабилизируя (или охлаждая) Землю ( ...) Если бы вместо этого только 1–2% поверхности Земли излучали с такой скоростью, а не с ее нынешним средним значением, общие потоки тепла внутрь и наружу всей Земли были бы сбалансированы, и потепление прекратилось бы.

Предполагаемая общая площадь покрытия составляет 5 × 10. ¹² м ² или примерно вдвое меньше пустыни Сахары . Глобальная реализация может быть более предсказуемой, если она будет распределена децентрализованно , а не в нескольких сильно централизованных местах на поверхности Земли. Мандал и др. называет это стратегией «распределенной геоинженерии», которая может смягчить «погодные нарушения, которые могут возникнуть в результате крупномасштабной централизованной геоинженерии». Климат пустыни имеет самый высокий потенциал радиационного охлаждения из-за низкой круглогодичной влажности и облачного покрова, тогда как тропический климат имеет более низкий потенциал охлаждения из-за наличия влажности и облачного покрова.

Общие затраты на глобальную реализацию оцениваются в 1,25–2,5 триллиона долларов США, или около 3% мирового ВВП, с возможным масштабным снижением цен. По данным Munday, это было описано как «небольшая инвестиция по сравнению с предполагаемыми глобальными выгодами в 20 триллионов долларов, которые прогнозируются за счет ограничения глобального потепления 1,5°C, а не 2°C». Недорогие масштабируемые материалы были разработаны для широкомасштабного внедрения, хотя некоторые проблемы на пути коммерциализации остаются.

Некоторые исследования рекомендовали сосредоточить усилия на максимизации коэффициента отражения солнечного света или альбедо поверхностей от очень низких значений до высоких значений, при условии, что тепловое излучение может быть достигнуто не менее 90%. Например, хотя альбедо городской крыши может составлять 0,2, увеличение отражательной способности до 0,9 гораздо более эффективно, чем увеличение отражающей поверхности, чтобы она стала более отражающей, например, с 0,9 до 0,97.

Преимущества

Исследования отметили следующие преимущества широкомасштабного внедрения пассивного дневного радиационного охлаждения:

• Продвижение к углеродно-нейтральному будущему и достижение нулевых выбросов.
• Освобождение электрических сетей и возобновляемых источников энергии от использования электроэнергии для охлаждения.
• Балансирование энергетического бюджета Земли .
• Понижение температуры тела человека во время сильной жары.
• Совершенствование систем сбора атмосферной воды и сбора росы . методов
• Повышение производительности солнечных энергетических систем.
• Смягчение энергетических кризисов .
• Смягчение эффекта городского острова тепла.
• Сокращение выбросов парниковых газов за счет замены использования энергии ископаемого топлива на охлаждение.
• Снижение локального и глобального повышения температуры, связанного с глобальным потеплением.
• Снижение термического загрязнения водных ресурсов.
• Снижение расхода воды при влажном охлаждении .

Преимущества управления солнечной радиацией

Пассивное дневное радиационное охлаждение считается более стабильным, адаптируемым и обратимым по сравнению с инжекцией стратосферных аэрозолей , которая предполагает впрыскивание частиц в атмосферу для увеличения радиационного воздействия и снижения температуры. Исследования предостерегают от того, что выбросы стратосферных аэрозолей могут способствовать дальнейшей потере озона Земли и дальнейшему нагреванию нижних стратосферы , заявляя, что выброс частиц сульфата «отразит большую часть поступающей солнечной радиации обратно в космос, но также захватит большую часть поступающей солнечной радиации обратно в космос». исходящее тепловое излучение обратно на Землю» и, следовательно, ускоряют потепление.

Ван и др. заявляет, что выброс стратосферных аэрозолей «может вызвать потенциально опасные угрозы для основных климатических операций Земли», которые могут быть необратимыми, и, таким образом, отдает предпочтение пассивному радиационному охлаждению. Мандей отметил, что, хотя при глобальном внедрении PDRC «вероятно возникнут неожиданные эффекты», «эти структуры можно удалить немедленно, если это необходимо, в отличие от методов, которые включают рассеивание твердых частиц в атмосферу, которое может сохраняться десятилетиями».

По сравнению с подходом к увеличению отражательной способности или альбедо поверхностей, например, путем окраски крыш в белый цвет, или с предложениями космических зеркал «развертывания гигантских отражающих поверхностей в космосе», Мандей заявляет, что «повышенная отражательная способность, вероятно, не соответствует тому, что необходим и требует больших финансовых затрат». PDRC отличается от подхода, основанного на отражающих поверхностях, тем, что «увеличивает радиационное тепловыделение Земли, а не просто уменьшает ее поглощение солнечной энергии».

Функция

PDRC максимизируют исходящее инфракрасное излучение (показано оранжевым цветом) и минимизируют поглощение солнечного излучения (показано желтым цветом).

Основная функция PDRC – высокая отражательная способность солнечного света (0,4–2,5 мкм) и теплоизлучения ( 8–13 мкм). чтобы максимизировать «чистое излучение длинноволнового теплового излучения » и минимизировать «поглощение нисходящего коротковолнового излучения ». PDRC используют инфракрасное окно (8–13 мкм) для передачи тепла с холодом космического пространства (~ 2,7 К ) для излучения тепла и последующего снижения температуры окружающей среды с нулевым затратом энергии.

PDRC имитируют естественный процесс радиационного охлаждения , при котором Земля охлаждается, выделяя тепло в космическое пространство ( энергетический бюджет Земли ), хотя в дневное время температура окружающей среды снижается под воздействием прямой солнечной интенсивности. В ясный день солнечное излучение может достигать 1000 Вт/м. ² с диффузной составляющей от 50 до 100 Вт/м ² . Расчетная мощность охлаждения среднего PDRC составляет ~ 100–150 Вт/м. ² . Мощность охлаждения PDRC пропорциональна площади открытой поверхности установки.

Измерение эффективности

Чтобы измерить охлаждающую способность поверхности PDRC, необходимо количественно оценить поглощенную мощность атмосферного и солнечного излучения. PDRC следует измерять не тогда, когда поверхность находится в сбалансированном или контролируемом состоянии, а в реальных условиях. Были предложены стандартизированные устройства для измерения эффективности PDRC.

Оценка нисходящего длинноволнового излучения атмосферы, основанная на «использовании погодных условий окружающей среды, таких как температура и влажность приземного воздуха, вместо зависимых от высоты атмосферных профилей », может быть проблематичной, поскольку «нисходящее длинноволновое излучение исходит с разных высот атмосферы с разными температурами». , давления и содержания водяного пара» и «не имеет однородной плотности, состава и температуры по всей толщине».

Широкополосные излучатели (BE) и селективные излучатели (SE)

Широкополосные излучатели PDRC излучают как в солнечном спектре, так и в инфракрасном окне (8 и 14 мкм), тогда как селективные излучатели PDRC излучают только в инфракрасном окне.

PDRC могут быть широкополосными по своей способности теплового излучения, что означает, что они обладают высоким коэффициентом излучения как в солнечном спектре , так и в атмосферном окне LWIR (от 8 до 14 мкм), или селективными излучателями, что означает, что они узкополосные излучают длинноволновое инфракрасное излучение только в инфракрасном окне.

Теоретически селективные тепловые излучатели могут обеспечить более высокую мощность охлаждения. Однако селективные излучатели также сталкиваются с дополнительными проблемами в реальных приложениях, которые могут снизить их производительность, например, из-за капельной конденсации , которая распространена даже в полузасушливых средах и которая может накапливаться на поверхности PDRC, даже если она сделана гидрофобной и изменить узкополосное излучение. Широкополосные излучатели также превосходят селективные материалы, когда «материал теплее окружающего воздуха или когда температура его поверхности ниже окружающей среды находится в пределах нескольких градусов».

Оба излучателя могут быть полезны для разных типов применений. Широкополосные излучатели могут быть менее проблематичными для горизонтальных применений, например, на крышах, тогда как селективные излучатели могут быть более полезными, если они установлены на вертикальных поверхностях, таких как фасады зданий , где капельная конденсация несущественна и можно реализовать более высокую охлаждающую способность.

Широкополосные излучатели можно сделать зависимыми от угла, чтобы потенциально улучшить их эффективность охлаждения. Полидиметилсилоксан (ПДМС) является распространенным широкополосным излучателем, используемым для PDRC. Большинство материалов PDRC являются широкополосными, что в первую очередь объясняется их более низкой стоимостью и более высокими характеристиками при температурах выше температуры окружающей среды.

Гибридные системы

Объединение PDRC с другими системами может увеличить их охлаждающую способность. При включении в комбинированную систему теплоизоляции , испарительного охлаждения и радиационного охлаждения, состоящую из «солнечного отражателя, водонасыщенного и излучающего ИК-излучение испарительного слоя, а также паропроницаемого, ИК-прозрачного и солнечно-отражающего изоляционного слоя, «Была продемонстрирована на 300 % более высокая мощность охлаждения окружающей среды. Это может продлить срок хранения продуктов питания на 40% во влажном климате и на 200% в сухом климате без охлаждения . Однако система требует «дозаправки» воды для поддержания своей охлаждающей способности, причем в жарком климате дозаправки происходят чаще, чем в более прохладном.

Двухрежимное асимметричное фотонное зеркало (АПМ), состоящее из дифракционных решеток на основе кремния, может обеспечить всесезонное охлаждение, даже в облачных и влажных условиях, а также обогрев. Охлаждающая мощность APM может быть на 80% выше, чем у автономных радиационных охладителей. В условиях пасмурного неба охлаждение может быть на 8 °C выше, а при обогреве — на 5,7 °C выше.

Климатические вариации

Потенциал глобального охлаждения в различных регионах мира варьируется в первую очередь в зависимости от климатических зон и наличия погодных условий и явлений. Сухие и жаркие регионы обычно имеют более высокую мощность радиационного охлаждения (по оценкам, до 120 Вт/м2), в то время как более холодные регионы или регионы с высокой влажностью или облачностью обычно имеют более низкий потенциал глобального охлаждения. Потенциал охлаждения в различных регионах также может меняться от зимы к лету из-за изменений влажности и облачности. Для Китая были проведены исследования, отображающие потенциал радиационного охлаждения в дневное время. и Индия, Соединенные Штаты, и в континентальном масштабе по всей Европе.

Региональный потенциал охлаждения

Пустынный климат

Климат пустыни имеет самый высокий потенциал радиационного охлаждения из-за низкой влажности и облачности.

Засушливые регионы, такие как Западная Азия, Северная Африка, Австралия и юго-запад США, идеально подходят для применения PDRC из-за относительного отсутствия влажности и облачности как зимой, так и летом. Согласно Aili et al., потенциал охлаждения пустынных регионов оценивается «в более высоком диапазоне 80–110 Вт/м2». и 120 Вт/м2 по данным Yin et al. Пустыня Сахара и западная Азия — это крупнейшая территория на Земле с высоким потенциалом охлаждения как зимой, так и летом.

Охлаждающий потенциал пустынных регионов рискует оказаться относительно нереализованным из-за очень низкой плотности населения, что может снизить интерес к применению PDRC для местного охлаждения. Однако в случае глобального внедрения малонаселенный или незаселенный пустынный климат может стать важным «вкладом поверхности суши в планетарное альбедо», что может «снизить температуру воздуха у поверхности, если не всей атмосферы».

Умеренный климат имеет потенциал радиационного охлаждения от умеренного до высокого.

Умеренный климат

Умеренный климат имеет высокий потенциал радиационного охлаждения и более высокую среднюю плотность населения по сравнению с пустынным климатом, что может повысить готовность применять PDRC в этих зонах. Это связано с тем, что эти климатические зоны, как правило, являются «переходными» зонами между сухим и влажным климатом. Районы с высокой численностью населения в умеренных климатических зонах могут быть подвержены эффекту «переохлаждения» со стороны PDRC (см. раздел «Переохлаждение» ниже) из-за температурных сдвигов от жаркого лета к мягкой зиме, которые можно преодолеть с помощью модификации PDRC с учетом температурных сдвигов. .

Тропический климат

Тропический климат имеет более низкий потенциал радиационного охлаждения из-за высокой влажности и облачности.

Хотя технологии пассивного радиационного охлаждения доказали свою эффективность в регионах средних широт Земли, достижение того же уровня производительности столкнулось с большими трудностями в тропическом климате. В первую очередь это объясняется более высокой солнечной радиацией и атмосферным излучением в этих зонах, особенно влажностью и облачностью. Средний потенциал охлаждения в жарком и влажном климате колеблется от 10 до 40 Вт/м2, что значительно ниже, чем в жарком и сухом климате.

Например, охлаждающий потенциал большей части Юго-Восточной Азии и Индийского субконтинента летом значительно снижается из-за резкого увеличения влажности, которая снижается до 10–30 Вт/м2. В других аналогичных зонах, таких как тропические саванны в Африке, летом наблюдается более умеренное снижение — до 20–40 Вт/м2. Однако тропические регионы обычно имеют более высокое альбедо или радиационное воздействие из-за устойчивого облачного покрова , и поэтому их земная поверхность вносит меньший вклад в планетарное альбедо.

Исследование Хана и др. определены критерии, по которым поверхность PDRC в тропическом климате должна иметь коэффициент отражения солнечной энергии не менее 97% и коэффициент излучения инфракрасного излучения не менее 80% для достижения температур ниже окружающей среды в тропическом климате. Исследователи использовали БаСО ₄ - К
₂ ТАК
₄ с «солнечным отражением и инфракрасным излучением (8–13 мкм) 98,4% и 95% соответственно» в тропическом климате Сингапура и достигающим «устойчивой дневной температуры ниже окружающей среды 2 ° C» под прямыми солнечными лучами 1000 Вт/м2.

Переменные

Влажность и облачность

Глобальная карта облачного покрова. Данные взяты с 2002 по 2015 год. Чем темнее цвет, тем чище небо.

Влажность и облачность значительно снижают эффективность PDRC. Исследование Хуанга и др. отметил, что «вертикальные изменения концентрации пара и температуры в атмосфере» могут оказать значительное влияние на радиационные охладители. Авторы предположили, что аэрозольный и облачный покров также может снизить эффективность радиаторов, и поэтому пришли к выводу, что для максимизации эффективности в этих климатических условиях необходимы адаптируемые «стратегии проектирования радиационных охладителей». Регионы с высокой влажностью и облачностью имеют меньший потенциал глобального охлаждения, чем регионы с низкой влажностью и облачностью.

Капельная конденсация

Образование капельного конденсата на поверхностях PDRC может изменить инфракрасное излучение поверхности селективных излучателей PDRC, что может ухудшить их характеристики. Даже в полузасушливых условиях на поверхностях PDRC может происходить образование росы. Таким образом, охлаждающая способность селективных эмиттеров «может расширить узкополосные эмиттансы селективного излучателя и уменьшить их мощность охлаждения при температуре окружающей среды и их предполагаемые преимущества в охлаждении по сравнению с широкополосными эмиттерами», как утверждают Симсек и др., которые обсуждают влияние на производительность. селективных излучателей:

Показывая, что капельная конденсация на горизонтальных излучателях приводит к широкополосному излучению независимо от излучателя, наша работа показывает, что предполагаемые преимущества селективных излучателей еще меньше, когда речь идет о крупнейшем применении радиационного охлаждения – охлаждении крыш зданий. Однако недавно было показано, что для вертикальных фасадов зданий , испытывающих широкополосные притоки тепла от земли в летнее время и потери в зимнее время, селективные излучатели могут обеспечить сезонную терморегуляцию и экономию энергии. Поскольку образование росы менее вероятно на вертикальных поверхностях даже в исключительно влажной среде, терморегулирующие преимущества селективных эмиттеров, скорее всего, сохранятся как во влажных, так и в сухих условиях эксплуатации.

Дождь

Глобальная карта среднегодовых осадков . Чем темнее цвет, тем выше количество осадков.

Дождь обычно помогает очистить поверхности PDRC, покрытые пылью, грязью или другим мусором, и улучшить их отражательную способность. Однако во влажных регионах продолжительный дождь может привести к скоплению тяжелой воды на поверхностях PDRC, что может ухудшить производительность. В ответ пористые PDRC. были разработаны Другой ответ — создание гидрофобных PDRC, которые «самоочищаются». масштабируемые и устойчивые гидрофобные PDRC, не содержащие ЛОС , которые отталкивают дождевую воду и другие жидкости. Были разработаны

Ветер

Ветер может оказать некоторое влияние на изменение эффективности поверхностей и технологий пассивного радиационного охлаждения. Лю и др. предлагает использовать «стратегию наклона и стратегию укрытия от ветра» для смягчения воздействия ветра. Исследователи обнаружили региональные различия в отношении воздействия ветрового покрова в Китае, отметив, что «85% территорий Китая могут достичь эффективности радиационного охлаждения с помощью ветрового покрова», тогда как на северо-западе Китая влияние ветрового покрова будет более существенным. Биярния и др. аналогичным образом предлагается использовать ветрозащитный экран в районах, подверженных сильным ветрам.

Материалы и производство

Солнечноотражающие и теплоизлучающие поверхности могут быть изготовлены из различных материалов. Однако для того, чтобы широкое применение было возможным, материалы PDRC должны быть недорогими, доступными для массового производства и применимыми во многих контекстах. Большинство исследований было сосредоточено на покрытиях и тонких пленках PDRC, которые, как правило, более доступны для массового производства, имеют более низкую стоимость и более применимы в более широком диапазоне контекстов, хотя другие материалы могут иметь потенциал для различных применений.

Некоторые исследования PDRC также позволили разработать более экологически чистые и устойчивые материалы, даже если они не полностью биоразлагаемы . Чжун и др. заявляют, что «большинство материалов PDRC в настоящее время представляют собой невозобновляемые полимеры, искусственные фотонные или синтетические химические вещества, которые вызовут чрезмерные выбросы CO ₂ из-за потребления ископаемого топлива и противоречат глобальной цели углеродной нейтральности. Экологически чистые возобновляемые материалы на биологической основе должны быть идеальным материалом. разработать системы PDRC».

Многослойные и сложные структуры

Передовые фотонные материалы и структуры, такие как многослойные тонкие пленки, микро/наночастицы, фотонные кристаллы, метаматериалы и метаповерхности, были протестированы на предмет значительного облегчения радиационного охлаждения. Однако, хотя многослойные и сложные нанофотонные структуры доказали свою эффективность в экспериментальных сценариях и моделировании, широкое применение «строго ограничено из-за сложных и дорогих процессов подготовки», согласно Cui et al. Аналогичным образом, Чжан и др. отметил, что «масштабируемое производство искусственных фотонных излучателей со сложной структурой, выдающимися свойствами, высокой производительностью и низкой стоимостью по-прежнему остается сложной задачей». Это привело к расширению исследований более простых структур материалов PDRC, которые больше подходят для массового производства.

Покрытия

Масштабируемое цветное покрытие PDRC с использованием оксида висмута (на фото) было разработано Zhai et al.

Покрытия или краски PDRC, как правило, имеют преимущества благодаря их прямому нанесению на поверхности, упрощая процессы подготовки и снижая затраты. хотя не все покрытия PDRC недорогие. По словам Донга и др., покрытия обычно обеспечивают «высокую работоспособность, удобство обработки и низкую стоимость, что дает возможность их широкомасштабного использования». Покрытия PDRC были разработаны в цветах, отличных от белого, но при этом демонстрируют высокую отражательную способность солнечного света и теплоизлучение.

Покрытия должны быть прочными и устойчивыми к загрязнениям, чего можно добиться с помощью пористых PDRC. или гидрофобные верхние покрытия, устойчивые к чистке, хотя в гидрофобных покрытиях используется политетрафторэтилен или другие подобные соединения, чтобы обеспечить водостойкость. Негативное воздействие на окружающую среду можно смягчить, ограничив использование других токсичных растворителей, распространенных в красках, таких как ацетон . нетоксичные краски или краски на водной основе Разработаны . Необходимы дополнительные исследования и разработки.

Покрытие из пористых полимеров (PPC) демонстрирует превосходные характеристики PDRC. Эти полимеры имеют высокую концентрацию крошечных пор, которые эффективно рассеивают свет на границе между полимером и воздухом. Это рассеяние увеличивает как солнечное отражение (отражая более 96% солнечного света), так и тепловое излучение (выделяя 97% тепла), в результате чего температура поверхности на шесть градусов ниже, чем окружающая среда в полдень в Фениксе. Кроме того, этот процесс основан на решениях и может быть легко масштабирован. Обнаружен новый дизайн для раскраски PPC. Краситель желаемого цвета наносится на пористый полимер. По сравнению с традиционным красителем в пористом полимере, в котором краситель смешивается с полимером, новая конструкция может иметь более высокий показатель преломления инфракрасного и теплового излучения.

Стоимость покрытий PDRC была значительно снижена благодаря исследованию Atiganyanun et al., проведенному в 2018 году. который продемонстрировал, как «фотонные среды, если они правильно рандомизированы для минимизации длины свободного пробега фотонов, могут использоваться для покрытия черной подложки и снижения ее температуры за счет радиационного охлаждения». Это покрытие может «превзойти коммерчески доступную белую краску, отражающую солнечные лучи, для дневного охлаждения» без использования дорогостоящих производственных этапов или материалов.

Покрытия PDRC, которые описываются как масштабируемые и недорогие, включают:

• Ли и др. (2019), покрытие из фосфата алюминия , коэффициент отражения солнечной энергии 97%, теплоотдача 90%, дневная температура воздуха на ~4,2 °C ниже температуры окружающей среды (на ~4,8 °C ниже, чем у коммерческого теплоизоляционного покрытия), прогнозируемая оценочная стоимость Dong et al. по $1,2/м2, протестировано в Гуанчжоу (дневная влажность 41%), селективный излучатель (SE).
• Ли и др. (2021), ультрабелый Краска BaSO ₄ с объемной концентрацией 60%, коэффициентом отражения солнечного излучения 98,1%, теплоотдачей 95%, дневной температурой воздуха на ~4,5 °C ниже, чем температура окружающей среды, «обеспечивая большую надежность, удобную форму краски, простоту использования и совместимость с коммерческим производством красок». процесс."
• Венг и др. (2021), метод шаблона губчатого эмиттера из пористого ПДМС (полидиметилсилоксана) для покрытий, коэффициент отражения солнечного света 95%, коэффициент теплоизлучения 96,5%, дневная температура воздуха на ~ 8 ° C ниже, чем температура окружающей среды, отсутствие опасных травящих веществ (например, плавиковой кислоты , перекиси водорода , уксусная кислота ) или ЛОС (например, ацетон , диметилформамид , тетрагидрофуран , гексан ), «совместимость с крупномасштабным производством», проверенная в Ханчжоу (дневная влажность ~61%).
• Ван и др. (2022), покрытие на водной основе термохромное , не содержащее экотоксичного и канцерогенного диоксида титана , коэффициент отражения солнечного излучения 96%, теплоизлучение 94%, дневная температура воздуха на ~7,1 °C ниже, чем температура окружающей среды, и «может производиться в больших масштабах и удобно наноситься на различные поверхности». подложек с помощью традиционных методов литья каплей, распыления, окраски валиком или центрифугирования» и «переключения [между] солнечным нагревом и радиационным охлаждением», протестировано в Шанхае (влажность в дневное время ~ 28%).
• Донг и др. (2022), БаСО ₄ , СаСО ₃ и Покрытие из частиц SiO ₂ , коэффициент отражения солнечной энергии 97,6%, теплоотдача 89%, дневная температура воздуха на ~8,3 °C ниже, чем температура окружающей среды (на ~5,5 °C ниже, чем у коммерческих белых красок), описано «для крупномасштабного коммерческого производства» с прогнозируемой оценкой стоимость $0,5/м2, протестировано в Вэйхае (дневная влажность 40%).
• Чжай и др. (2022), α- Би.
  ₂2О
  _{Трехцветное} покрытие, коэффициент отражения солнечной энергии 99%, коэффициент теплоизлучения 97%, дневная температура воздуха ~2,31 °C (средняя мощность охлаждения 68 Втм-2), используется «низкая стоимость исходных оксидных материалов и простой процесс подготовки», протестировано в Нанкине ( дневная влажность 54%).

Фильмы

Пленка фотонного излучателя на основе жука-усача Neocerambyx gigas продемонстрировала 95% солнечной радиации и 96% излучательной способности.

PDRC Было разработано множество тонких пленок , которые продемонстрировали очень высокие коэффициенты отражения солнечного света и теплоизлучения. Однако пленки с точными узорами или структурами не поддаются масштабированию «из-за стоимости и технических трудностей, присущих крупномасштабной точной литографии », как утверждают Хан и др., или «из-за сложной наноразмерной литографии/синтеза и жесткости», согласно Zhou et al.

Полиакрилатная гидрогелевая пленка Результаты более позднего исследования имеют более широкое применение, включая потенциальное использование в строительстве зданий и крупномасштабных системах управления температурным режимом. Это исследование сосредоточено на полиакрилатной пленке, разработанной для гибридного пассивного охлаждения. В пленке используется полиакрилат натрия, недорогой промышленный материал, позволяющий добиться высокого коэффициента отражения солнечного света и высокого коэффициента излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Важным аспектом этого материала является его способность поглощать атмосферную влагу, что позволяет ему обеспечивать как радиационное, так и испарительное охлаждение. Этот двойной механизм обеспечивает эффективное охлаждение даже в различных атмосферных условиях, включая высокую влажность или ограниченный доступ к ясному небу.

Некоторые исследователи пытались преодолеть это различными методами:

• Чжан и др. (2020), пленка с простым методом микроштамповки на недорогом полимере ПДМС , коэффициент отражения солнечного света 95%, теплоизлучение 96%, снижение дневной температуры до 5,1 ° C, «перспективно для расширения производства».
• Чжан и др. (2021), недорогая пленка, разработанная с использованием фазовой инверсии процесса с использованием ацетата целлюлозы и силиката кальция , коэффициент отражения солнечной энергии 97,3%, коэффициент теплоотдачи 97,2%, снижение дневной температуры до 7,3 ° C ниже температуры окружающей среды (средняя полезная мощность охлаждения 90,7 Вт · м). ⁻² ), «недорогая масштабируемая композитная пленка с новой структурой, напоминающей дендритные клетки», испытанная в Циндао .
• Фан и др. (2022), экологически чистое получение супергидрофобной пористой полидиметилсилоксановой (ПДМС) радиационной охлаждающей пленки, снижение дневной температуры до 11,52 ° C ниже температуры окружающей среды, «пленка обещает широко использоваться для длительного охлаждения при наружном применении».
• Ни и др. (2022), композитная пленка из бесфтористых реагентов и Частицы SiO ₂ , коэффициент отражения солнечной энергии 85%, теплоотдача 95%, среднее снижение температуры в дневное время 12,2 °C, изготовлен с использованием «простого процесса подготовки, который обладает характеристиками недорогой экологичности и превосходной механической прочности», протестирован в провинции Хубэй .
• Чжун и др. (2023), иерархическая гибкая пленка из волокнистой целлюлозы (древесной массы), коэффициент отражения солнечного света 93,8%, теплоотдача 98,3%, снижение дневной температуры до 11,3 ° C ниже температуры окружающей среды, исследование «впервые позволило реализовать высокую кристалличность и иерархическую микроструктуру в регенерированных целлюлозные материалы путем самосборки макромолекул целлюлозы на молекулярном уровне», что «откроет новые перспективы для разработки гибких целлюлозных материалов».

Метаткани

PDRC также могут выпускаться в виде метатканей, которые можно носить как одежду для защиты и регулирования температуры тела во время сильной жары. Большинство метатканей изготавливаются из волокон на основе бензина, хотя исследования и разработки экологически чистых или регенеративных материалов продолжаются. Например, Чжун и др. заявляет, что «необходимо разработать новые гибкие целлюлозные волокнистые пленки с древесноподобной иерархической микроструктурой для носимых устройств PDRC».

Автор: Шаонин Цзэн и др. выбранный ими материал — композит оксида титана и полимолочной кислоты (TiO2-PLA) с ламинацией из политетрафторэтилена (ПТФЭ) — сыграл решающую роль в достижении желаемых оптических характеристик. Ткань прошла тщательную оптическую и термическую оценку, в ходе которой были измерены такие важные свойства, как отражательная и излучательная способность. Численное моделирование, включая теорию Лоренца-Ми и моделирование Монте-Карло, сыграло решающую роль в прогнозировании производительности фабрики и ее оптимизации. Кроме того, были проведены механические испытания, чтобы убедиться в долговечности, прочности и практичности ткани для повседневного использования.

Одним из наиболее заметных результатов стала исключительная способность метаткани способствовать радиационному охлаждению. Ткань достигла высокой излучательной способности (94,5%) в атмосферном окне, что имеет решающее значение для радиационного охлаждения, поскольку позволяет эффективно отводить тепло тела. В то же время он демонстрировал высокую отражательную способность солнечной энергии (92,4%), что означает, что он мог отражать значительную часть солнечных лучей, что еще больше способствовало его охлаждающему эффекту. Такое сочетание высокой излучательной и отражательной способности играет центральную роль в его охлаждающих возможностях, значительно превосходя в этом отношении традиционные ткани. Кроме того, механические свойства ткани, в том числе прочность, долговечность, водонепроницаемость и воздухопроницаемость, подтвердили ее пригодность для повседневной одежды. Такое сочетание высоких характеристик радиационного охлаждения и сильных механических свойств делает ткань многообещающим кандидатом для практического применения.

• Лю и др. (2022), экологически чистый регенерируемый полимерный альгинат биологического происхождения для модификации хлопкового волокна и последующего создания в матрице CaCO ₃ Нано- или другие микрочастицы , коэффициент отражения солнечной энергии 90%, коэффициент теплового излучения 97%, снижают температуру кожи человека на 5,4°C, «полностью совместимы с промышленными перерабатывающими объектами» и обладают «эффективными свойствами защиты от ультрафиолета со значением UPF 15», быстро сохнет и устойчив к стирке».
• Ли и др. (2022 г.), носимая шляпа, изготовленная из бумаги с радиационным охлаждением и Волокна SiO ₂ и дымленые SiO ₂ , коэффициент отражения солнечной энергии 97%, теплоотдача 91%, пониженная температура волос пользователя на 12,9ᵒC по сравнению с базовой белой хлопчатобумажной шляпой (и на 19ᵒC по сравнению с отсутствием шляпы), водонепроницаемость и воздухопроницаемость, «подходит для производство шляп с радиационным охлаждением для обеспечения терморегулирования головы человека».

Аэрогели

Аэрогели могут использоваться в качестве потенциально недорогого материала PDRC, масштабируемого для массового производства. Некоторые аэрогели также можно считать более экологически чистой альтернативой другим материалам, поскольку они обладают способностью к разложению и отсутствием токсичных химикатов. Аэрогели также могут быть полезны в качестве теплоизоляционного материала для уменьшения поглощения солнечной энергии и паразитного притока тепла для улучшения охлаждающих характеристик PDRC.

• Юэ и др. (2022), супергидрофобный аэрогель на основе макулатуры (целлюлозы), коэффициент отражения солнечной энергии 93%, коэффициент теплового излучения 91%, снижение дневных температур до 8,5 ° C ниже температуры окружающей среды при испытаниях на открытом воздухе, при моделировании энергопотребления зданий аэрогель «показал, что 43,4% «энергии охлаждения в среднем можно было бы сэкономить по сравнению с базовым потреблением здания» в Китае, если бы она была широко внедрена.
• Лю и др. (2022), разлагаемый и супергидрофобный стереосложный аэрогель из полимолочной кислоты с низкой теплопроводностью , коэффициентом отражения солнечного света 89%, коэффициентом теплоотдачи 93%, пониженной дневной температурой на 3,5°C ниже температуры окружающей среды, «открывает экологически устойчивый путь к применению радиационного охлаждения. "
• Ли и др. (2022), недорогие алюмосиликатные нановолокнистые аэрогели (SAFA), синтезированные методом электропрядения , коэффициент отражения солнечной энергии 95%, коэффициент теплоизлучения 93%, пониженные дневные температуры на 5°C ниже температуры окружающей среды, «SAFAs демонстрируют высокую усталостную устойчивость при сжатии, надежную огнестойкость и превосходные теплоизоляция» с «низкой стоимостью и высокими характеристиками» показывает потенциал для дальнейших исследований.

Нано пузыри

Пигменты поглощают свет. Мыльные пузыри образуют на своей поверхности призму разного цвета. Эти цвета возникают в результате взаимодействия света с пленкой пузырька разной толщины — явление, называемое структурным цветом. Часть исследований Цинчэня Шена и Сильвии Виньолини сосредоточена на выявлении причин, лежащих в основе различных типов структурных цветов в природе. В одном случае ее группа обнаружила, что нанокристаллы целлюлозы (НЦ), полученные из целлюлозы, содержащейся в растениях, можно превратить в переливающиеся красочные пленки без добавления какого-либо пигмента. Они сняли фильмы с яркими синими, зелеными и красными цветами, которые под солнечным светом были в среднем почти на 7 F холоднее окружающего воздуха. Квадратный метр пленки генерирует более 120 Вт охлаждающей мощности.

Биоразлагаемые поверхности

С распространением разработки PDRC многие предлагаемые материалы для радиационного охлаждения не являются биоразлагаемыми . По словам Парка и др., «устойчивые материалы для радиационного охлаждения недостаточно исследованы».

• Парк и др. (2022), экологически чистая пористая полимерная структура за счет термического разделения фаз , коэффициент отражения солнечного света 91%, коэффициент теплоотдачи 92%, снижение дневной температуры до 9 °C, достаточная долговечность для использования в зданиях и самый высокий охлаждающий эффект, о котором сообщается «среди всех органических излучатели пассивного радиационного охлаждения».

Приложения

Пассивное дневное радиационное охлаждение «имеет потенциал одновременно смягчить две основные проблемы: энергетический кризис и глобальное потепление». будучи «технологией охлаждения окружающей среды». Таким образом, PDRC имеют множество потенциальных применений, но в настоящее время чаще всего применяются к различным аспектам застроенной среды , таким как ограждающие конструкции зданий , прохладные тротуары и другие поверхности, чтобы снизить спрос на энергию, затраты и _{CO 2 .} выбросы PDRC был протестирован и применен для охлаждения помещений , наружного городского охлаждения, повышения эффективности солнечных батарей , охлаждения конденсаторов электростанций и других применений. Для наружного применения необходимо адекватно оценить срок службы PDRC как при высокой влажности и нагреве, так и при устойчивости к ультрафиолетовому излучению .

Охлаждение внутреннего пространства

По оценкам, благодаря внедрению PDRC частные дома на одну семью США в пригородах снизят затраты на электроэнергию на 26–46%.

В настоящее время пассивное радиационное охлаждение в дневное время чаще всего применяется на ограждающих конструкциях зданий, в том числе на прохладных крышах PDRC , что может значительно снизить температуру внутренних помещений внутри зданий. Применение крыши PDRC может удвоить экономию энергии по сравнению с белой крышей. Это делает PDRC устойчивой и недорогой альтернативой или дополнением к кондиционированию воздуха за счет снижения спроса на энергию , облегчения работы энергетических сетей в периоды пиковой нагрузки и сокращения CO ₂ выбросов при кондиционировании воздуха гидрофторуглеродов , вызванных выбросом в атмосферу , которые могут быть в тысячи раз более эффективными. что СО ₂ .

Только на кондиционирование приходится 12–15% мирового потребления энергии. в то время как выбросы CO ₂ от кондиционирования воздуха составляют «13,7% выбросов CO ₂ , связанных с энергетикой , примерно 52,3 ЭДж в год» или 10% от общего объема выбросов. Ожидается, что применение систем кондиционирования воздуха будет расти, несмотря на их негативное воздействие на энергетический сектор, затраты и глобальное потепление, которое было описано как «порочный круг». Однако это можно значительно сократить за счет массового производства недорогих PDRC для охлаждения помещений. Многослойная поверхность PDRC, покрывающая 10% крыши здания, может заменить 35% системы кондиционирования воздуха, используемой в самые жаркие часы дня.

В пригородных жилых районах на одну семью PDRC могут снизить затраты на электроэнергию на 26–46% в США. и понижение температуры в среднем на 5,1ᵒC. С добавлением «холодильного хранилища для использования избыточной охлаждающей энергии воды, вырабатываемой в непиковые часы, эффект охлаждения воздуха в помещении в периоды пиковой нагрузки на охлаждение может быть значительно усилен», а температура воздуха может быть снижена на 6,6– 12,7 °С.

В городах PDRC могут привести к значительной экономии энергии и затрат. В исследовании городов США Zhou et al. обнаружили, что «города в жарких и засушливых регионах могут достичь высокой годовой экономии потребления электроэнергии, составляющей > 2200 кВтч , тогда как в более холодных и влажных городах можно достичь <400 кВтч», при этом они ранжируются от самого высокого до самого низкого по экономии потребления электроэнергии следующим образом: Финикс ( ~2500 кВтч), Лас-Вегас (~2250 кВтч), Остин (~2100 кВтч), Гонолулу (~2050 кВтч), Атланта (~1500 кВтч), Индианаполис (~1200 кВтч), Чикаго (~1150 кВтч), Нью-Йорк Город (~900 кВтч), Миннеаполис (~850 кВтч), Бостон (~750 кВтч), Сиэтл (~350 кВтч). В исследовании, прогнозирующем экономию энергии для индийских городов в 2030 году, Мумбаи и Калькутта имели более низкий потенциал энергосбережения, Джайсалмер , Варансай и Дели имели более высокий потенциал, хотя и со значительными колебаниями с апреля по август в зависимости от влажности и ветрового покрова.

Растущий интерес и рост применения PDRC в зданиях объясняется экономией средств, связанной с «огромной площадью глобальной площади зданий с размером рынка ~ 27 миллиардов долларов в 2025 году», как оценивается в исследовании 2020 года.

Охлаждение наружных городских помещений

См. также: Городской остров тепла.

PDRC, установленный на крыше в Калькутте, продемонстрировал снижение температуры поверхности земли почти на 4,9 °C (8,8 °F) (при среднем снижении на 2,2 °C или 4,0 °F).

Пассивные поверхности радиационного охлаждения в дневное время могут смягчить чрезмерную жару от эффекта городского острова тепла может быть на 10–12 °C (18–22 °F) жарче , который наблюдается в более чем 450 городах по всему миру, где в городских районах по сравнению с окружающей средой. сельские районы . В средний жаркий летний день крыши зданий могут быть на 27–50 ° C (49–90 ° F) горячее, чем окружающий воздух, что еще больше повышает температуру воздуха за счет конвекции . На хорошо изолированных темных крышах значительно жарче, чем на всех других городских поверхностях, включая асфальтовые покрытия. дальнейшее расширение спроса на кондиционирование воздуха (что еще больше ускоряет глобальное потепление и образование городского острова тепла из-за выброса ненужного тепла в окружающий воздух) и увеличение рисков заболеваний, связанных с жарой, и фатальных последствий для здоровья.

PDRC можно применять для крыш зданий и городских убежищ, чтобы значительно снизить температуру поверхности при нулевом потреблении энергии за счет отражения тепла из городской среды в космическое пространство. Основным препятствием для внедрения PDRC в городских районах является ослепление, которое может быть вызвано отражением видимого света на окружающие здания. Цветные поверхности PDRC могут уменьшить блики, такие как Чжай и др. «Супербелые краски с коммерческими световозвращающими сферами с высоким индексом (n ~ 1,9) », согласно Мандалу и др., или использование световозвращающих материалов (RRM) также может уменьшить блики, хотя необходимы дальнейшие исследования и разработки. Окружающие здания без применения PDRC могут ослабить охлаждающую способность PDRC.

Было показано, что даже при установке на крышах в густонаселенных городских районах широкополосные панели радиационного охлаждения снижают температуру поверхности на уровне тротуара . Исследование Хана и др. в опубликованной в 2022 году оценке воздействия поверхностей PDRC зимой, в том числе как для немодулированных, так и для модулированных PDRC, в столичном регионе Калькутты . Немодулированный PDRC с коэффициентом отражения 0,95 и коэффициентом излучения 0,93 снизил температуру поверхности земли почти на 4,9 ° C (8,8 ° F) и со средним снижением в дневное время на 2,2 ° C (4,0 ° F).

Хотя летом охлаждающий эффект широкополосных немодулированных PDRC может быть желательным, зимой они могут вызвать неприятный эффект «переохлаждения» для городского населения и, таким образом, увеличить потребление энергии для отопления. Это можно смягчить с помощью широкополосных модулированных PDRC, которые, как они обнаружили, могут повысить дневную температуру окружающей среды в городах на 0,4–1,4 ° C (0,72–2,52 ° F) зимой. Например, в тропическом мегаполисе Калькутта «переохлаждение» маловероятно, но в других местах оно может повлиять на готовность применять PDRC в городских пространствах. Таким образом, модулированные PDRC могут быть предпочтительнее в городах с теплым летом и холодной зимой для контролируемого охлаждения, тогда как немодулированные PDRC могут быть более выгодны для городов с жарким летом и умеренной зимой. Авторы ожидали, что «недорогие пассивные оптически модулированные системы» вскоре станут коммерчески доступными.

В исследовании городских автобусных остановок было обнаружено, что большинство остановок не обеспечивают тепловой комфорт для пассажиров , отметив, что в среднем дерево может обеспечить на 0,5 °C (0,90 °F) больше охлаждения. Другие методы охлаждения убежищ часто включают кондиционирование воздуха или другие энергоемкие меры, которые могут привести к скоплению пассажиров в закрытом пространстве для охлаждения. Городские убежища с крышей PDRC могут значительно снизить температуру без дополнительных затрат или затрат энергии, в то время как добавление «невзаимного покрытия среднего инфракрасного диапазона» может увеличить выгоды за счет уменьшения поступающего атмосферного излучения, а также отражения излучения от окружающих зданий, согласно Мохарти и др. ал.

Для охлаждения наружных городских помещений рекомендуется, чтобы реализация PDRC в городских районах в первую очередь была сосредоточена на увеличении альбедо до тех пор, пока теплоотдача может поддерживаться на уровне 90%, согласно Ананду и др. Это может быстро и значительно снизить температуру, одновременно снижая потребность в энергии и затраты на охлаждение в городских условиях.

Эффективность солнечной энергии

Эффективность солнечных элементов можно повысить с помощью применения PDRC, чтобы уменьшить перегрев и деградацию элементов.

Поверхности пассивного дневного радиационного охлаждения могут быть интегрированы с солнечными энергетическими установками , называемыми солнечно-радиационным охлаждением (SE – RC), для улучшения функциональности и производительности за счет предотвращения солнечных элементов «перегрева» и, следовательно, деградации. Поскольку солнечные элементы имеют максимальную эффективность 33,7% (средняя коммерческая фотоэлектрическая панель имеет коэффициент преобразования около 20%), большая часть поглощаемой мощности производит избыточное тепло и увеличивает рабочую температуру системы. Эффективность солнечных батарей снижается на 0,4-0,5% при каждом повышении температуры на 1°С.

Пассивное дневное радиационное охлаждение может продлить срок службы солнечных элементов за счет снижения рабочей температуры системы. Интеграция PDRC в системы солнечной энергии также относительно проста, учитывая, что «большинство систем сбора солнечной энергии имеют структурную конструкцию, обращенную к небу, с плоскими пластинами, которая похожа на системы радиационного охлаждения». Было показано, что интеграция «обеспечивает более высокий прирост энергии на единицу площади», а также увеличивает «общее полезное рабочее время». Интегрированные системы могут смягчить проблемы «ограниченного рабочего времени и низкого прироста энергии» и являются «горячей точкой текущих исследований», согласно Ахмеду и др.

Были предложены методы потенциального повышения эффективности охлаждения. Лу и др. предлагает использовать «стратегию синергетического управления полным спектром (FSSM) для охлаждения солнечных элементов, которая сочетает в себе радиационное охлаждение и спектральное расщепление для улучшения рассеивания радиационного тепла и уменьшения отходящего тепла, образующегося в результате поглощения фотонов суб-BG».

Испытания на открытом воздухе с использованием различных материалов PDRC, некоторые из которых более масштабируемы, чем другие, продемонстрировали различную степень охлаждающей способности:

• Ван и др. (2021), радиационная пленка полидиметилсилоксана (ПДМС) с периодической пирамидальной текстурой охладила коммерческие кремниевые солнечные элементы более чем на 2 ° C.
• Ли и др. (2021), четко выраженный PDRC, разработанный «с использованием рациональной конструкции для размещения оптического модулятора (н-гексадекана) в SiO ₂ аэрогеля Микрочастицы в матрице из силиконового эластомера охлаждают коммерческие кремниевые солнечные элементы в среднем на 7,7 °C.
• Тан и др. (2022), нанопористая пленка из анодного оксида алюминия , повышение относительной эффективности плоских солнечных элементов на ~ 2,72%, повышение относительной эффективности концентрированных солнечных элементов на ~ 16,02%, описанное как «высокопроизводительный и масштабируемый радиационный охладитель».
• Чжао и др. (2022), фотонный охладитель с микрорешеткой из кремнезема, охладил коммерческие кремниевые элементы на 3,6 ° C при солнечной интенсивности 830 Вт · м. ⁻² до 990 Вт·м ⁻² .

Персональный термоменеджмент

Использование пассивного дневного радиационного охлаждения тканей для регулирования температуры тела во время сильной жары находится в стадии исследований и разработок. Хотя другие ткани полезны для накопления тепла, они «могут привести к тепловому удару в жаркую погоду». Цзэн и др. утверждает, что «включение структур пассивного радиационного охлаждения в технологии индивидуального терморегулирования может эффективно защитить людей от усиливающегося глобального изменения климата».

Носимые PDRC могут иметь разные формы и быть особенно полезны для работников, работающих на открытом воздухе. Доступных носимых PDRC пока нет, хотя прототипы уже разработаны. Эта область исследований называется персональным термоменеджментом (ПТМ). Хотя большая часть разработанного текстиля выполнена в белом цвете, также были разработаны цветные носимые материалы, хотя и только в избранных цветах, которые относительно успешно отражают солнечный свет и минимизируют приток тепла.

Охлаждение конденсатора электростанции

Пассивное дневное радиационное охлаждение может использоваться в конденсаторах различных электростанций, включая теплоэлектростанции и концентрированные солнечные электростанции (CSP), для охлаждения воды для эффективного использования в теплообменнике . Обобщенное исследование «крытого пруда с радиационным охладителем показало, что поток 150 Вт/м2 может быть достигнут без потери воды». Применение PDRC для конденсаторов электростанций может снизить потребление воды и тепловое загрязнение, вызванное водяным охлаждением .

Одно исследование показало, что для конденсатора теплоэлектростанции добавление конденсатора с воздушным охлаждением к панелям радиационного охлаждения «даёт охлаждающий эффект 4096 кВтч/день при потреблении энергии насосом 11 кВтч/день». Для концентрированной солнечной электростанции (CSP) «в сверхкритическом цикле CO ₂ при температуре 550ᵒC чистая производительность может быть увеличена на 5% по сравнению с системой с воздушным охлаждением за счет интеграции с радиационным охладителем мощностью 14 м2/кВт».

Тепловое регулирование зданий

Помимо охлаждения, поверхности пассивного дневного радиационного охлаждения могут быть модифицированы так, чтобы они были самоадаптирующими для температурно-зависимого «переключения» с охлаждения на нагрев или, другими словами, для полномасштабного терморегулирования. Этого можно достичь путем переключения теплового излучения поверхности с высокого на низкое значение. Приложения ограничены тестированием, а коммерчески доступные самопереключающиеся PDRC находятся в стадии исследований и разработок.

Термоэлектрическая генерация

В сочетании с термоэлектрическим генератором пассивная дневная поверхность радиационного охлаждения может использоваться для выработки электроэнергии в дневное и ночное время, хотя вырабатываемая мощность в ходе испытаний была относительно низкой. Исследования и разработки являются предварительными.

Охлаждение автомобилей и теплиц

Термически закрытые помещения, включая автомобили и теплицы , особенно подвержены вредному повышению температуры, особенно в экстремальные погодные условия. Это связано с большим количеством окон, которые «прозрачны» для входящей солнечной радиации, но «непрозрачны» для исходящего длинноволнового теплового излучения, что приводит к их быстрому нагреванию. Температура автомобиля под прямыми солнечными лучами может подняться до 60–82ᵒC при температуре окружающего воздуха всего 21ᵒC. Это накопление тепла «может вызвать тепловой удар и гипертермию у пассажиров, особенно детей», которые можно облегчить с помощью пассивного радиационного охлаждения.

Сбор воды

Урожайность сбора росы может быть повышена за счет применения пассивного дневного радиационного охлаждения. Селективные излучатели PDRC, имеющие высокую излучательную способность только в атмосферном окне (8–13 мкм), и широкополосные излучатели могут давать разные результаты. В одном исследовании с использованием широкополосного PDRC было получено «~8,5 мл воды в день на 800 Вт м2 пиковой солнечной интенсивности». Хотя селективные излучатели могут быть менее выгодными в других контекстах, они могут быть более выгодными для приложений по сбору росы. PDRC могли бы улучшить сбор атмосферной воды за счет объединения с системами генерации солнечного пара для повышения скорости сбора воды.

Водяное и ледяное охлаждение

Пассивные дневные поверхности радиационного охлаждения могут быть установлены над поверхностью водоема для охлаждения. В контролируемом исследовании водоём охлаждался на 10,6°С ниже температуры окружающей среды с помощью фотонного излучателя.

Поверхности PDRC были разработаны для охлаждения льда и предотвращения его таяния под воздействием солнечного света. Это было предложено как устойчивый метод защиты от льда. Это можно применять для защиты замороженных или охлажденных продуктов от порчи.

Нежелательные побочные эффекты

Джереми Мандей пишет, что, хотя «неожиданные последствия, вероятно, возникнут» при глобальном внедрении PDRC, «эти структуры могут быть удалены немедленно, если это необходимо, в отличие от методов, которые включают рассеивание твердых частиц в атмосферу, которое может сохраняться десятилетиями». Ван и др. заявляют, что выброс стратосферных аэрозолей «может вызвать потенциально опасные угрозы для основных климатических операций Земли», которые могут быть необратимыми, отдавая предпочтение PDRC. Зевенховен и др. заявляют, что «вместо инъекции стратосферного аэрозоля (SAI), осветления облаков или большого количества зеркал в небе («солнечная геоинженерия») для блокировки или отражения приходящего (коротковолнового, SW) солнечного излучения , длинноволнового (LW) ) тепловое излучение может избирательно испускаться и передаваться через атмосферу в космос».

«Переохлаждение» и модуляция PDRC

Модификация PDRC диоксидом ванадия (на фото) может обеспечить температурное «переключение» с охлаждения на нагрев, чтобы смягчить эффект «переохлаждения».

«Переохлаждение» упоминается как побочный эффект PDRC, который может быть проблематичным, особенно когда PDRC применяются в густонаселенных районах с жарким летом и прохладной зимой, характерными для зон с умеренным климатом . Хотя применение PDRC в этих районах может быть полезно летом, зимой оно может привести к увеличению потребления энергии на отопление и, таким образом, может снизить преимущества PDRC по экономии энергии и выбросам. По словам Чена и др., «чтобы решить эту проблему, были разработаны динамически переключаемые покрытия, предотвращающие переохлаждение зимой или в холодных условиях».

Вред от переохлаждения можно уменьшить за счет модуляции PDRC, используя их пассивные возможности охлаждения летом и модифицируя их для пассивного обогрева зимой. Модуляция может включать «переключение коэффициента излучения или отражения на низкие значения зимой и на высокие значения в теплый период». В 2022 году Хан и др. пришли к выводу, что «недорогие оптически модулированные» PDRC «находятся в стадии разработки» и «ожидается, что они скоро будут коммерчески доступны на рынке с высоким будущим потенциалом для снижения городского тепла в городах, не приводя к штрафам за переохлаждение в холодные периоды».

Существуют различные способы сделать PDRC «переключаемыми» для предотвращения переохлаждения. В большинстве исследований использовался диоксид ванадия (VO2), неорганическое соединение , для достижения «переключаемого» эффекта охлаждения и нагрева в зависимости от температуры. Хотя, по словам Хана и др., разработка VO2 сложна, их обзор показал, что «недавние исследования были сосредоточены на упрощении и улучшении расширения методов для различных типов приложений». Чен и др. обнаружили, что «много усилий было посвящено покрытиям VO2 для переключения среднего инфракрасного спектра , и лишь в нескольких исследованиях сообщалось о переключаемой способности термозависимых покрытий в солнечном спектре». Переключение в зависимости от температуры не требует дополнительных затрат энергии для достижения как охлаждения, так и нагрева.

Другие методы «переключения» PDRC требуют дополнительных затрат энергии для достижения желаемых эффектов. Один из таких методов предполагает изменение диэлектрической среды . Это можно сделать путем «обратимого смачивания» и сушки поверхности PDRC обычными жидкостями, такими как вода и спирт . Однако для того, чтобы это было реализовано в массовом масштабе, «в реальных приложениях следует учитывать рециркуляцию и утилизацию рабочих жидкостей, а также герметичность циркуляционного контура».

Другой метод включает «переключение» посредством механической силы, что может быть полезно и «широко исследовано в полимерных покрытиях [PDRC] из-за их растяжимости». В этом методе «для достижения переключаемого покрытия в εLWIR можно приложить механическое напряжение/деформацию к тонкой пленке ПДМС, состоящей из решетки ПДМС и внедренных наночастиц ». По оценкам одного исследования, с использованием этого метода «в США можно сэкономить 19,2% энергии, используемой для отопления и охлаждения, что в 1,7 раза выше, чем при единственном режиме охлаждения, и в 2,2 раза выше, чем при единственном режиме обогрева». ", что может вдохновить на дополнительные исследования и разработки.

Яркость и внешний вид

Блики, вызванные поверхностями с высоким коэффициентом отражения солнечной энергии, могут создавать проблемы с видимостью, которые могут ограничить применение PDRC, особенно в городских условиях на уровне земли. PDRC, которые используют «систему рассеяния» для создания более рассеянного отражения, были разработаны и «более благоприятны в реальных приложениях», согласно Лину и др.

Также были разработаны недорогие цветные лакокрасочные покрытия PDRC, которые уменьшают блики и увеличивают цветовое разнообразие поверхностей PDRC. Хотя часть солнечного отражения поверхности теряется в спектре видимого света, цветные PDRC все же могут демонстрировать значительную охлаждающую способность, как, например, покрытие Чжай и др., в котором использовалось α- Покрытие Bi ₂ O ₃ (напоминающее цвет соединения) для создания нетоксичной краски, демонстрирующей коэффициент отражения солнечной энергии 99% и коэффициент теплоизлучения 97%.

Обычно отмечается, что существует компромисс между потенциалом охлаждения и более темными поверхностями. Цветные PDRC с меньшей светоотражающей способностью также можно наносить на стены, тогда как белые PDRC с более высокой светоотражающей способностью можно наносить на крыши, чтобы увеличить визуальное разнообразие вертикальных поверхностей, но при этом способствовать охлаждению.

История

Способность сахарского серебряного муравья снижать температуру своего тела в сильную жару вдохновила PDRC на ранние исследования.

Ночное пассивное радиационное охлаждение было признано на протяжении тысячелетий, и записи, свидетельствующие об осведомленности древних иранцев , продемонстрированы посредством строительства Яхчалса с 400 г. до н.э.

Гипотеза о пассивном дневном радиационном охлаждении была выдвинута Феликсом Тромбом в 1967 году. Первая экспериментальная установка была создана в 1975 году, но оказалась успешной только для ночного охлаждения. Дальнейшие разработки по обеспечению дневного охлаждения с использованием различных составов материалов не увенчались успехом.

В 1980-х годах Лусику и Гранквист определили инфракрасное окно как потенциальный способ доступа в ультрахолодное космическое пространство и способ достижения пассивного дневного охлаждения.

Ранние попытки разработки материалов для пассивного радиационного охлаждения в дневное время черпали вдохновение из природы, особенно из сахарских серебряных муравьев и белых жуков, отмечая, как они охлаждаются в сильную жару.

Исследования и разработки в области пассивного дневного радиационного охлаждения быстро развивались в 2010-х годах с открытием способности подавлять солнечное нагревание с помощью фотонных метаматериалов, что широко расширило исследования и разработки в этой области.

Коммерциализация технологий пассивного дневного радиационного охлаждения находится на ранней стадии развития.

См. также

• Альбедо
• Коэффициент излучения
• Энергосбережение
• Низкоэнергетическое здание
• Пассивное охлаждение
• Пассивный дом
• Проект пассивного солнечного здания
• Радиационное охлаждение
• Устойчивый город
• Городской остров тепла
• Здание с нулевым энергопотреблением