不需要电的空调,比常规空调更环保

2019年10月26日 23:53

根据美国国际海洋和大气管理局的数据,2019年7月是全球有史以来最热的一个月。当然,8月的数据还未出来,不然打破这项记录也不足为奇。

美国欧道明大学的气候科学家Michael Allen说:“如果你把过去20、40或100年里所有7月份的气温数据做一个排列,就能看到明显的趋势。并不是仅有一天或一个月反常,而是整体呈现长期的上升趋势”。

科学家在研究不用电的"空调",赶走夏天的炎热同时又节能环保

全球变暖、气温上升、冰川融化,对于我们已是老生常。我们能感觉到的最明显影响,莫过于电表在倒着转,电费在疯长。为了避暑降温,全球空调消耗的电力相当惊人。如美国能源部估计的数据,夏季各地的空调就已消耗了全国近15%的电力。而在像沙特阿拉伯等热带国家,空调竟消耗了高达70%的电力。

科学家在研究不用电的"空调",赶走夏天的炎热同时又节能环保

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能源短缺的事本已经挺头疼了,而除了开发新能源给空调供电外,科学家们还不得不担心空调对于降温的副作用。空调降了自己家的温度,却将更多的热量排放到了外面。因为空调并不是能凭空吞食热量的神器,它只负责将热量从室内运到室外,自身还得发热,这份热量也会被运到室外。室内的热量少了自然凉快,但更多的热量被运到了室外,外面就更待不住人了。很多人担心过不了几多年,夏天就只能呆在室内,室外都热得待不住人。所以这种“各人自扫门前雪,莫管他家瓦上霜”的消暑办法是不可持续的。

为了应对这个问题,研究人员又开发出一类被动散热的冷却设备,原理基本是“靠反射,不吸热”。当建筑部署了这类装置,温度会比环境温度低2-9℃。虽然效果不如空调明显,但这种被动散热是不耗电也不产生废热的,符合可持续发展的理念。如果跟空调联用,想必将大大减轻大家的电费压力。

方案一:多孔聚合物

科学家在研究不用电的"空调",赶走夏天的炎热同时又节能环保

哥伦比亚大学和美国阿贡国家实验室的研究人员就开发出一种特殊的聚合物“涂料”,涂在建筑物外面,干燥后就能将表面冷却到环境温度以下约6°C,而根本不消耗任何能量。

薄膜的制备过程也相当简单,只需提前配制好聚合物溶液,再使用低成本的溶液加工方法涂布溶液,溶液在室温自然干燥,就可得到多孔的聚合物薄膜。

科学家在研究不用电的"空调",赶走夏天的炎热同时又节能环保

其中的秘诀在于“相变”过程,聚合物溶液中加入了水作为反溶剂,而聚合物单独在水中是几乎不溶的。薄膜干燥过程中,溶剂挥发,慢慢只留下聚合物和水,此时聚合物会逐渐析出,而水的蒸发则使聚合物薄膜形成多孔结构。

说到多孔结构,考大家一个问题:冰是透明的,那雪为什么是白色的?

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其实雪里面的冰晶也是透明的,但除了冰晶,雪中还含有大量气泡。这些气泡使雪也具有多孔特征,使雪具备很强的反射能力。太阳光照射在雪的光,不论什么颜色全都被反射,所以雪看起来就是白色的。正因为雪具有很高的反射率,会将大量阳光反射到眼睛,即使低着头也跟直射太阳一样伤眼睛,长时间在雪地行走就容易患上“雪盲症”。

跟雪同样的道理,该团队制备的多孔聚合物也具有很好的反光效果,所以表面看上去也是白色的。正由于不吸收光线(主要是不吸收红外线),使该材料表面温度明显低于室温。

方案二:双层反射装置

科学家在研究不用电的"空调",赶走夏天的炎热同时又节能环保

布法罗大学的研究人员则开发出一款结合聚合物和金属薄膜的反射装置。该装置通过反射太阳光中的红外线,实现被动降温。更胜一筹的是,该团队已考虑到不宜将红外线反射到地面,不然就如同空调一样,只是将自己的热量扔给别人。通过特殊的光学设计,他们的装置可以将红外线垂直反射回外太空,避免热量在地面上堆积。

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装置由多个部分组成,其核心部件的反射镜则采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及金属银或金属铝。反射镜由两层构成,在金属银或铝上涂覆一层厚度超过100微米的聚二甲基硅氧烷就完成反射镜的制备。聚二甲基硅氧烷是一种综合性能很优秀的有机硅材料,无毒、价格低廉、耐高温耐腐蚀,对可见光几乎透明,但会大量吸收红外波段。聚二甲基硅氧烷的作用便是吸收波长为8-13微米范围的红外线,并由金属层反射。虽然银具有比铝更好的性能,但铝的制造成本要低得多。PDMS也是商业上可用的廉价材料,并且可采用快速生产的卷对卷工艺,使得整个方案比现有的辐射冷却技术成本上更具效益。

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这款装置在纽约布法罗进行的户外测试中的最佳冷却效果达到9℃。

以上两款方案有一个共同的特点,即材料易得和工艺简便,非常适合于大规模商业化生产。

期待这类被动散热的新方案得到应用,早日改善我们的生活。毕竟如今每个月因空调而缴纳的电费也不是小数目呢。