來源|Science

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背景介紹

預計到 2050 年，與制冷相關的溫室氣體排放量將增加五倍，由于生活水平提高（尤其是在氣候潮濕的國家）和地球持續整體變暖的結合。需要有效冷卻的替代方法來滿足這些需求。盡管正在進行大量努力以更普遍地提高冷卻的能源效率，但通過觀察冷表面上出現的小水滴發現了一個潛在的重要策略。大多數人都經歷過這個過程，從空調形成的冷凝水到從冰箱中取出的冷飲。盡管傳統冷水機的效率越來越高，但整合被動輻射冷卻策略（將天空用作冷水槽）不僅可以提高性能，還可以生產淡水。

然而，水蒸氣冷凝過程的效率是一個很大障礙。一個被稱為性能系數（COP）的既定品質因數代表了產生的有用冷卻能量與提供的功的比值。一般而言，冷水機的COP取決于熱端（TC）和冷端（TE）之間的溫度差。空調需要空氣除濕，但水蒸氣結露會引入更大的溫差，從而降低了COP。這可能需要重新定義這個過程中的濕度管理。

通過關注主要由空氣中的水分離驅動的空氣-水-能源關系，可以實現協同和多功能效應。從空氣中抽取水蒸氣實現空氣除濕，同時還創造淡水源。幾項研究已經證明，通過將潛能與顯熱冷卻解耦，能效提高了兩倍以上，主要是在潮濕的氣候條件下。將水蒸氣捕獲過程從顯熱冷卻中分離出來引發了一個相關問題，即促進高效冷卻和淡水生成的兩用設備的可行性。盡管設備的雙重性質在炎熱和潮濕地區的經濟和性能效率方面相對簡單，但在炎熱和干燥的地方部署這些系統存在嚴峻挑戰。

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成果掠影

近日，上海交通大學王如竹教授在《Science》發表評述“Sustainable cooling with water generation”介紹了一種被動輻射冷卻策略(將天空用作冷水槽)，

這種策略不僅有助于冷卻，也可能有助于解決世界上許多地區的缺水問題。干旱地區通常在晴朗的天空條件下擁有充足的自然陽光，這提供了一種可持續的方式來增加或減少材料相對于環境的內能。濕材料的高溫會加速干燥過程，同時水蒸氣會釋放到環境中。相比之下，根據菲克定律，吸濕性多孔材料由于水濃度差異而從大氣中捕獲水，從而促進了該過程的可逆性。2017 年，一項概念驗證表明，通過使用多孔金屬有機框架，可以在室外干旱條件下從空氣中收集水分。在短短幾年內，大氣水收集取得了長足的進步，從晝夜設備到每天使用多個周期的設備，即使在沙漠環境中，不僅通過吸附劑-干燥劑而且使用白天輻射天空冷卻材料迅速匯聚到連續運行的設備。通過重新設計現有設備而不是重新發明材料，可以潛在地實現具有冷卻功能的現有集水器的兩用功能。

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圖文導讀

吸濕性吸附材料從室外空氣中捕獲水蒸氣，同時還通過熱泵或輻射冷卻器降低空氣溫度。飽和后，吸附劑材料通過使用太陽熱能或熱泵進行再生。放出的高溫水蒸氣結露。潮濕的室內廢氣和環境空氣中的水蒸氣也是水源，后者（環境空氣中的水蒸氣）在夜間通過使用輻射屋頂涂層進行結露。兩用設備的連續運行依賴于太陽能蓄熱。由于白天的大氣窗口（8 至 13 μm），輻射天空冷卻材料持續提供冷卻效果。

干旱地區降溫制水兩用裝置

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