具有日間輻射/蒸發制冷、夜間大氣捕水、隔熱功能的雙層制冷器用于高性能、可持續的日間被動式制冷

2024年4月，華南理工大學孫大文院士團隊在國際期刊Chemical Engineering Journal（Top，IF=15.1）發表題爲“Cactus-Inspired Bilayer Cooler for High-Performance and Long-Term Daytime Passive Cooling”的研究性論文，孫大文院士爲本文唯一通訊作者，徐亮博士研究生爲第一作者。

在過去的一個世紀裏，傳統的機械壓縮制冷系統推動了食品工業的發展。但其耗電量大、造成溫室氣體的排放，促進了全球能源短缺與溫室效應。以日間輻射制冷與蒸發制冷相耦合的被動式制冷技術因其無需耗電即可實現制冷的特點，有望緩解能源短缺與溫室氣體排放的問題。受沙漠的仙人掌啓發，本文開發了一種具有日間輻射/蒸發制冷、夜間大氣捕水、隔熱功能的雙層制冷器。其中，該制冷器由頂層的氣凝膠與底層的水凝膠組成。氣凝膠既可實現日間輻射制冷，又可通過隔熱性能減少環境熱量對制冷器的影響，提升了制冷器的制冷性能。水凝膠作爲儲水容器，在日間高溫實現蒸發制冷，在夜間實現大氣捕水，可爲下一次日間制冷提供足夠的水分，從而實現可持續的制冷方式。戶外試驗表明，雙層制冷器的制冷性能均高于單一氣凝膠或單一水凝膠的制冷性能。

研究亮點

雙層制冷器由氣凝膠與水凝膠組成，用于日間被動式制冷。

氣凝膠可實現日間輻射制冷與隔熱性能。

氣凝膠具有良好的疏水性，可實現自清潔功能。

水凝膠可實現日間蒸發制冷與夜間大氣水分捕集功能。

雙層制冷器的蒸發制冷性能可由氣凝膠與水凝膠的厚度調控。

研究結論

氣凝膠具有高太陽反射率（~0.95）、高大氣窗口發射率（~0.94）、低導熱系數（~42 mW m-1 K-1）。

氣凝膠具有良好的疏水性（靜態水接觸角約爲138°），可在一定角度下實現雨水自清潔功能。

水凝膠具有良好的吸濕性，其夜間吸濕的水量可完全補償日間蒸發的水量。

相比于~30℃的環境溫度，由氣凝膠與水凝膠組成的雙層制冷器可降溫~8℃，制冷功率爲~222 W m-2。

隨著氣凝膠的厚度增大，雙層制冷器的制冷量下降但制冷時間延長。而隨著水凝膠的厚度增大，雙層制冷器的制冷量不變且制冷時間延長。

圖1. 雙層制冷器設計的原理圖

圖2. 雙層制冷器的制備流程圖

圖3. 氣凝膠的光譜特性、導熱系數以及孔隙率

圖4. 水凝膠的溶脹特性、吸濕特性以及制冷性能評估

圖5. 戶外現場試驗用于評估雙層被動制冷器的制冷性能

專家團隊介紹：