這台「空調」不用電：輻射降溫為城市建築送清涼

不開空調也能散熱？紐約州立大學布法羅分校的工程師們設計了一種新型裝置，藉助鋁聚合物膜吸熱，再將熱量通過特殊設計的散熱層輻射向天空，從而為建築物降溫，不需要使用電力。研究論文發表於《自然-可持續發展》期刊。

圖為輻射冷卻系統裝置。該系統通過吸收密封環境中的熱量，並將該能量通過地球大氣層散發出去，從而起到降溫效果。圖片來源：紐約州立大學布法羅分校

來源紐約州立大學布法羅分校

翻譯 李光昭

審校戚譯引

編輯 李光昭

紐約州立大學布法羅分校（University at Buffalo）的工程師們設計了一個新系統，可以幫助城市中密集的建築在不耗電的情況下達到降溫效果。在面臨全球變暖的今天，這一創新十分重要。

這一系統使用了一種特殊材料——一種廉價的鋁聚合物膜，它被安裝在一個盒子里，位於特別設計的遮光層底部。鋁聚合物膜能夠吸收盒中的空氣里的熱量，然後將其散發到大氣層中，進而進入外太空，通過這種方式保持周圍環境的涼爽。而遮光層有兩個作用，一是隔離入射的陽光，幫助減少熱量吸收，二是將鋁膜發出的熱輻射射向天空。

研究的共同第一作者 Lyu Zhou 說：「聚合物膜可以通過熱輻射散熱，保持涼爽，同時可以對周圍環境起到降溫效果。這種模式被稱為輻射降溫或被動降溫，它令人感興趣的地方在於它不需要消耗電力，不需要藉助電池或者其他任何電源，就可以實現降溫效果。」

布法羅分校電氣工程副教授甘巧強（Qiaoqiang Gan）是該研究的首席研究員，他指出：「我們這個系統的創新性之一，是它可以將熱輻射直射到空中。熱量的傳播通常是向各個方向進行的，而我們找到了一種方式，能夠將散熱過程集中到一個方向上。這使得這一冷卻系統在高樓林立的城市中可以更有效地工作。我們採用了低成本的商用材料製造這一裝置，結果顯示其降溫效果非常好。」

總體說來，工程師團隊設計的「擋板加空箱」系統高約 45.72 厘米，長寬分別約 25.4 厘米。如果用於為一座建築降溫的話，需要用多個裝置覆蓋樓頂。

這一研究於 2019 年 8 月 5 日發表於《自然--可持續發展》（Nature Sustainability）雜誌。這一國際性合作項目由布法羅的甘巧強團隊、阿卜杜拉國王科技大學 (King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）的 Boon Ooi 團隊和威斯康星麥迪遜分校 （University of Wisconsin-Madison）的於宗福（Zongfu Yu）團隊共同合作完成。同作為第一作者的，還有布法羅分校電氣工程副教授 Haomin Song，KAUST 的 Jianwei Liang。這項研究部分由美國國家科學基金會贊助完成。

為都市送清涼

這一新型被動降溫系統解決了一個很重要的問題：如何保證輻射降溫在擁擠的城市中白天的降溫效果。

Song 指出：「輻射降溫在夜晚很容易做到，因為晚上我們不會繼續接收到太陽能熱量，只需通過向外散發熱輻射進行降溫。但是在太陽照射的白天進行降溫是一個挑戰。為了應對這一情況，就需要一種不會吸收太陽能的散熱材料。我們的系統解決了這一難題。」

如果將這個散熱膜和遮光層組成的系統安裝在室外，在白天它可以使小型封閉環境中的空氣溫度最多下降 6 攝氏度，晚上溫度下降幅度最高可達 11 攝氏度。

結構創新提高降溫效果

新輻射降溫系統融入了很多有趣的光學設計特點。

其中一個關鍵元素就是聚合物—金屬薄膜，它在鋁膜上覆蓋了一層聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane）塗層。鋁膜可以反射陽光，塗層可以吸收周圍空氣中的熱量，進而散發熱量。

工程師團隊將複合薄膜安裝在一個泡沫材料盒子底部，並在盒子上方豎立一個遮光層，它的四壁向外傾斜，由可吸收太陽能的材料製成，內部還有一個倒置的錐體。這一結構設計有雙重作用：首先它可以吸收陽光，起到緩衝作用；其次，遮光層的倒方椎體結構和內部的錐體可以使熱輻射方向集中地發射到空中。

甘巧強指出：「如果你觀察過汽車前燈的話，會發現車燈通過某種結構讓光束朝向固定方向照射。我們也採用了這種設計。我們這個系統能夠調整熱輻射的方向，提升向天空散熱的效率。而通過控制熱輻射的方向，我們提高了降溫系統在建築密集的環境下的工作表現。」

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