辐射-蒸发集成式被动冷却木材的设计与性能研究

Design and Performance Study of Radiation Evaporation Integrated Passive Cooling Wood

摘要

为解决传统辐射制冷器件受限于150 W/m²的理论冷却功率极限以及受高湿度条件下辐射表面低温冷凝水与本体水对辐射功率抑制的问题，基于单向液体传输的非对称功能结构设计提出一种辐射制冷与蒸发冷却串联集成的被动冷却木材（REW）。通过亚氯酸钠溶液对木材进行脱木质素处理，以提高其亲水性；然后将具备高反射率和红外发射性能的疏水性二氧化硅/环氧树脂溶液涂覆在亲水木材的顶部，形成疏水性辐射冷却层，而底部的亲水木材则作为蒸发冷却层。凭借单向水输运的非对称润湿设计，低温冷凝水可自发穿过辐射制冷层传输至蒸发冷却层用于蒸发冷却，而蒸发冷却层中的本体水却无法透过辐射冷却层抑制辐射。因此，基于辐射-蒸发冷却的串联集成，REW在日间的最大冷却功率达到214 W/m²。即使在80%高湿度条件下，REW的冷却功率也到达172 W/m²，较单一辐射制冷提高2.8倍以上。通过建筑模型演示REW在建筑节能冷却中的应用潜力，为拓展被动冷却的实际应用提供普适性优化策略，并为木质资源功能化利用提供新的见解。

关键词

辐射冷却 / 蒸发冷却 / 集成式 / 单向水传输 / 木材

Key words

Radiative cooling / evaporative cooling / integrated / unidirectional water transfer / wood

0 引言

随着社会经济的不断发展，全球变暖与能源短缺等问题快速加剧^[1-2]。国际能源署（IEA）数据显示，2022年全球冷却系统共消耗电力约2 100 TWh^[3]，间接产生了约10亿t二氧化碳排放。而空调与相关冷却设备的使用是其中的主要能源消耗来源之一。与传统的能源消耗型冷却方式不同，辐射冷却^[4]、蒸发冷却等被动冷却方式无须能源输入即可提供显著的制冷量，为解决能源—冷却关系问题提供了一种极具吸引力的可行途径。

在过去几年中，通过超材料^[5]、聚合物材料^[6-7]、光子结构^[8]和界面微结构^[9-10]等先进的材料与结构设计，日间最大辐射冷却功率已经超过110 W/m^2[11]。然而，夜间、雨天等高湿度条件下低温辐射表面冷凝水的形成限制了其实际冷却性能^[12]。更重要的是，150 W/m²的固有理论冷却功率极限被认为是阻碍辐射冷却进一步扩展的主要障碍^[13]。此外，水基蒸发冷却^[14]作为另一种主要的被动冷却策略，基于水的蒸发相变可提供数倍于辐射冷却的制冷功率。但持续的供水需求增加了其系统设计难度并限制了使用范围。最近，一些工作通过将辐射冷却与蒸发冷却系统集成^[15-16]，并通过自吸湿设计实现水的自供给，协同冷却功率远超单辐射冷却理论极限。然而，当前研究大多只是将2种冷却策略简单组装^[17-18]，忽略了冷凝水与蒸发冷却层中本体水对辐射冷却层的抑制作用。此外，当前的蒸发-辐射集成式冷却系统主要以水凝胶等材料为基底，高昂的成本、复杂的工艺以及较差的机械强度与耐久度等问题限制了广泛应用。

木材是一种丰富的环保可再生资源^[19-23]，天然的各向异性使其具有良好的水传输特性与机械性能^[24]。为此，本研究提出了一种基于单向水输运的辐射-蒸发集成式被动冷却木材（REW）。REW的结构由2层组成，第1层为顶部的疏水性辐射冷却层，第2层为底部的亲水性蒸发冷却层。这种简单的集成策略不仅增强了辐射-蒸发冷却两者协同，还实现了液体的单向传输。冷凝液滴可自发穿过辐射冷却层传输至蒸发冷却层，而蒸发冷却层的本体水无法透过辐射冷却层，解决了冷凝水与本体水对辐射层的影响。最终，REW在晴朗日间的最大冷却功率达到214 W/m²。即使在80%相对湿度的阴天模拟条件下，REW的冷却功率也超过单一辐射制冷2.8倍以上，达到了172 W/m²，超过了辐射冷却理论冷却功率极限。此外，实际演示显示了该集成式被动冷却策略在建筑节能热管理中的应用潜力。本研究为开发环保、低成本与可持续的被动冷却器件提供了借鉴，同时为木材在节能冷却领域中的应用提供了思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

巴沙木（50 mm×50 mm×10 mm），购于广州市奇高轻木贸易有限公司；亚氯酸钠（NaClO₂）、冰乙酸（CH₃COOH）、无水乙醇（CH₃CH₂OH）和环氧树脂（C₁₅H₁₆O₄）均为分析纯或化学纯，购于哈尔滨市道外区永昌化玻仪器经销站；疏水二氧化硅（KH570-SiO₂）购于河北邢台瑞江金属材料有限公司。

1.2 木材的去木质素处理

首先配置2.5%的亚氯酸钠溶液，并用冰乙酸调整pH至4，将巴沙木置于溶液中并用加热台加热至90 ℃保持10 h。用去离子水清洗多次以去除杂质。最后放入冷冻干燥机中干燥12 h。

1.3 REW的制备工艺

REW制备材料占比因材料特性而存在差异，亲疏水层比例对于REW的冷却性能具有较大影响。将去木质素处理后的木材用透明胶带包裹，仅暴露其横截面。接着，将3%的疏水二氧化硅（KH570-SiO₂）溶解于无水乙醇中，并与环氧树脂按1∶1比例混合，得到均匀的溶液。然后，将该溶液磁力搅拌30 min。最后，在0.1 MPa的真空压力下，将疏水溶液在木材表面浸渍12 h。

1.4 REW的表征分析

通过扫描电子显微镜（JSN-7500F）对所制备冷却木材的外观结构进行表征。利用紫外-可见分光光度计测试样品的UV-NIR光谱特性。利用红外光谱仪（Nicolet iS50）对所有样品的傅立叶红外光谱（FT-IR）进行测试分析，分析范围为2.5~25 μm。

1.5 REW制冷性能测试

将REW置于自制的亚克力箱体中，通过湿度计（UT 333S）调控不同的相对湿度（RH）环境。使用氙气灯（CEL-SA500/350）模拟太阳辐射，并利用电子天平测量REW的水分捕获与蒸发性能。室内和室外试验装置采用聚氨酯泡沫、铝箔和亚克力板进行制备，同时使用热电偶、光强计和湿度计对试验数据进行实时监测。

2 设计与原理

本研究制备了一种辐射-蒸发集成式被动冷却木材（REW），其制备流程如图1所示。首先，对木材进行脱木质素处理，使木材内部富含极性羟基的纤维素结构暴露以增强木材整体亲水性。然后将SiO₂-环氧树脂疏水溶液涂覆在脱木质素木材顶部，通过真空低压浸渍在木材内部形成具有单向水输运特性的不对称润湿梯度。

由图2（a）可知，基于上述一体化结构集成，REW由顶部的辐射冷却层和底部的蒸发冷却层组成。辐射冷却层中随机嵌入的SiO₂纳米颗粒不仅可以有效反射阳光，还在大气透明窗口（8~13 μm）范围内具有优异的中红外发射性能。基于此制备的REW在反射太阳光的同时，通过与环境进行热交换将室内的温度散发出来，从而将温度降至环境温度以下。然而，由图2（b）可知，在雨天、夜间等高湿度条件下辐射冷却层与环境之间的温差将导致冷凝水的产生，冷凝水在日间通过对太阳光进行漫反射以及在大气窗口下吸收辐射制冷器发射的热辐射，使得辐射制冷器冷却性能降低。值得注意的是，与单辐射冷却木材（RW）不同，REW顶部不仅不会有冷凝水堆积，冷凝水还会进一步传输至蒸发冷却层用于蒸发冷却。与此同时，蒸发冷却层中多余的散装水也并不会在辐射冷却层溢出而影响辐射冷却性能。

图2（c）与图2（d）展示了REW系统单向水传输的机制。亲水的蒸发冷却层和疏水的辐射冷却层之间的表面能梯度产生马兰戈尼作用力，使水分子由疏水层向亲水层流动。同时，亲水层内的木材微通道通过毛细作用进一步促进了水分子的快速传输。因此，当冷凝水形成于REW的疏水侧时，受到重力和马兰戈尼作用力的共同作用而向下传输，并在亲水层扩散。相比之下，RW系统缺乏马兰戈尼作用力，疏水层的气垫效应则对液体产生排斥力，阻止其向下渗透，导致冷凝水在辐射冷却表面聚集。

3 结果与分析

3.1 REW表征分析

本研究采用扫描电子显微镜（SEM）表征了REW内部的不对称润湿结构。由图3（a）可知，在压力浸渍作用下REW内部形成明显的亲疏水区域分界。疏水区域的结构与成分如图3（b）与3（e）所示，疏水KH570-SiO₂紧密附着在木材通道表面，能量色散X射线谱仪（EDS）证明了SiO₂颗粒在其中的均匀分布。疏水辐射冷却层的光反射和中红外发射性能如图3（c）所示，在SiO₂颗粒的作用下辐射层在300~2 500 nm波长范围内的平均反射率达到79.16%，平均发射率达到82.24%（0.3~15 μm），保证了优异的辐射冷却性能。蒸发冷却层的微观结构由图3（d）可知，其内部通道畅通且无KH570-SiO₂附着，保证了亲水特性与毛细作用力。由图3（f）可知，在蒸发冷却层的加持下，REW表面的液滴逐渐向下透过疏水辐射冷却层，而RW中液滴则被阻挡在表面。综上所述，一体化串联设计实现了辐射冷却与蒸发冷却的集成，其不对称的Janus（具有性质差异的材料组成的一类结构）润湿结构还实现了液滴单向传输，有效解决了辐射-蒸发集成冷却器件中表面冷凝水积聚与蒸发冷却层中散装水对辐射冷却层的抑制作用。

3.2 REW冷却性能

为了验证REW冷却器的被动冷却性能，通过图4（a）的恒温测试装置在晴天和阴天进行了测试。为了证明REW所具有的被动蒸发冷却特性，模拟了阴天高湿度条件下的水吸附与蒸发性能。由图4（b）可知，随着湿度增加，REW水分吸附显著增加，而RW几乎没有变化。这是由于RW没有定向水传输特性，水分在顶部冷凝堆积而不是吸入内部。图4（c）为REW与RW的蒸发性能，在1 kW/m²的太阳辐照下，REW蒸发性能为0.6 kg/（m²·h）而RW的蒸发速率接近为0 kg/（m²·h）。证明了蒸发冷却层具有优异的蒸汽透过率，为被动蒸发冷却提供了基本条件。

由图4（d）和图4（e）可知，分别在晴天和阴天测试了REW与RW的冷却性能，结果显示晴天时REW的平均冷却温度约低于环境温度7 ℃，较RW冷却器低了3 ℃。而即使在阴天，REW的冷却温度仍比RW低2.3 ℃，这表明REW在晴天与阴天气候下具有优异的冷却性能。由图4（f）可知，通过测试了不同入射角度REW的冷却性能，发现安装角度对于总体冷却功率与REW的冷却性能影响较小。

进一步量化了两种冷却器的冷却功率，REW的最大冷却功率超过了210 W/m²，较RW提升了260%。冷却功率计算公式为

P_{\mathrm{R}} = ( P_{\mathrm{R}\mathrm{W}} - P_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}} ) - P_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{n}} - P_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{v}+\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{d}}。（1）

P_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{v}+\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{d}} = {\alpha }_{\mathrm{c}}^{} \sigma {\epsilon }_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}} T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}}^{\mathrm{4}}。（2）

P_{\mathrm{R}\mathrm{W}} = \sigma {\epsilon }_{\mathrm{c}} T_{\mathrm{c}}^{\mathrm{4}}。（3）

P_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}} = {\alpha }_{\mathrm{c}} \sigma {\epsilon }_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}} T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}}^{\mathrm{4}}。（4）

P_{\mathrm{E}} = H_{\mathrm{e}\mathrm{v}} m。（5）

m = \theta ( {\chi }_{\mathrm{s}} - \chi )。（6）

P_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{W}} = ( P_{\mathrm{R}\mathrm{W}} - P_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}} ) - P_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{n}} - P_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{v}+\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{d}} + H_{\mathrm{e}\mathrm{v}} m。（7）

式中：P _R为净冷却功率；P _RW表示辐射冷却器的辐射功率；P _amb表示环境辐射功率；P _sun表示吸收阳光的功率；P _conv+cond为对流和传导导致的冷却功率损失，高湿度或者阴天会导致大气发射率的增加，从而导致P _amb的显著增加并导致P _R的减小；P _E为纯水的蒸发冷却能力；σ为史蒂芬-玻尔兹曼常数；ε _c为中红外发射率；α _c是中红外吸收率；ε _amb与T _amb分别为环境的发射率与温度；h为环境与冷却器之间的热传递系数，形式为传导与对流；H _ev为水的蒸发焓值；m为水的蒸发速率；θ为蒸发系数，数值为25+19v，v为水上空气的速度；χ _s为相同条件下饱和空气的最大湿度比；χ为环境空气的湿度比。

3.3 REW应用

由图5（a）可知，本研究搭建了建筑模型以验证其在建筑热管理中的应用潜力。模拟建筑由亚克力板组成，亚克力板外部包裹有隔热铝箔，内部采用泡沫进 行隔热处理，而建筑的顶部覆盖了被动冷却木材，其 尺寸为20 cm×5 cm×1 cm。图5（b）显示了建筑模型在9：00—16：00的红外温度图像，可以看出在太阳照射下REW的表面温度明显低于RW。由图5（c）可知，通过同步监测户外环境与模拟建筑内部的温度变化，相关研究证明了建筑内部温度变化与建筑内部体积呈反相关，使用REW的模拟建筑内部温度相比使用RW降低了3 ℃，进一步验证了辐射-蒸发集成冷却器件的性能优势与实际应用潜力。

4 结论

综上所述，本研究基于对木材的功能化改良提出了一种辐射-蒸发集成式被动冷却木材，通过串联集成设计耦合被动蒸发冷却，有效地解决了传统单辐射冷却器件固有冷却功率瓶颈。在此基础上，凭借非对称的润湿结构修饰实现了集成系统中液滴的单向透过，解决了高湿度条件下外部冷凝水与内部本体水对辐射层冷却功率的抑制问题。户外实际演示预示了该集成式被动冷却器件在建筑节能热管理中的应用潜力。因此，本研究为被动冷却器件的优化创新提供了有价值的参考，也为木材功能化增值利用提供了新的启发。

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基金资助

国家自然科学基金项目(51905085/52175266)