特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。現存問題
由于生活水平的提高，特別是氣候潮濕的國家的生活水平提高，以及地球整體溫室效應，預計到2050年，與制冷相關的溫室氣體排放量將增加五倍。為了滿足這些需求，需要有效冷卻的替代方法。盡管人們正在努力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，即將天空用作冷水池，集成被動輻射冷卻策略不僅可以提高性能，還可以產生淡水。這將有助于控制溫室效應，有助于解決世界許多地區的水資源短缺問題?；诖?，上海交通大學Primo? Poredo?和Ruzhu Wang針對該策略發表觀點文章。觀點以《Sustainable cooling with water generation》題發表在Science上。
水蒸氣露珠工藝效率低，存在較大的障礙。性能系數(COP)代表了產生的有用冷卻能量與提供的功的比率[COP = Qcool(TE)/W(TE,TC)]。一般來說，冷水機組的COP取決于熱側(TC)和冷側(TE)之間的溫差。而空調需要空氣除濕，但水汽露帶來較大的溫差，降低COP，需要重新定義濕度管理。通過關注空氣-水-能量關系，主要由水與空氣分離驅動，可以實現協同和多功能效果。從空氣中抽出水蒸氣，實現空氣除濕，同時也創造了淡水的來源。通過將潛熱與顯冷解耦，能效提高了兩倍以上，主要在潮濕氣候條件下（圖1）。在濕熱地區，設備的雙重性質在經濟和性能效率方面相對簡單，但在炎熱干燥地區部署這些系統存在嚴峻挑戰。
圖 1：一種新型干燥劑增強型DX熱泵的結構和運行模式示意圖（Sci. Rep. 7, 40437 (2017).）干旱地區通常在晴朗的天空條件下有充足的自然陽光，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部能量。潮濕材料的高溫加速了干燥過程，水蒸氣被釋放到環境中，這個過程的可逆性是由吸濕性多孔材料促進的，這些材料由于水的濃度差異而從大氣中捕獲水。在室外干旱條件下，通過使用多孔金屬有機框架從空氣中收集水。目前，大氣水收集已經取得了長足的進步，從日間設備到每天使用多個周期的設備，即使在沙漠環境中也是如此（圖2）。不僅通過吸收-干燥劑，而且還使用日間輻射天空冷卻材料，迅速融合到連續運行的設備，實現具有冷卻能力的現有水收集器的雙重用途。
圖2：快速循環連續SAWH裝置（Energy Environ. Sci. 14, 5979 (2021).）由于固有的材料和傳熱特性，干旱地區的可持續冷卻需要兩步方法(圖3)。吸附劑在亞環境溫度降低室外空氣溫度，同時促進水捕獲，最終在冷卻和除濕的空氣。由于吸附過程會產生熱量，因此可以通過輻射冷卻或基于干燥劑的熱泵帶走顯熱和吸附熱。后一種裝置具有從蒸發器處理過的空氣中吸附水分的能力，引入了冷卻-吸附除濕，從而實現舒適的空調。通過利用固有的熱泵能力，同時冷卻和加熱能源生產，冷凝熱作為副產品不會浪費，而是在降低的溫度下用于加熱-解吸過程。升高的蒸發(TE→TE,HP)以及降低的冷凝(TC→TC,HP)溫度對COP產生了積極的影響。因此，傳統空調設備中低溫蒸發冷卻(冷凝除濕)處理的潛熱負荷可以通過基于吸附技術的系統來管理，其中吸附材料可以通過太陽能加熱或熱泵冷凝熱量來再生，對設備性能產生積極影響。
太陽能與熱能儲存技術的進步相結合是另一種潛在的能源，能夠以連續的方式將儲存在吸收材料中的水噴射出來。收集液體形式的水的最后一步是通過高溫水蒸氣和散熱器之間的熱通道(QV,C)建立，由熱泵(QC,HP)或輻射冷卻器(QC,RC)的環境剩余冷卻能力提供服務。太陽能收割機可以在水的產生中發揮重要作用。在干燥地區，屋頂上部署的輻射涂層通常會有所幫助，并且會減輕兩用設備或建筑物的傳統空調的一些負擔，夜間冷卻需求的降低為利用光子流向外太空提供液態水提供了一個有效的解決方案(圖4)。此外，在極度干燥的環境條件下，大量回收帶有人類或其他濕源潛熱負荷的室內廢氣作為一種不同的水源出現。這種空氣濕度回收技術已經被用于航天器或空間站，為宇航員提供長達數月或全年的供水。
圖4：地球表面的輻射熱流示意圖（Science 370, 786 (2020).）全年變化的環境和室內條件需要靈活的策略來考慮設備的適應性。如在溫度下精確調節MOF的逐步位置，顯示出在相對濕度降至10%的惡劣環境條件下運行的前景。由于蒸發溫度的直接調節，這種方法似乎適用于干燥劑熱泵。此外，在微觀和納米尺度上，對吸附劑孔隙體積的實時控制可以帶來可調的吸水行為和解吸溫度。相比，輻射涂層可以潛在地利用可切換的溫度調制熱發射度，擴展兩用設備的使用場景，提供全年的熱舒適（圖5）。此外，應在干旱和半干旱地區對雙重用途裝置進行全球評價，以明確顯示廣泛部署的潛力。廣泛實施雙重用途辦法可能會遇到各種挑戰。其中之一是由于相對濕度較低導致吸附劑捕獲水的潛力下降。提高吸附劑吸附速率和動力學的有效方法是使用復合材料，并調節蒸發溫度。通過結合這些材料和系統級策略，吸附劑吸附水的潛力可以大大提高。相比之下，大氣中較低的水分含量可以改善輻射天空冷卻材料的性能。由于在一個單一的兩用設備中使用大氣集水的可持續冷卻與多種技術相結合，因此需要特別努力尋找具有商業吸引力的最佳解決方案，以及可持續生活的低碳途徑。
Primo? Poredo? and Ruzhu Wang. Sustainable cooling with water generation.Science (2023) 380: 4458-459.DOI：10.1126/science.add179https://www.science.org/doi/10.1126/science.add1795
