輻射-蒸發(fā)集成式被動(dòng)冷卻木材的設(shè)計(jì)與性能研究

中圖分類(lèi)號(hào)：S776.05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.7525/j.issn.1006-8023.2025.03.014

Abstract：Inorder tosolve theproblemsofconventionalradiativecoling devices limitedbythetheoretical cooling power limit of and by the inhibition of radiant power by low-temperature condensate on the radiant surface and the intrinsic waterunder high humidityconditions，anasymmetricfunctional structuredesign basedonunidirectionalliquid transport proposes a passvelycooled wood（REW）with radiative refrigeration and evaporative cooling integrated in series.The wood isdelignified byasodium chloritesolution toenhance its hydrophilicity；thenahydrophobic silica/ epoxysolution withhighreflectivityand infrared emisson properties iscoatedonthetopof thehydrophilic woodtoforma hydrophobicradiativecolinglayer，while the hydrophilic woodat thebottomservesasanevaporative coling layer.By virtueof the asymmetric weting design withunidirectional watertransport，low-temperature condensatecanbespontaneouslytransported through theradiation-cooling layertotheevaporative-colinglayer forevaporativecoling，whereas the native water intheevaporative-colinglayeris unable topassthrough theradiation-coolinglayertoinhibitradiation.As a result，basedonthetandem integrationofradiant-evaporativecoling，theREWachieves a maximumcooling powerof （20 during daytime，and even at high humidity of 80 % ，which is more than 2.8 times higher than that ofradiantcooling alone.The potential application of REW inenergy-efficientcoolingof buildings is demonstrated through building models，providing auniversal optimisation strategyforexpanding the practical applicationof passive cooling and new insights into the functional utilisation of wood resources.

Keywords：Radiative cooling；evaporative cooling；integrated；unidirectional water transfer；wood

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全球變暖與能源短缺等問(wèn)題快速加劇[1-2]。國(guó)際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，2022年全球冷卻系統(tǒng)共消耗電力約 ，間接產(chǎn)生了約10億t二氧化碳排放。而空調(diào)與相關(guān)冷卻設(shè)備的使用是其中的主要能源消耗來(lái)源之一。與傳統(tǒng)的能源消耗型冷卻方式不同，輻射冷卻[4蒸發(fā)冷卻等被動(dòng)冷卻方式無(wú)須能源輸入即可提供顯著的制冷量，為解決能源一冷卻關(guān)系問(wèn)題提供了一種極具吸引力的可行途徑。

在過(guò)去幾年中，通過(guò)超材料[5]、聚合物材料[6-7]、光子結(jié)構(gòu)[8]和界面微結(jié)構(gòu)[9-10]等先進(jìn)的材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，日間最大輻射冷卻功率已經(jīng)超過(guò) 。然而，夜間、雨天等高濕度條件下低溫輻射表面冷凝水的形成限制了其實(shí)際冷卻性能[12]。更重要的是， 的固有理論冷卻功率極限被認(rèn)為是阻礙輻射冷卻進(jìn)一步擴(kuò)展的主要障礙[13]。此外，水基蒸發(fā)冷卻[14]作為另一種主要的被動(dòng)冷卻策略，基于水的蒸發(fā)相變可提供數(shù)倍于輻射冷卻的制冷功率。但持續(xù)的供水需求增加了其系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度并限制了使用范圍。最近，一些工作通過(guò)將輻射冷卻與蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)集成[15-16]，并通過(guò)自吸濕設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水的自供給，協(xié)同冷卻功率遠(yuǎn)超單輻射冷卻理論極限。然而，當(dāng)前研究大多只是將2種冷卻策略簡(jiǎn)單組裝[17-18]，忽略了冷凝水與蒸發(fā)冷卻層中本體水對(duì)輻射冷卻層的抑制作用。此外，當(dāng)前的蒸發(fā)-輻射集成式冷卻系統(tǒng)主要以水凝膠等材料為基底，高昂的成本、復(fù)雜的工藝以及較差的機(jī)械強(qiáng)度與耐久度等問(wèn)題限制了廣泛應(yīng)用。

木材是一種豐富的環(huán)?？稍偕Y源[19-23]，天然的各向異性使其具有良好的水傳輸特性與機(jī)械性能[24]。為此，本研究提出了一種基于單向水輸運(yùn)的輻射-蒸發(fā)集成式被動(dòng)冷卻木材（REW）。REW的結(jié)構(gòu)由2層組成，第1層為頂部的疏水性輻射冷卻層，第2層為底部的親水性蒸發(fā)冷卻層。這種簡(jiǎn)單的集成策略不僅增強(qiáng)了輻射-蒸發(fā)冷卻兩者協(xié)同，還實(shí)現(xiàn)了液體的單向傳輸。冷凝液滴可自發(fā)穿過(guò)輻射冷卻層傳輸至蒸發(fā)冷卻層，而蒸發(fā)冷卻層的本體水無(wú)法透過(guò)輻射冷卻層，解決了冷凝水與本體水對(duì)輻射層的影響。最終，REW在晴朗日間的最大冷卻功率達(dá)到 。即使在 8 0 % 相對(duì)濕度的陰天模擬條件下，REW的冷卻功率也超過(guò)單一輻射制冷2.8倍以上，達(dá)到了 ，超過(guò)了輻射冷卻理論冷卻功率極限。此外，實(shí)際演示顯示了該集成式被動(dòng)冷卻策略在建筑節(jié)能熱管理中的應(yīng)用潛力。本研究為開(kāi)發(fā)環(huán)保、低成本與可持續(xù)的被動(dòng)冷卻器件提供了借鑒，同時(shí)為木材在節(jié)能冷卻領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

巴沙木 （ 5 0 m m×5 0 m m×1 0 m m） ，購(gòu)于廣州市奇高輕木貿(mào)易有限公司；亞氯酸鈉（ 、冰乙酸（ 、無(wú)水乙醇（ 和環(huán)氧樹(shù)脂L 均為分析純或化學(xué)純，購(gòu)于哈爾濱市道外區(qū)永昌化玻儀器經(jīng)銷(xiāo)站；疏水二氧化硅 購(gòu)于河北邢臺(tái)瑞江金屬材料有限公司。

1. 2 木材的去木質(zhì)素處理

首先配置 2 . 5 % 的亞氯酸鈉溶液，并用冰乙酸調(diào)整 至4，將巴沙木置于溶液中并用加熱臺(tái)加熱至 保持 。用去離子水清洗多次以去除雜質(zhì)。最后放入冷凍干燥機(jī)中干燥 1 2 h 。

1.3 REW的制備工藝

REW制備材料占比因材料特性而存在差異，親疏水層比例對(duì)于REW的冷卻性能具有較大影響。將去木質(zhì)素處理后的木材用透明膠帶包裹，僅暴露其橫截面。接著，將 3 % 的疏水二氧化硅 溶解于無(wú)水乙醇中，并與環(huán)氧樹(shù)脂按1：1比例混合，得到均勻的溶液。然后，將該溶液磁力攪拌 3 0 m i n 。最后，在0 . 1 M P a 的真空壓力下，將疏水溶液在木材表面浸漬1 2 h 。

1.4 REW的表征分析

通過(guò)掃描電子顯微鏡（JSN-7500F）對(duì)所制備冷卻木材的外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。利用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試樣品的UV-NIR光譜特性。利用紅外光譜儀（NicoletiS50）對(duì)所有樣品的傅立葉紅外光譜（FT-IR）進(jìn)行測(cè)試分析，分析范圍為 。

1. 5 REW制冷性能測(cè)試

將REW置于自制的亞克力箱體中，通過(guò)濕度計(jì)（UT333S）調(diào)控不同的相對(duì)濕度（RH）環(huán)境。使用氙氣燈（CEL-SA500/350）模擬太陽(yáng)輻射，并利用電子天平測(cè)量REW的水分捕獲與蒸發(fā)性能。室內(nèi)和室外試驗(yàn)裝置采用聚氨酯泡沫、鋁箔和亞克力板進(jìn)行制備，同時(shí)使用熱電偶、光強(qiáng)計(jì)和濕度計(jì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 設(shè)計(jì)與原理

本研究制備了一種輻射-蒸發(fā)集成式被動(dòng)冷卻木材（REW），其制備流程如圖1所示。首先，對(duì)木材進(jìn)行脫木質(zhì)素處理，使木材內(nèi)部富含極性羥基的纖維素結(jié)構(gòu)暴露以增強(qiáng)木材整體親水性。然后將 環(huán)氧樹(shù)脂疏水溶液涂覆在脫木質(zhì)素木材頂部，通過(guò)真空低壓浸漬在木材內(nèi)部形成具有單向水輸運(yùn)特性的不對(duì)稱(chēng)潤(rùn)濕梯度。

由圖2（a）可知，基于上述一體化結(jié)構(gòu)集成，REW由頂部的輻射冷卻層和底部的蒸發(fā)冷卻層組成。輻射冷卻層中隨機(jī)嵌入的 納米顆粒不僅可以有效反射陽(yáng)光，還在大氣透明窗口（ 8～1 3 μ m 范圍內(nèi)具有優(yōu)異的中紅外發(fā)射性能?；诖酥苽涞腞EW在反射太陽(yáng)光的同時(shí)，通過(guò)與環(huán)境進(jìn)行熱交換將室內(nèi)的溫度散發(fā)出來(lái)，從而將溫度降至環(huán)境溫度以下。然而，由圖2（b）可知，在雨天、夜間等高濕度條件下輻射冷卻層與環(huán)境之間的溫差將導(dǎo)致冷凝水的產(chǎn)生，冷凝水在日間通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行漫反射以及在天氣窗口下吸收輻射制冷器發(fā)射的熱輻射，使得輻射制冷器冷卻性能降低。值得注意的是，與單輻射冷卻木材（RW不同，REW頂部不僅不會(huì)有冷凝水堆積，冷凝水還會(huì)進(jìn)一步傳輸至蒸發(fā)冷卻層用于蒸發(fā)冷卻。與此同時(shí)，蒸發(fā)冷卻層中多余的散裝水也并不會(huì)在輻射冷卻層溢出而影響輻射冷卻性能。

圖2（c）與圖2（d）展示了REW系統(tǒng)單向水傳輸?shù)臋C(jī)制。親水的蒸發(fā)冷卻層和疏水的輻射冷卻層之間的表面能梯度產(chǎn)生馬蘭戈尼作用力，使水分子由疏水層向親水層流動(dòng)。同時(shí)，親水層內(nèi)的木材微通道通過(guò)毛細(xì)作用進(jìn)一步促進(jìn)了水分子的快速傳輸。因此，當(dāng)冷凝水形成于REW的疏水側(cè)時(shí)，受到重力和馬蘭戈尼作用力的共同作用而向下傳輸，并在親水層擴(kuò)散。相比之下，RW系統(tǒng)缺乏馬蘭戈尼作用力，疏水層的氣墊效應(yīng)則對(duì)液體產(chǎn)生排斥力，阻止其向下滲透，導(dǎo)致冷凝水在輻射冷卻表面聚集。

3結(jié)果與分析

3.1 REW表征分析

本研究采用掃描電子顯微鏡（SEM）表征了REW內(nèi)部的不對(duì)稱(chēng)潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)。由圖3（a）可知，在壓力浸漬作用下REW內(nèi)部形成明顯的親疏水區(qū)域分界。疏水區(qū)域的結(jié)構(gòu)與成分如圖3（b）與3（e）所示，疏水 緊密附著在木材通道表面，能量色散X射線譜儀（EDS）證明了SiO顆粒在其中的均勻分布。疏水輻射冷卻層的光反射和中紅外發(fā)射性能如圖3（c）所示，在 顆粒的作用下輻射層在 3 0 0～2 5 0 0n m 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均反射率達(dá)到 7 9 . 1 6 % ，平均發(fā)射率達(dá)到 8 2 . 2 4 % （ 0 . 3 ～ ，保證了優(yōu)異的輻射冷卻性能。蒸發(fā)冷卻層的微觀結(jié)構(gòu)由圖3（d）可知，其內(nèi)部通道暢通且無(wú)KH570- 附著，保證了親水特性與毛細(xì)作用力。由圖3（f）可知，在蒸發(fā)冷卻層的加持下，REW表面的液滴逐漸向下透過(guò)疏水輻射冷卻層，而RW中液滴則被阻擋在表面。綜上所述，一體化串聯(lián)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了輻射冷卻與蒸發(fā)冷卻的集成，其不對(duì)稱(chēng)的Janus（具有性質(zhì)差異的材料組成的一類(lèi)結(jié)構(gòu)）潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)還實(shí)現(xiàn)了液滴單向傳輸，有效解決了輻射-蒸發(fā)集成冷卻器件中表面冷凝水積聚與蒸發(fā)冷卻層中散裝水對(duì)輻射冷卻層的抑制作用。

3.2 REW冷卻性能

為了驗(yàn)證REW冷卻器的被動(dòng)冷卻性能，通過(guò)圖4（a）的恒溫測(cè)試裝置在晴天和陰天進(jìn)行了測(cè)試。為了證明REW所具有的被動(dòng)蒸發(fā)冷卻特性，模擬了陰天高濕度條件下的水吸附與蒸發(fā)性能。由圖4（b）可知，隨著濕度增加，REW水分吸附顯著增加，而RW幾乎沒(méi)有變化。這是由于RW沒(méi)有定向水傳輸特性，水分在頂部冷凝堆積而不是吸入內(nèi)部。圖4（c）為REW與RW的蒸發(fā)性能，在 的太陽(yáng)輻照下，REW蒸發(fā)性能為 而RW的蒸發(fā)速率接近為 。證明了蒸發(fā)冷卻層具有優(yōu)異的蒸汽透過(guò)率，為被動(dòng)蒸發(fā)冷卻提供了基本條件。

由圖4（d）和圖4（e）可知，分別在晴天和陰天測(cè)試了REW與RW的冷卻性能，結(jié)果顯示晴天時(shí)REW的平均冷卻溫度約低于環(huán)境溫度 ，較RW冷卻器低了 。而即使在陰天，REW的冷卻溫度仍比RW低 ，這表明REW在晴天與陰天氣候下具有優(yōu)異的冷卻性能。由圖4（f）可知，通過(guò)測(cè)試了不同入射角度REW的冷卻性能，發(fā)現(xiàn)安裝角度對(duì)于總體冷卻功率與REW的冷卻性能影響較小。

進(jìn)一步量化了兩種冷卻器的冷卻功率，REW的最大冷卻功率超過(guò)了 ，較RW提升了 2 6 0 % 。冷

卻功率計(jì)算公式為

式中： 為凈冷卻功率； 表示輻射冷卻器的輻射功率； 表示環(huán)境輻射功率； 表示吸收陽(yáng)光的功率； 為對(duì)流和傳導(dǎo)導(dǎo)致的冷卻功率損失，高濕度或者陰天會(huì)導(dǎo)致大氣發(fā)射率的增加，從而導(dǎo)致 的顯著增加并導(dǎo)致 的減小; 為純水的蒸發(fā)冷卻能力； σ 為史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)； 為中紅外發(fā)射率； 是中紅外吸收率； 與 分別為環(huán)境的發(fā)射率與溫度； h 為環(huán)境與冷卻器之間的熱傳遞系數(shù)，形式為傳導(dǎo)與對(duì)流； 為水的蒸發(fā)焓值； m 為水的蒸發(fā)速率； θ 為蒸發(fā)系數(shù)，數(shù)值為 ，u為水上空氣的速度； 為相同條件下飽和空氣的最大濕度比； χ 為環(huán)境空氣的濕度比。

3.3 REW應(yīng)用

由圖5（a）可知，本研究搭建了建筑模型以驗(yàn)證其在建筑熱管理中的應(yīng)用潛力。模擬建筑由亞克力板組成，亞克力板外部包裹有隔熱鋁箔，內(nèi)部采用泡沫進(jìn)行隔熱處理，而建筑的頂部覆蓋了被動(dòng)冷卻木材，其尺寸為 2 0 c m×5 c m×1 c m 。圖 顯示了建筑模型在9：00一16：00的紅外溫度圖像，可以看出在太陽(yáng)照射下REW的表面溫度明顯低于RW。由圖5（c）可知，通過(guò)同步監(jiān)測(cè)戶(hù)外環(huán)境與模擬建筑內(nèi)部的溫度變化，相關(guān)研究證明了建筑內(nèi)部溫度變化與建筑內(nèi)部體積呈反相關(guān)，使用REW的模擬建筑內(nèi)部溫度相比使用RW降低了 ，進(jìn)一步驗(yàn)證了輻射-蒸發(fā)集成冷卻器件的性能優(yōu)勢(shì)與實(shí)際應(yīng)用潛力。

4結(jié)論

綜上所述，本研究基于對(duì)木材的功能化改良提出了一種輻射-蒸發(fā)集成式被動(dòng)冷卻木材，通過(guò)串聯(lián)集成設(shè)計(jì)耦合被動(dòng)蒸發(fā)冷卻，有效地解決了傳統(tǒng)單輻射冷卻器件固有冷卻功率瓶頸。在此基礎(chǔ)上，憑借非對(duì)稱(chēng)的潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)修飾實(shí)現(xiàn)了集成系統(tǒng)中液滴的單向透過(guò)，解決了高濕度條件下外部冷凝水與內(nèi)部本體水對(duì)輻射層冷卻功率的抑制問(wèn)題。戶(hù)外實(shí)際演示預(yù)示了該集成式被動(dòng)冷卻器件在建筑節(jié)能熱管理中的應(yīng)用潛力。因此，本研究為被動(dòng)冷卻器件的優(yōu)化創(chuàng)新提供了有價(jià)值的參考，也為木材功能化增值利用提供了新的啟發(fā)。

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