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由于生活水平的提高，特别是气候潮湿的国家的生活水平提高，以及地球整体温室效应，预计到2050年，与制冷相关的温室气体排放量将增加五倍。为了满足这些需求，需要有效冷却的替代方法。尽管人们正在努力提高冷却的能源效率，但通过观察冷表面上出现的小水滴，发现了一个潜在的重要策略，即将天空用作冷水池，集成被动辐射冷却策略不仅可以提高性能，还可以产生淡水。这将有助于控制温室效应，有助于解决世界许多地区的水资源短缺问题。基于此，上海交通大学Primož Poredoš和Ruzhu Wang针对该策略发表观点文章。观点以《Sustainable cooling with water generation》题发表在Science上。
水蒸气露珠工艺效率低，存在较大的障碍。性能系数(COP)代表了产生的有用冷却能量与提供的功的比率[COP = Qcool(TE)/W(TE,TC)]。一般来说，冷水机组的COP取决于热侧(TC)和冷侧(TE)之间的温差。而空调需要空气除湿，但水汽露带来较大的温差，降低COP，需要重新定义湿度管理。通过关注空气-水-能量关系，主要由水与空气分离驱动，可以实现协同和多功能效果。从空气中抽出水蒸气，实现空气除湿，同时也创造了淡水的来源。通过将潜热与显冷解耦，能效提高了两倍以上，主要在潮湿气候条件下（图1）。在湿热地区，设备的双重性质在经济和性能效率方面相对简单，但在炎热干燥地区部署这些系统存在严峻挑战。
图 1：一种新型干燥剂增强型DX热泵的结构和运行模式示意图（Sci. Rep. 7, 40437 (2017).）干旱地区通常在晴朗的天空条件下有充足的自然阳光，提供了一种可持续的方式来增加或减少材料相对于环境的内部能量。潮湿材料的高温加速了干燥过程，水蒸气被释放到环境中，这个过程的可逆性是由吸湿性多孔材料促进的，这些材料由于水的浓度差异而从大气中捕获水。在室外干旱条件下，通过使用多孔金属有机框架从空气中收集水。目前，大气水收集已经取得了长足的进步，从日间设备到每天使用多个周期的设备，即使在沙漠环境中也是如此（图2）。不仅通过吸收-干燥剂，而且还使用日间辐射天空冷却材料，迅速融合到连续运行的设备，实现具有冷却能力的现有水收集器的双重用途。
图2：快速循环连续SAWH装置（Energy Environ. Sci. 14, 5979 (2021).）由于固有的材料和传热特性，干旱地区的可持续冷却需要两步方法(图3)。吸附剂在亚环境温度降低室外空气温度，同时促进水捕获，最终在冷却和除湿的空气。由于吸附过程会产生热量，因此可以通过辐射冷却或基于干燥剂的热泵带走显热和吸附热。后一种装置具有从蒸发器处理过的空气中吸附水分的能力，引入了冷却-吸附除湿，从而实现舒适的空调。通过利用固有的热泵能力，同时冷却和加热能源生产，冷凝热作为副产品不会浪费，而是在降低的温度下用于加热-解吸过程。升高的蒸发(TE→TE,HP)以及降低的冷凝(TC→TC,HP)温度对COP产生了积极的影响。因此，传统空调设备中低温蒸发冷却(冷凝除湿)处理的潜热负荷可以通过基于吸附技术的系统来管理，其中吸附材料可以通过太阳能加热或热泵冷凝热量来再生，对设备性能产生积极影响。
太阳能与热能储存技术的进步相结合是另一种潜在的能源，能够以连续的方式将储存在吸收材料中的水喷射出来。收集液体形式的水的最后一步是通过高温水蒸气和散热器之间的热通道(QV,C)建立，由热泵(QC,HP)或辐射冷却器(QC,RC)的环境剩余冷却能力提供服务。太阳能收割机可以在水的产生中发挥重要作用。在干燥地区，屋顶上部署的辐射涂层通常会有所帮助，并且会减轻两用设备或建筑物的传统空调的一些负担，夜间冷却需求的降低为利用光子流向外太空提供液态水提供了一个有效的解决方案(图4)。此外，在极度干燥的环境条件下，大量回收带有人类或其他湿源潜热负荷的室内废气作为一种不同的水源出现。这种空气湿度回收技术已经被用于航天器或空间站，为宇航员提供长达数月或全年的供水。
图4：地球表面的辐射热流示意图（Science 370, 786 (2020).）全年变化的环境和室内条件需要灵活的策略来考虑设备的适应性。如在温度下精确调节MOF的逐步位置，显示出在相对湿度降至10%的恶劣环境条件下运行的前景。由于蒸发温度的直接调节，这种方法似乎适用于干燥剂热泵。此外，在微观和纳米尺度上，对吸附剂孔隙体积的实时控制可以带来可调的吸水行为和解吸温度。相比，辐射涂层可以潜在地利用可切换的温度调制热发射度，扩展两用设备的使用场景，提供全年的热舒适（图5）。此外，应在干旱和半干旱地区对双重用途装置进行全球评价，以明确显示广泛部署的潜力。广泛实施双重用途办法可能会遇到各种挑战。其中之一是由于相对湿度较低导致吸附剂捕获水的潜力下降。提高吸附剂吸附速率和动力学的有效方法是使用复合材料，并调节蒸发温度。通过结合这些材料和系统级策略，吸附剂吸附水的潜力可以大大提高。相比之下，大气中较低的水分含量可以改善辐射天空冷却材料的性能。由于在一个单一的两用设备中使用大气集水的可持续冷却与多种技术相结合，因此需要特别努力寻找具有商业吸引力的最佳解决方案，以及可持续生活的低碳途径。
Primož Poredoš 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
