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【HVAC】只有想不到，没有做不到！看看暖通行业的“黑”科技~中国企业也有参与哟！

暖通空调 · 公众号 · · 2019-03-27 15:49

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行业的发展离不开技术进步，

科学家们的脑洞大开是最大的推动力！

让我们来看看高精尖的制冷空调技术及应用吧！

★ 高科技 “遮阳伞”：被动冷却系统 ★

美国麻省理工学院（MIT）的科学家们表示，他们已经研发出了一种新型冷却系统，材料价格低廉，不需要化石燃料发电。

这是一套被动式系统，可以作为传统空调和制冷系统的辅助部分，被称为高科技版“遮阳伞”。

据说，该系统可以在中红外光波范围内释放热量。之前，有很多机构尝试在中红外光波区间辐射热量的被动式冷却系统，但这些系统均以复杂的光学元件为基础，制造昂贵，不易大范围推广。与气体辐射冷却系统不同，MIT研发人员指出，他们的想法既简单又廉价。他们表示，其设计目的是可以完美地反射所有波长太阳光，并大多数情况下仅在中红外波段释放热量。这种选择性和释放性的结合需要一种多层材料，其厚度可以精确到纳米。

MIT研发人员表示，可以通过一个窄条，调整好角度，简单遮盖太阳光直射，就获得了类似的选择性。然后，利用一套由廉价塑料膜、抛光铝板、白色涂料和保温材料组成的简易设备可以满足通过中红外波长释放热量的要求，这是很多天然冷却材料常用的方法，同时还避免了阳光直射到设备。

研发人员强调，简易辐射冷却系统自古以来就被使用，以获取夜间的凉爽空气。但是，此类系统并不能在白天工作，原因在于太阳光的热效应比获取的最大冷效应高出至少10倍。

但是，在太阳光热直线传播过程中，在设备外进行基本遮盖，并辅助保温，以保护其不受环境温度的影响，这使得被动式冷却成为可能。

研发人员表示，通过该系统，空气温度可以达到比环境温度低20℃。由此，在最初的概念证明测试中，他们已经获得了6℃的冷却效果。对于需要更多冷量的实际应用，则通过传统的制冷系统或热电冷却。

空气湿度是一个限制因素，其可以阻碍一些红外热量的释放。在干燥环境中，如沙漠或贫瘠荒芜地区，可以获得更大温差。

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★ 专利技术：新型水冷辐射系统 ★

美国科罗拉多大学的研究人员成功地扩大了一种创新性水冷系统的规模，该系统可以提供昼夜连续的“辐射冷却”。他们表示，该有机-无机混合辐射冷却薄膜（或称“超级材料”）可以提升电厂夏季的效率，并为家庭、企业、公共设施和工业建筑带来更高效、环保的温度控制方式。

始于2017年的新研究展示了薄膜可以延展至13m ² ，适用于大多数屋顶。该薄膜最大的优势在于可以作为一种天然空调器，无需消耗任何电力。

机械工程系博士后、研究负责人赵栋梁（音）表示：“可以将该系统安装在独栋房屋屋顶，以满足整个家庭的空调需求。”

此类薄膜般的材料可以反射所有阳光照射，同时保温效果良好，即使在正午太阳光线强度高的情况下，也可以保证其比环境温度低。

机械工程系尹晓波（音）副教授指出：“该材料的制造成本较低，可以利用现有的制造技术，具有较大的优势。”

怀俄明大学土木工程和建筑系谭刚（音）副教授补充道：“现在我们可以将这些材料应用于屋顶，甚至还可以建造类似的大型水冷系统。与传统空调系统的高耗电相比，此类系统具有极大的优势。”

研究人员在不同室外气候条件下对系统进行了测试，包括风速、降水和湿度。2017年8~9月进行的实验表明，在12:30-15:00时间段，即一天中气温最高时，利用新型薄膜，温度可以降低6~7℃。

研究人员证明，可以利用一套蓄冷设备进行负荷转移，利用水等换热介质，稍后再释放出来。

机械工程系杨荣贵（音）教授说：“我们已经建造了一个实际运行的模型，从材料层面到系统层面迈进了一大步。”

获得专利的RadiCold模型可以为很多应用提供多样的辅助冷却解决方案，从住宅到数据中心。

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★ 冷藏运输新纪元：相变材料集装箱 ★

英国伯明翰大学与中国中车股份有限公司合作，共同开发了全球首个使用相变材料的冷藏集装箱，相比于传统设备，其操作更便捷，运行更高效。

一旦装满货物，集装箱内部的相变材料（PCM）可以确保内部温度保持在5~12℃，长达12h。在运输过程中，不需要其他电力供应，利用移动通信技术，该集装箱的位置和温度可以时时监控。

中国数家冷链物流公司表达了对该产品的浓厚兴趣。根据相关报告，与机械系统相比，该集装箱产品可以保证更稳定的温度，由此确保到达目的地时，集装箱内产品可达到预期品质。

该技术已经完成了商业试验，累计陆路35000km和铁路1000km运输实际货物，穿越不同气候区。

伯明翰大学能源储存技术中心主任、此项研究负责人丁宇隆（音）教授表示：“该创新技术标志着高效和经济的铁路和陆路冷链运输新纪元。”

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★ 首个纳米级制冷设备：三原子冰箱 ★

据报道，新加坡大学的研究人员已经研发出一台仅有3个原子大小的冰箱。

研究人员之前已经搭建了微型“热力发动机”，但量子冰箱仅在文案中存在，直到新加坡国立大学量子技术中心的团队利用原子进行冷却。

该论文发表在《自然通讯》杂志，作者之一Stefan Nimmrichter表示：“我们的装置是首个在纳米级别上实现吸收式制冷循环的。”

为研发出仅有3个原子大小的吸收式冰箱，研究人员将3个镱原子固定在抽真空的金属腔中，同时将每个原子去除了1个电子，使得他们都带有正电荷。

利用电场，带电离子可以保持在恰当位置。研究人员利用激光轻推离子，使他们进入最低能量运动状态。由此，离子几乎完美地悬浮，并排成了一条直线。

另一束激光加入了一些热量，让这些离子以3种模式运动，即轴向和2个径向。通过调整运动频率，研究人员设定了制冷条件。

温度最低时，可以达到绝对零度的40mK范围内。每轮离子准备和计数声子需要70ms，冷却时间约为1ms。这个过程已经重复了数千次。

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★ 电子冷却新突破：普通LED光制冷 ★

美国的研究人员已经开发了利用普通LED光进行光子冷却的一种新方法。他们实现了约6W/m ² 的冷却通量，但科学家们认为，纳米光子表面的未来发展可以将其提升至少2个数量级，使得该技术有望成为冷却电子设备的备选。

在光子冷却中，物质吸收低能光子，然后释放高能光子，由此损失能量。这种方式是否成功主要基于相干单频激光器的精度，如果利用普通LED光可能不会成功，原因在于LED的光谱频率更宽。相反，LED只会加热了材料。

近年来，美国斯坦福大学的科学家们设想普通LED光可以用于冷却物质。更重要的是，未来某天，这种冷却技术可以与目前广泛应用的热电技术相媲美。美国密歇根大学的朱林霄（音）和同事们已经发明利用普通LED光的冷却系统。

负荧光

研究人员利用了一种称为“负荧光”的现象。当LED与一个反向电偏置相连接，导致其释放的热量低于无电偏置时。密歇根大学物理学家Pramod Reddy表示：“从某种意义看，反向偏置LED辐射的光子可以在更低温度下。”这种影响对其本身来说是微不足道的，但如果LED和需要冷却的物体之间距离缩小到纳米级，热传递就被大大加强了。实际上，最新研究显示，这种情况下，热传递可能大大超过黑体辐射极限。这是光子从一个物体穿越至另一物体的结果。

测量该热流需要将一个LED灯与热量计保持一个纳米距离，这是件难事。利用普通LED达成足够小的间距是不可能的，由此研究团队必须开发一种定制的纳米级设备。

光子通道

研究人员在一个高度真空和超低振动的实验装置中进行了测试。当LED和测试设备之间的距离降低到55nm时，他们观察到热量计的光学检测信号发生了巨大的跳跃。也就是说，在那一点，光子隧道发生了效果。然后，让二极管偏置在零和反转之间振荡，研究团队采用多次间隔平均测量，对热量进行精确地研究。他们发现，热量计的确被LED光冷却了。

研究团队坚持不懈地进行研究，探索这种冷却方式的本质。研究人员希望通过适当的二极管，可以达到理论预测的约1000W/m ² 冷流。按照这种效率，新方法可与热电材料的冷却技术相媲美。未来，这种方法可以用于电子设备，如芯片冷却。

该论文全文刊登在《自然》杂志。

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★ 利用“人工肌肉”开发未来空调 ★

德国萨尔兰大学研究团队开发出了一台加热/冷却系统的样机，通过对镍钛合金线束加压和减压的控制，便能够以2倍的热泵效率或3倍的空调效率加热/冷却空气，由于该过程中并不需要用到制冷剂，所以不会对环境造成影响。

某些金属合金具有称为“形状记忆”的特殊性质，变形后在一定条件下能回复原始形状。而镍钛合金便是这种记忆合金之一。这种金属在弯曲变形时会吸收大量的热量，在条件足以恢复正常形状时释放出热量，两者间的温度差可以高达20℃。

研究团队就是利用了镍钛合金的特性设计出这款加热/冷却系统。系统的概念非常简单，镍钛合金的线束被放入同心圆柱内，透过巧妙的设计，线束在通过一侧时弯曲变形，从空气中吸收热量并将其储存。而在旋转至另一侧时，周围条件会让线束得以回复原状，并将热量“传递”给另一侧。

空气在独立的两侧吹拂过合金线束，其中一侧空气会被加热，而另一侧空气则会被冷却，使得该装置可以作为热泵或空调运行。

目前，研究团队一直对这种装置进行测试，找到合金线的最大载荷、转速以及线束中捆绑的合金线数量，以便在给定的能量下创造出尽可能的最大温度差。据估计，系统的加热/冷却功率比系统运行所需的机械功率高出近30倍，这也使新系统的效率是同类热泵的2倍、空调的3倍。

萨尔兰大学智能材料系统主席Stefan Seelecke表示，新技术的传热机制并不使用液体或蒸汽，空调系统中的空气可以直接冷却而无需中间换热器，人们也不必使用无泄漏的高压管道，因此也不会对气候造成危害。

当然，镍钛合金逆循环空调可以持续多久还有待证明，但这看起来确实是一项令人兴奋的技术，除了能够减少加热/冷却时的能源消耗，不需使用制冷剂也意味着不会对气候造成危害，确保室内环境舒适性的同时也达成了环保的目标。

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