Température - Chauffage ATM du Yunnan Co., Ltd

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4874 (2022) Citer cet article

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La réduction des besoins de chauffage et de refroidissement à partir d’énergies fossiles est l’un des plus grands défis, dont la demande représente près de la moitié de la consommation mondiale d’énergie, ce qui entraîne par conséquent des problèmes climatiques et environnementaux complexes. Ici, nous démontrons un dispositif de gestion thermique radiative bimode hautes performances, à commutation automatique intelligente et à énergie nulle. En percevant la température pour moduler spontanément les caractéristiques électromagnétiques elle-même, l'appareil atteint ~ 859,8 W m−2 de puissance de chauffage moyenne (∼ 91 % de l'efficacité de conversion solaire-thermique) par temps froid et ~ 126,0 W m − 2 de puissance de refroidissement moyenne par temps chaud, sans aucune consommation d'énergie externe pendant tout le processus. Un tel dispositif évolutif et rentable pourrait réaliser un contrôle bidirectionnel de la température autour de la zone de température confortable de la vie humaine. Une démonstration pratique montre que la fluctuation de température est réduite d’environ 21 K par rapport à une plaque de cuivre. Les prédictions numériques indiquent que ce véritable dispositif de gestion thermique bimode à énergie nulle présente un énorme potentiel d'économie d'énergie tout au long de l'année dans le monde et constitue une solution réalisable pour atteindre l'objectif de Net Zero Carbon 2050.

La gestion thermique joue un rôle important dans les activités humaines, depuis les millions de mètres cubes de structures fabriquées par l’homme1 jusqu’aux circuits intégrés à l’échelle micro et nanométrique2, et depuis les engins spatiaux volant dans l’espace3 jusqu’aux submersibles habités en haute mer4. Diverses technologies de gestion thermique ont été développées selon différentes exigences5,6,7. Cependant, la plupart d’entre eux parviennent à un contrôle de température performant au prix d’une consommation d’énergie, éventuellement fossile. Des rapports ont souligné que la demande mondiale totale en énergie primaire était proche de 15 milliards de tonnes d’équivalent pétrole en 20198, et que près de 50 % de la consommation d’énergie était simplement utilisée pour le chauffage et le refroidissement quotidiens9. Cela aggrave particulièrement la crise énergétique croissante. Parallèlement, avec l’augmentation rapide des gaz à effet de serre produits par la combustion de combustibles fossiles, des phénomènes météorologiques extrêmes, tels qu’une chaleur intense et un froid intense, se sont produits de plus en plus fréquemment dans le monde ces dernières années10. Par conséquent, il est particulièrement important et impératif de développer diverses technologies de gestion thermique réalisables et performantes avec une consommation d’énergie faible, voire nulle, capables de réduire la demande d’énergie fossile et les émissions supplémentaires de gaz à effet de serre.

La gestion thermique radiative est considérée comme une plateforme prometteuse pour le chauffage et le refroidissement sans consommation d’énergie externe, attirant de plus en plus d’attention11. Le problème le plus difficile pour atteindre cet objectif est d'optimiser le spectre électromagnétique unique des matériaux de gestion thermique, en maximisant l'utilisation de la source de chaleur radiative inépuisable (c'est-à-dire le soleil, ~ 5 800 K) et de la source froide (c'est-à-dire l'espace extra-atmosphérique, ~3 K) dans la nature. Plus particulièrement, pour un chauffage solaire idéal, les matériaux doivent avoir une capacité d’absorption élevée dans la plage de longueurs d’onde de 0,2 à 2,5 μm et une faible émissivité dans la plage de longueurs d’onde > 2,5 μm, déterminée par le spectre de la lumière solaire et la loi de rayonnement du corps noir12. Au contraire, pour un refroidissement radiatif idéal, en particulier dans le refroidissement radiatif subambiant diurne, les matériaux devraient réfléchir efficacement le rayonnement solaire (0,2 à 2,5 μm) et également avoir une forte émission sélective dans l'infrarouge moyen dans la plage de longueurs d'onde spécifique de l'atmosphère transparente. fenêtre (8–13 μm) (Fig. 1)13. Notez qu'une série d'études sur le chauffage solaire et le refroidissement radiatif séparément/indépendamment ont fait de grands efforts pour comprendre en profondeur le mécanisme scientifique et développer des matériaux à haute efficacité14,15,16,17,18,19,20. Néanmoins, dans le monde réel, presque tous les scénarios ambiants comportent le défi que les objets sont situés dans un environnement assez dynamique et variable, y compris la fluctuation des aspects de l'espace, du temps, du jour et de la saison, de la température, etc. Le chauffage solaire fixe ou le refroidissement radiatif ne sont pas tous deux parfaitement adaptés à un environnement dynamique. En prenant le chauffage solaire comme exemple, un chauffage non désiré augmentera la consommation d'énergie pour le refroidissement par temps chaud et peut même annuler les économies d'énergie liées au chauffage par temps froid. Il en va de même pour le refroidissement radiatif. Par conséquent, pour une utilisation pratique, un système de gestion thermique, capable de posséder à la fois plus de deux spectres électromagnétiques opposés et de passer automatiquement/intelligemment au bon mode en répondant à l'environnement dynamique, est requis.

2.39) than that of PMP32. The large difference of refractive index is a condition required for multiple scattering and internal reflection in the composite matrix. As corroborated by finite difference time domain (FDTD) simulation, the smaller TiO2 NPs are more capable of redirecting incident light (Fig. 3c). On the other hand, the scattering center wavelength shows a red-shift trend with the increase in diameter of TiO2 NPs (Fig. 3d). As scattering center with high refractive index, TiO2 NPs with broad size distribution are able to produce the required scattering wavelength range covering the entire solar radiation, because of the collective effect of multiple Mie resonances (Fig. 3d and Supplementary Fig. 3). In addition, large amounts of infrared absorption peaks from various characteristics bonds in DOP-modified PMP, TiO2 NPs, adhesive, and even shape memory polymer (materials for temperature-sensitive actuating layer), provide enough infrared radiation for transferring heat into outer space (Supplementary Fig. 4). The optimized RC tape can reflect >90% of solar radiation and have high absorptivity/emissivity of ~96% in the mid-infrared atmospheric window (8–13 μm) (Supplementary Fig. 4)./p>850 W m−2. Considering the reduced ambient thermal radiation and the inevitable heat convection and conduction (Supplementary Note 4), the measuring heating flux data of dual-mode devices in both heating and cooling modes outdoors matches well with the indoor experimental results. These results demonstrate that our dual-mode device could achieve rather high-efficiency thermal management performance repeatedly in both solar heating and radiative cooling modes, and automatically switch between them according to the temperature. During the whole process, including working and switching, zero external energy is required. The dual-mode device is feasible to work in the real world throughout different seasons of the entire year. As far as we know, the design of this dual-mode thermal management device with these features combined together, including two thermal management modes, zero-energy consumption, and intelligent and free switching, has not been reported in the literature (Supplementary Table 1)./p>0.15 GJ m−2), thanks to its high solar-thermal conversion efficiency, although the total solar radiation is very low. The cooling capacity is mainly determined by temperature, less affected by the solar radiation. The peak reaches 0.24 GJ m−2 in July and August, just corresponding to the hot summer. The year-round accumulated energy saving exceeds 2.9 GJ m−2 in prediction. The maximum energy saving for heating in January will happen at αsolar = 100% and εinfrared = 0%, and that for cooling in July occurs at αsolar = 0% and εinfrared = 100% (Fig. 5c, d). It agrees well with our proposed two ideal high-selectivity electromagnetic spectrums (Fig. 1b). Compared with temperature-responding thermal management devices (including windows and coatings) reported in the literature30, 33,34,35,36,37,38, our dual-mode device could reach 91% of solar absorptivity and 8% of infrared emissivity for heating, and 90% of solar reflectivity and 97% of infrared emissivity for cooling, which is very close to the ideal electromagnetic spectrums. This great improvement of spectral selectivity puts our device in a different operational space and sets a new mark for dual-mode radiative thermal management. Some cities are selected to represent typical terrestrial climatic zones around the world (Supplementary Fig. 25 and Supplementary Table 3). It can be seen that the dual-mode device has significant effects of energy saving in almost all climate zones, whether in heating mode or cooling mode. We assumed that the dividing temperature between heating and cooling modes is 17 °C, which is approximately equal to the average temperature of Beijing in spring and autumn. The corresponding energy-saving map is shown in Fig. 5e. In January, the weather is cold in most areas north of the Tropic of Cancer, and the dual-mode device works in heating mode. In general, the closer to the Tropic of Cancer, the more energy for heating can be saved from solar-thermal conversion of dual-mode device. It is consistent with the change of solar radiation as a function of the latitude. In contrast, the weather, in most areas located in the south of the Tropic of Cancer, is warm or even hot in January. Dual-mode device in cooling mode achieves good effect of energy saving for cooling, especially in the area near the Tropic of Capricorn, where it is in summer. The above analysis describes the great potential of the dual-mode device in terms of global thermal management and energy saving./p>