未來，擺脫冷氣的夏天-輻射冷卻裝置

未來，擺脫冷氣的夏天-輻射冷卻裝置 (Get Rid of Air Conditioners in the Future Summer- The Passive Radiative Cooling Device)
國立臺灣大學環境工程研究所 陳以安

隨著全球暖化，夏天襲來的熱浪讓人按捺不住，逼不得已，幾乎要開上一整天的冷氣驅走了屋內炙熱煩躁又潮濕的空氣，卻在室外帶來更多的廢熱以及家家戶戶可觀的電費帳單。我們都知道，要主動把室內的熱移到比室內溫度更高的室外，就得耗費能源才辦的到。但，有沒有可能使用被動式散熱裝置，使裝置同時具有不易吸收室外的熱，以及容易散出室內熱的特性，代替冷氣，達到零運轉耗能且良好降溫效果呢？

最近，美國加州一個研究團隊成功的在白天日照之下，使實驗裝置中的溫度降到比外界溫度低 4.5℃，不靠任何電力驅動，單純靠該裝置的特殊材料與結構達成！這是如何辦到的呢？該裝置要如何拒絕得到熱，又同時把自己的熱量給出去呢？首先我們必須了解熱的傳的途徑有哪些。所有熱量的傳遞不外乎這三種方式：傳導、對流、輻射。前兩者的傳遞都必須透過「接觸」才能達成。所以該裝置有良好的外部包覆，隔絕對流途徑，並使用空氣以及泡棉等，將固體料與外界隔絕減少傳導途徑，將前兩種由接觸所得到的外界能量降到最低。如下圖所示。

圖一、冷卻裝置側視圖。（本篇作者陳以安繪製）

至於輻射，是一個很特殊的能量傳的途徑，不需要介質就能傳遞，而且並不限於由能量高的地方傳到能量低的地方，也就是說，冰天雪地裡的所有東西，雖然溫度都很低，卻仍然不斷有能量由輻射的途徑被釋放出去。這就是該裝置在溫度低於外界大氣的時候，仍然不斷將能量傳出去的關鍵！不過，同一種材料，其接受輻射能量與散出輻射能量的能力會是一樣的，那麼該裝置是怎麼同時把太陽光以及外部大氣給它的輻射能反射掉，又把自己的能量輻射出去呢？這牽涉到輻射能量的波長，我們可以把他想像成各種類型的能量。固定物體表面所能接受與放出的輻射能量類型是固定的，包含太陽與大氣，他們輻射出來的能量在某些波長類型的光會比較多，某些波長類型的光會比較少。

大氣層就像一塊厚厚的布包著地表，如圖二所示，灰底含網點的部分為由不同種類的氣體組成的大氣對於輻射波的吸收區段，而介於波長 8~13 μm 之間，輻射波則較不易被吸收，容易穿透大氣。

圖二、大氣輻射波長穿透率。(Lillesand and Kiefer, 1994)

只要設計輻射冷卻裝置材料，使之接受與放出輻射能的區段集中在 8~13 μm 之間，就能順利將輻射能傳出去。同時大氣輻射出來的能量也極少介於此波段，避免材料吸收大氣的輻射能，達良好散熱效果。至於太陽輻射能波段，在 2.5 μm (2500 nm) 之後就占極少量了，如圖三，所以該裝置對太陽輻射熱也有好的反射效果。

圖三、太陽輻射強度。（本篇作者陳以安繪製）

藉由以上三種熱傳導原理（對流、傳導與輻射），我們可以理解該裝置要如何在大白天也能被動式的使自己溫度降的比外界還要低。這個裝置的設計是個很了不起的發明，未來該如何使溫度降低的區域從小小的裝置本身擴大到整片屋頂甚至是整棟樓，還有許多需要面臨的挑戰。但相信，在不久後的夏天，我們都能使用便宜的散熱裝置代替冷氣，為節能減碳邁進一大步。

參考文獻

1. Aaswath, P. R., Marc, A. A., Linxiao, Z., Eden, R. & Shanhui, F. (2014). Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight. Nature, 515, 540–544. doi:10.1038/nature13883
2. Electromagnetic Spectrum (2014), GEOG 482 The Nature of Geographic Information, Chapter 8-4 — The Pennsylvania State University. https://www.e-education.psu.edu/natureofgeoinfo/node/1883