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王如竹/黄丹枫/杨荣贵团队CRPS：透明辐射制冷薄膜消除温室热胁迫

2023-08-21 15:03

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

物质科学

Physical science

2023年8月8日，上海交通大学王如竹、黄丹枫教授和华中科技大学的杨荣贵教授团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上发表了题为“Eliminating greenhouse heat stress with transparent radiative cooling film”的研究论文。文章第一作者为上海交通大学博士研究生为邹豪、王晨曦。

随着人口危机和气候变化的不断发展，温室种植技术作为解决粮食危机的重要手段，得到了广泛的关注。但在炎热的气候条件下，温室内部热量往往会过度累积，导致作物无法生长发育，大大降低了温室的周年利用率和经济效益。因此，为了保证温室生产效率，温度的适当调节至关重要。该论文研究了一种新型的透明辐射制冷（T-RC）薄膜作为温室的覆盖材料，在不影响植物光合作用的情况下减少温室热胁迫，从而提高温室的可生产周期。T-RC膜具有大气窗口高发射率、光合有效辐射波段高透射率和近红外辐射波段高反射率的特性。与传统的聚烯烃（PO）薄膜相比，使用T-RC膜可将温室室内温度降低18.6℃。此外，使用T-RC膜还能显著提高作物产量。在播种后19天内，三种夏季主栽作物（杭白菜、奶白菜、樱桃萝卜）的生长速度分别提高了23.4%、17.3%和21.7%。该论文是能源、农业、材料三个学科深度交叉的成果，为炎热气候下提质增产、节能节水的温室生产模式提供了可行方案。

研究背景

作为一种人工设施，温室可以通过控制光照、温度和水分来促进作物生长，延长生长季节，最终提高作物产量。然而，温室内的热量积累仍然是炎热季节或热带地区种植的严重障碍。由于高温胁迫，许多地区选择在炎热的季节停止种植，减少了温室每年可供种植的时间。在夏季以适当的方式给温室降温是至关重要的。然而，大多数现有的被动冷却技术，如遮阳技术，因效果有限而难以令人满意。以湿帘-风机为代表的主动冷却方法，由于高成本、对适用环境的限制以及高水、能消耗，也很难实现大范围的使用。因此，在不增加水和能源消耗的情况下，有效解决温室夏季高温热胁迫问题至关重要。

主要内容

材料设计

图1 透明辐射制冷薄膜T-RC的设计与属性

得益于材料科学的快速进步，日间辐射制冷已经以油漆、涂层等各种形式实现。然而，先前的辐射制冷材料仅强调其在长波波段的辐射特性。对温室这一独特应用场景而言，除了长波区域的选择性外，太阳光谱波段的热辐射特性也需要被关注。对于温室而言，过量的太阳辐射是夏季生产中温度过高的主要原因。太阳光谱包括紫外辐射（UV，<380 nm）、光合有效辐射（PAR，400-700 nm）和近红外辐射（NIR，760-2500 nm）。传统的温室覆盖材料没有光谱选择性，PAR和NIR的透射率相近，为了保证PAR的高透过率，过量NIR因温室效应在温室内不断累积，导致气温不断升高。通常使用的遮阳技术虽然可以降低温室的室内温度，但也同时减少了PAR透过，最终导致潜在的作物产量损失。因此，合理的热气候下覆盖材料应在保证PAR透过的同时，尽可能减少NIR的透过率，并通过在大气窗口的高发射率对温室环境进一步降温（图1a）。

该论文研制的透射辐射制冷薄膜(图1b)由选择性发射层、反射层和背面保护层三层组成。该薄膜将由两层厚度为数十纳米的银层组成的选择性反射层涂覆在厚度为50μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）上，以在UV和NIR范围内产生光学选择性反射。使用具有C-F键的可见透明聚合物膜（厚度约65μm）覆盖选择性反射层以形成选择性发射层。T-RC薄膜在可见光范围具有高透过率，在紫外和近红外范围具有低透过率，在大气窗口具有高发射率。该薄膜可以有效阻挡紫外和近红外的透射，透射率分别为14.47%和20.85%。与温室中常用的薄膜相比，该薄膜的全波段透过率并不高（42.27%）。这是因为大多数无用的UV和NIR被屏蔽掉，而植物生长所需的PAR可以有效透过温室并被利用（图1 c-d）。

降温和光质改变效果

图2 T-RC薄膜的降温和光质改变效果

为了证明T-RC薄膜用于夏季生产的可行性，该论文在田间进行试验，选择了两个相同的拱形温室（长15米，跨度8米，图2a），分别覆盖T-RC膜和PO膜。在晴朗天气下，采用T-RC膜的温室内总辐射仅为8.06MJ/m2，远低于PO膜对照温室（15.47MJ/m2）(图2b)。然而，在这两个温室中，PAR水平分别为17.33 mol/(m2·d)和22.78 mol/(m2·d)，均能满足作物的正常光需求(图2c)。

在封闭情况下，正午两温室间的最大温差高达18.6℃。自然通风的情况下，尽管通风减少了温室内的显热，但两个温室之间仍有2-6℃的温差。此时试验温室的室内温度可以保持在不超过35℃，满足夏季作物的正常生长（图2d）。因此，利用T-RC薄膜无疑是一种有效的夏季降温方法。与气温不同，T-RC膜可在封闭条件下和对照保持约10℃的土壤温差。在通风的情况下，温差也可达到~7°C(图2e)。土壤温差可以在白天甚至整个季节保持很长一段时间，使T-RC膜覆盖的温室内的土壤保持恒定的低温。这一结果表明，T-RC不仅可以降低温室内的空气温度，而且对生根区有非常明显的降温作用。

作物增产提质效果

图3 T-RC薄膜的增产提质效果。

温度是影响植物发育的最重要的环境因素。由于T-RC薄膜提供了更合适的温度，三种作物在试验温室中的生长速率显著高于对照温室（图3a-d）。樱桃萝卜由于其稀疏的地上部分和较宽的地下部分，比其他两种作物对温度变化更敏感。在整个繁殖周期中，试验温室中樱桃萝卜的根长和根宽都高于对照温室，根宽差异在整个生育周期中都很显著。在生长的前中期，杭白菜和奶白菜的最大生长差异分别可达23.4%±3.4%和17.3%±1.9%。生长指标的变化表明，T-RC膜可以显著促进三种指标作物的生长，并将生长周期缩短近一周。试验温室中的樱桃萝卜显著重于对照温室，无论是地上还是地下。营养器官和当量产量的差异分别高达76.2%±2.8%和120.1%±5.9%（图3e）。

杭白菜和奶白菜的可溶性糖含量数据（图3f）显示， T-RC薄膜的覆盖可以增加作物可溶性糖含量。作为植物养分积累的象征，它表明T-RC膜促进了植物品质提升。三种作物的PRO含量（图3g）在对照温室中较高，在试验温室中较低，尤其是杭白菜，变化幅度为62.7%±11.4%，这也是试验温室中作物生长更好的原因。

环境效益及应用前景

图4 T-RC薄膜的节能节水效果

除了上述纯被动冷却方法外，T-RC薄膜还可以与其他主动温室冷却方法相结合。这一结果提出了T-RC薄膜的另一个可能的应用场景：智能玻璃温室。对于这种温室，尽管可以通过各种主动冷却设备控制温度，但水和能源消耗也随之提高。因此，该论文建立了一个温室模型来评估所提出的T-RC薄膜与主动控制温室相结合时的节能节水潜力。

与玻璃温室和遮光玻璃温室相比，使用T-RC膜可分别增产27.61%和9.99%（图4a）。在炎热的气候条件下，即使使用了外部遮阴技术，室内温度仍然超过了大多数作物的适宜温度范围（图4b）。大多数商业温室常见的补充冷却方法是湿帘-风机系统，该系统基于将显热转化为蒸发水的潜热。然而，湿帘-风机系统的运行将导致大量的水损失，并进一步加重农业部门的缺水负担。相比之下，T-RC膜覆盖的温室在整个栽培期消耗了21010kg的冷却水，用T-RC膜代替常规覆盖材料后，温室冷却耗水量最大减少率可达64.8%（图4c）。

总结与展望

该文章开发了一种透明辐射制冷薄膜来消除夏季温室中的热胁迫。与传统的PO膜相比，T-RC膜覆盖的温室在通风和不通风的情况下室内温度分别降低了6℃和18.6℃，土壤温度差异可分别达到7℃和10℃。在田间温室中，杭白菜、奶白菜和樱桃萝卜在播种后19天内的生长速度分别加快了23.4%、17.3%和21.7%。T-RC膜可以显著缩短作物的生长发育周期，实现早期上市。此外，T-RC薄膜具有优异的节能节水潜力，用它代替常规覆盖材料，可减少64.8%的温室用水量。

该薄膜具有良好的冷却能力，解决了炎热季节高温生产困难的问题，即使在干旱和发展中地区也具有良好的适用性。此外，T-RC薄膜的光学性能可以根据不同地区的天气条件进一步调整，这也为探究半封闭温室的可行性提供了新的思路。该研究融合了园艺、能源和材料等多个跨学科领域，为夏季温室热管理提供了可行的解决方案，为跨学科研究提供了技术路线。

通讯作者简介

黄丹枫

教授

上海交通大学二级教授，上海交通大学蔬菜学学科带头人，园艺学科点负责人，园艺学博士后流动站站长。研究方向为温室园艺作物营养生理、温室蔬菜质量安全管理、温室蔬菜精准作业技术。1992年毕业于西南农业大学，是新中国培养的第一位蔬菜学女博士。主持国家“863”、国家自然科学基金重点、上海市重点科技攻关、上海市科技兴农重点攻关项目等科研项目多项，获国家科技进步二等奖两项。

杨荣贵

教授

华中科技大学二级教授，X-Thermal 试验室负责人，美国机械工程学会会士。深耕于传热学与能源领域的前沿基础研究与技术研发，专注微纳尺度热输运物理、相变传热机理、辐射制冷超表面等研究方向。迄今为止已发表包括4篇Science、8篇Nature子刊、3篇Science Advances、4篇Joule、1篇Rev. Mod. Phys.在内的200多篇期刊论文。曾主持美国国家科学基金委、国防部、能源部和农业部等40余个项目，总金额超过4000万美元，其中300万美元以上的大型跨学科项目13项，承担国家自然科学基金重点项目与国家重点研发计划项目。

王如竹

教授

上海交通大学讲席教授，制冷与低温工程研究所所长，教育部太阳能发电及制冷工程研究中心主任。主要研究制冷空调与能源利用，吸附式空气取水系统，绿色建筑能源系统，节能与储能。获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、何梁何利基金科学与技术创新奖等奖励。作为首位中国学者荣获2023全球能源奖、2021国际能源署热泵奖、2019国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen奖章等重要国际学术奖项。

王如竹教授于2018年创建了ITEWA交叉学科创新团队（Innovative Team for Energy, Water& Air），致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Science、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Nature Water、Matter、ACS Central Science、ACS Energy Letters、Nature Communication等国际跨学科交叉高水平期刊上发表系列论文。本文工作是ITEWA团队与农生学科和超材料学科领域的深度合作。