作為一種新興的制冷技術(shù),被動(dòng)式日間輻射制冷技術(shù)(PDRC)利用大氣窗口(ATW,8-13μm)通過(guò)輻射換熱將物體表面熱量傳輸到-270°C外太空,并通過(guò)增強(qiáng)太陽(yáng)光譜(0.3-2.5μm)的反射率來(lái)減少熱量吸收。在不消耗任何能源的情況下實(shí)現(xiàn)溫度降低,可廣泛應(yīng)用于零能耗建筑、太陽(yáng)能電池、戶外電力設(shè)備等場(chǎng)景。但現(xiàn)有的PDRC技術(shù)缺乏自適應(yīng)調(diào)控輻射特性能力,在寒冷冬季持續(xù)冷卻物體導(dǎo)致供暖能耗顯著增加,入射太陽(yáng)輻射功率(~1000W/m2)與輻射制冷功率(~100W/m2)間近十倍的差異使得ATW的高效調(diào)控變得困難。因此,迫切需要開(kāi)發(fā)針對(duì)太陽(yáng)光的具備自適應(yīng)光譜調(diào)控能力的PDRC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)“冬暖夏涼”。
近日,哈爾濱工業(yè)大學(xué)王富強(qiáng)教授課題組與中建中環(huán)合作,針對(duì)太陽(yáng)輻射功率是輻射制冷功率近十倍這一特點(diǎn),受納米比亞變色龍跨季節(jié)自適應(yīng)皮膚控溫啟發(fā),將溫度自適應(yīng)輻射調(diào)控技術(shù)與PDRC技術(shù)有效結(jié)合。針對(duì)目前輻射制冷涂層寒冷季節(jié)增加額外采暖能耗的問(wèn)題,提出了一種高溫制冷、低溫吸熱的“冬暖夏涼”仿生變色龍跨季節(jié)自適應(yīng)控溫輻射制冷涂層并探索其應(yīng)用潛力。設(shè)計(jì)并制備的具有顏色可變性的溫度自適應(yīng)輻射冷卻涂層(TARCC)實(shí)現(xiàn)了41%的可見(jiàn)光調(diào)節(jié)能力,跨季節(jié)戶外測(cè)試證實(shí)其可靠性:在夏季,TARCC表現(xiàn)出高太陽(yáng)反射率(~93%)和大氣透射窗發(fā)射率 (~94%),實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度6.5 °C。冬季,TARCC的深色強(qiáng)烈吸收太陽(yáng)輻射,實(shí)現(xiàn)高于環(huán)境溫度4.3 °C。TARCC在中緯度地區(qū)每年可節(jié)省高達(dá)20%的能源,并可增加55%的適宜小時(shí)數(shù)。該工作為自適應(yīng)控溫輻射制冷技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了新的研究思路,設(shè)計(jì)制備的TARCC以其低成本、易于準(zhǔn)備和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),有望實(shí)現(xiàn)可持續(xù)和舒適的室內(nèi)環(huán)境。
圖1. 自適應(yīng)輻射制冷涂層(TARCC)的理論設(shè)計(jì)。(A)TARCC在不同季節(jié)的工作原理示意圖;(B)不同粒子在不同入射光下的電場(chǎng)強(qiáng)度圖;(C)非均一混合粒徑設(shè)計(jì);(D)自適應(yīng)控溫變色機(jī)理。
圖2. TARCC的制備和表征。(A)制備過(guò)程示意圖;(B)SEM圖像;(C)不同溫度下的光譜特性;(D)升溫和降溫過(guò)程的平均光譜反射率;(E)熱循環(huán)穩(wěn)定性;(F)不同溫度下的顏色響應(yīng);(G)顏色拓展性。
圖3. 自適應(yīng)輻射制冷涂料戶外測(cè)試。(A)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及實(shí)物圖;(B)不同環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻照度下的溫度對(duì)比;不同材料在炎熱季節(jié)(夏季,C)、寒冷季節(jié)(冬季,D)以及過(guò)渡季節(jié)(春季/秋季,E)的溫度對(duì)比。
圖4. TARCC在戶外建筑的應(yīng)用測(cè)試。(A)三座相同的戶外建筑,分別涂有輻射制冷涂層/彩鋼瓦/自適應(yīng)輻射制冷涂層;(B)建筑屋頂?shù)募t外熱圖像;不同建筑在炎熱季節(jié)(夏季,C)、寒冷季節(jié)(冬季,D)和過(guò)渡季節(jié)(春季/秋季,E)的室外溫度對(duì)比。
圖5. 節(jié)能潛力分析。(A)不同材料屋頂表面溫度的適宜小時(shí)數(shù)對(duì)比;(B)全球典型城市能耗分析;(C) 全球涂料節(jié)能潛力圖。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02733
課題組相關(guān)進(jìn)展
哈爾濱工業(yè)大學(xué)王富強(qiáng)《Nano Energy》:仿生人體皮膚褶皺結(jié)構(gòu)的高效輻射制冷涂層
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521006327
哈爾濱工業(yè)大學(xué)王富強(qiáng)《Advanced Optical Materials》封面文章:具有多波段輻射調(diào)節(jié)性能的低成本、可規(guī);a(chǎn)的仿生輻射制冷玻璃
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202202031
哈爾濱工業(yè)大學(xué)王富強(qiáng)《ACS Photonics》封面文章:兼顧光學(xué)性能和應(yīng)用需求的仿生皮膚輻射制冷織物
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.3c00241
哈爾濱工業(yè)大學(xué)王富強(qiáng)《Applied Energy》:具備遮蓋層的日間輻射制冷涂層,兼顧高光學(xué)性能、薄厚度以及優(yōu)異的戶外耐用性
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261923006372
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