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哈工大王富強(qiáng)課題組與中建中環(huán)合作《Nano Lett.》:“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
2023-10-08  來(lái)源:高分子科技

  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)輻射換熱物體表面熱量傳輸-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,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)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 °CTARCC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。


  從納米比亞變色龍皮膚的溫度適應(yīng)性特性中汲取靈感,將仿生學(xué)與輻射調(diào)節(jié)相結(jié)合,開(kāi)展自適應(yīng)控溫輻射制冷材料研究。從理論出發(fā),利用粒子輻射特性分析進(jìn)行非均一粒子系優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用化學(xué)鍵的開(kāi)環(huán)與閉環(huán)實(shí)現(xiàn)溫度響應(yīng)下的輻射特性調(diào)節(jié),利用高溫制冷與低溫吸熱兩種模式實(shí)現(xiàn)“冬暖夏涼”。


1. 自適應(yīng)輻射制冷涂層(TARCC)的理論設(shè)計(jì)。(ATARCC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。


  通過(guò)簡(jiǎn)單的制備流程及便捷的施工方法完成了TARCC的制備。搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展變溫輻射特性測(cè)試,TARCC20°C~30°C區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了41%的可見(jiàn)光調(diào)節(jié)能力。高溫環(huán)境下通過(guò)93%的太陽(yáng)光反射率及94%的大氣窗口發(fā)射率進(jìn)行輻射制冷,低溫環(huán)境下吸熱采暖,通過(guò)兩種模式間輻射特性的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)“冬暖夏涼”。材料歷經(jīng)300次高低溫循環(huán)、48小時(shí)高溫及72小時(shí)浸水均無(wú)衰減,同時(shí)具備優(yōu)異的顏色拓展性及基底適應(yīng)性等性能。


2. TARCC的制備和表征。A)制備過(guò)程示意圖;(BSEM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。


  巧妙的設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化戶外控溫效果測(cè)試平臺(tái),通過(guò)可控太陽(yáng)輻照及環(huán)境溫度實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下進(jìn)行TARCC控溫效果的對(duì)比測(cè)試,為未來(lái)自適應(yīng)輻射制冷材料的性能測(cè)試提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。戶外測(cè)試結(jié)果表明TARCC在低溫環(huán)境下持續(xù)吸熱升溫、高溫環(huán)境下同PDRC具備相同的制冷功能、過(guò)渡季節(jié)在兩種模式間切換維持溫度穩(wěn)定。


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。


  TARCC的設(shè)計(jì)使其在室外建筑中展現(xiàn)出巨大的潛力。為了評(píng)估其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的自適應(yīng)控溫效果作者在空置屋頂上建立了分別涂有PDRC涂料、彩鋼瓦和TARCC室外建筑進(jìn)行比較測(cè)試。季節(jié)戶外建筑測(cè)試證實(shí)了TARCC的可靠性:夏季,TARCC表現(xiàn)出高的太陽(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,高于環(huán)境溫度4.3 °C;過(guò)渡季節(jié),TARCC實(shí)現(xiàn)溫度的自適應(yīng)調(diào)控。與傳統(tǒng)PDRC涂層相比,設(shè)計(jì)制備的TARCC表現(xiàn)出優(yōu)異的季節(jié)間自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。


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。


  針對(duì)輻射制冷材料實(shí)際建筑應(yīng)用問(wèn)題,提出“適宜小時(shí)數(shù)”概念,以20°C~30°C作為適宜生活區(qū)間評(píng)估全年能提供的人體舒適時(shí)間。以南京為例,全年144單位的測(cè)試樣本中TARCC實(shí)現(xiàn)了85單位的適宜小時(shí)數(shù),分別較傳統(tǒng)屋頂和PDRC屋頂提高55%16%。進(jìn)一步能耗分析表明TARCCPDRC涂層相比在中緯度地區(qū)每年可節(jié)省20%能源,同時(shí)在全球多種氣候帶均具有節(jié)能潛力。


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。


  相關(guān)研究成果以““Warm in Winter and Cool in Summer”- Scalable Bio-chameleons Inspired Temperature Adaptive Coating with Easy Preparation and Construction為題發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《Nano Letters》(中科院一區(qū),IF=10.8)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生東巖孟煒?lè)?/span>為論文共同一作,哈爾濱工業(yè)大學(xué)王富強(qiáng)教授及青年教師程子明為論文通訊作者。中建中環(huán)總工程師徐增輝(教授級(jí)高工)、正高級(jí)工程師李響、鄒亞男,諾丁漢大學(xué)Yuying Yan教授及南洋理工大學(xué)Chun Yang教授為論文合著者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)、山東省自然科學(xué)基金和國(guó)家留學(xué)基金委等項(xiàng)目的資助。


  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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