納米材料可實現雙模加熱和冷卻裝置

2020-12-06 騰訊網

納米材料片可用於將熱量反彈或吸收。在這裡它處於加熱模式（頂部）和冷卻模式（底部）。圖片來源：許寶春，杜克工程公司

杜克大學的工程師展示了一種用於建築氣候控制的雙模式供暖和製冷設備，如果在美國廣泛部署，則可以將HVAC能耗降低近20％。

本發明使用力學和材料科學的組合來利用或排出某些波長的光。取決於條件，輥子來回移動片材以暴露一半上的熱捕獲材料或另一端上的冷卻材料。一種特殊設計的納米材料，一種材料吸收太陽的能量並捕獲現有的熱量，而另一種則反射光並允許熱量通過地球的大氣逸散並進入太空。

杜克大學機械工程和材料科學助理教授，項目負責人許寶春說：「我認為我們是第一個展示出可逆熱接觸的技術，它可以使我們在加熱或冷卻的兩種模式之間進行切換。」 。「這使得材料可以移動，同時仍與建築物保持良好的熱接觸，從而帶入熱量或將熱量散發出去。」

結果於11月30日在線發表在《自然通訊》雜誌上。

在美國，約15％的能源消耗（全球範圍內超過30％）用於建築物的供暖和製冷，約佔全球溫室氣體排放量的10％。但是，到目前為止，大多數減少碳足跡的方法都只涉及加熱或冷卻。這樣一來，全世界的溫帶氣候區就需要在一年之內（有時甚至需要在24小時之內）在寒冷的天氣中進行採暖和製冷。Hsu和他的團隊在新論文中演示了一種設備，該設備可以隨著天氣變化使我們保持舒適或涼爽。

經過特殊設計的板材以聚合物複合材料為基礎，可以通過在其中通電來擴展或收縮。這允許設備與建築物保持接觸以傳輸能量，同時仍然能夠脫離，以便滾輪可以在模式之間切換。

薄板的冷卻部分有一層超薄的銀膜，上面覆蓋著一層甚至更薄的透明有機矽，它們像鏡子一樣反射太陽的光線。這些材料的獨特性能還將能量轉換為中程紅外光並發出，這種紅外光不會與地球大氣中的氣體發生相互作用，而很容易進入外太空。

當天氣變化導致需要加熱時，電荷釋放，輥子沿著軌道拉動紙張。這將片材的冷卻反射性一半換成吸熱性一半。

為了加熱下面的建築物，工程師使用了一層超薄的銅，上面是一層鋅-銅納米顆粒。通過將納米粒子製成特定尺寸並將它們隔開一定距離，它們可以將光捕獲到其表面上，從而與下方的銅相互作用，從而使該材料吸收超過93％的陽光熱量。

Hsu和他的團隊認為該設備可以與現有的HVAC系統一起使用，而不是完全替代。

休斯說：「我們可以使用水面板將熱水或冷水帶到熱泵或鍋爐系統中，而不是直接對建築物進行加熱和冷卻。」 「我還認為，如果進行額外的工程設計，它也可以在牆壁上使用，從而形成一種可切換的建築圍護結構。」 徐說。

向前邁進，團隊正在研究設計的多個方面，以將其從原型發展為可擴展的製造方式。Hsu解釋說，其中之一是對運動部件的長期磨損和專用材料成本的擔憂。例如，他們將研究低成本鋁是否可以替代白銀，並且還在研究可通過化學方式而非機械方式轉換模式的靜態版本。

儘管遇到了許多障礙，Hsu相信這項技術將來可能會成為節能的福音。而且他並不孤單。

Hsu說：「我們已經在與一家公司合作，以確定部署該技術的理想位置。」 「而且由於美國全年幾乎每個氣候區都需要同時供暖和製冷，因此這種雙模設備的優勢顯而易見。」

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