Science之後新突破：空調黑科技，不用電，也能冬暖夏涼

2020-12-01 木木西裡科技

能源和環保，是當今時代揮之不去的話題。

衣食住行，沒有哪一樣，都是無法度日的。無論是手機、電腦、空調，還是汽車、飛機、照明，甚至是比特幣挖礦，都在不停地消耗日趨減少的化石能源，並為環境帶來一些負擔。如何更高效地使用可再生能源，是科學家孜孜不倦的追求。

紡織品是人類最早的發明之一，既可以抵禦寒冷，又可以保持美觀。現在，全球變暖的緊迫威脅對創新紡織品提出了更高的要求，未來，我們的紡衣服甚至可以隨外部溫度環境變化而自己降溫。2020年11月13日，杜克大學徐伯均, 李秀強等人在Science發表述評，詳細闡述了與「衣」有關的光子輻射製冷智能織物的原理、進展和未來機遇與挑戰。

最近，他們又在與「住」有關的建築節能方面，取得了新的突破！

建築節能的重要性

目前，建築能耗大約佔全球能耗總量的30％以上，佔全球溫室氣體排放量的~20％。而在建築能耗中，有將近一半的能量用於建築的供熱和製冷。因此，建築領域的節能減排是全球節能工作的重點。

據預測，在2010年至2050年期間，由於氣候變化和人口增長，建築物的供熱和製冷能耗將分別增長79％和83％。因此，發展可再生能源用於建築節能是重要且迫切的需求。

Heating and cooling 結合的必要性

自2014年史丹福大學的Shanhui Fan 課題組首次提出白天輻射製冷的概念以來，輻射製冷技術得到了快速的發展，一批優秀的成果被相繼報導。但這些技術很難滿足建築對制熱和製冷的動態需求。

事實上，大多數建築處在晝夜或季節波動溫差較大的地區。以杜克大學所在地北卡羅來納州達勒姆市為例，5月至10月以製冷為主，其餘6個月則以供暖為主。我們不難發現，器件較優的方式是可以在制熱和製冷之間自由切換。

創新性突破

有鑑於此，杜克大學徐伯均, 李秀強和懷俄明大學譚剛等人通過完成一系列的光學，機械和熱學設計，創造性的將太陽能選擇性吸收體制熱和白天輻射製冷結合 (Dual-mode)起來用於建築節能。研究結果表明，建築屋頂使用所設計的Dual-mode器件後，可為建築節約~20%的供熱和製冷能耗。

第一作者：Xiuqiang Li (李秀強)

通訊作者：Po-Chun Hsu(徐伯均), Gang Tan(譚剛)

通訊單位：Duke University (杜克大學), University of Wyoming (懷俄明大學)

基本原理

通過一系列材料光學，機械和熱學設計後，Dual-mode器件可以的在Heating 和 Cooling 之間自由切換。在cooling模式下，cooling材料 (PDMS/Ag) 可以反射~97%的太陽光，並且通過輻射自身能量穿過大氣窗口（8-13 µm）進入外太空而實現自身冷卻。在heating模式下，選擇性吸收體 (Zn薄膜/Cu納米粒子) 可吸收~93% 的太陽能，並可有效抑制自身長波紅外輻射，從而獲得高效的制熱效率。Dual-mode器件主要由一對旋轉滾輪來roll-to-roll的轉換制熱和熱冷薄膜，來適應外界氣候的變化。

在本實驗中，實現高效heating 和 cooling 自適應性轉換的四個關鍵點是：

1) 需要獲得性能突出的heating和cooling材料。

2）材料自身需要具有低的熱阻，才能充分利用所產生的制熱/製冷功率或溫度差。3）材料在滾動驅動過程中需要表現出高的柔韌性和耐久性。

4）需要克服柔性材料與基板(熱交換器)之間接觸熱阻與切換靈活性之間的trade off，才能同時保證高效的熱傳輸和運動的靈活性。

圖1. Dual-mode器件的概念。

控制接觸熱阻

為了克服柔性材料與基板(熱交換器)之間接觸熱阻與切換靈活性之間的trade off。本實驗中，我們通過可逆的施加和去除靜電來有效的調控材料與基板的接觸，結果顯示這種方式不僅可有效的解決制熱/製冷材料和基板之間的接觸熱阻問題，而且有效地保證了器件的運動靈活性。

圖2. 靜電控制的熱接觸。

材料和器件性能

經過系列優化，我們所設計的材料在Heating 模式下，可以實現93.4%太陽光能量的吸收和低至14.2%的紅外發射率。在Cooling模式下，可以實現97.3%的太陽能量的反射率和94.1%的高紅外發射率。並且，表現出優異的捲曲性能和耐久性。

室外實驗研究表明, 在太陽光平均強度大於650 W/m2的條件下，Dual-mod器件平均的製冷功率可達71.6W/m2。在heating模式下, 超過93%的太陽能可被有效利用，並實現650 W/m2的制熱功率。基於該器件，單獨heating 和cooling 的性能都處於TOP系列，綜合性能則是目前最高的。

圖3. Heating和Cooling材料的光學特性。

圖4. Dual-mode器件的戶外性能。

建築節能模擬

建築節能模擬結果顯示，所設計的器件對整個美國各個氣候區域都能有效的降低制熱和製冷的能源消耗，實現~20%的能源節約。(注: 計算過程中，所產生的Cooling, 18度以下直接用於室內製冷，18度以上用於冷卻空調冷凝端。所產生的heating直接用於室內製熱。)

圖5. 節能效果模擬。

小結

這項工作通過實驗和計算證明了Dual-mode器件的節能效果。我們相信隨著將可再生，間歇的能源（例如太陽能和風能）納入電網，這種動態調控將變得越來越重要。

另一方面，不同地區氣候的差異，也要求我們要採用更具適應性的建築節能方案來獲得更高的節能效率。我們也相信Dual-mode所展示出的能力能夠為學術界和工業界帶來巨大的價值，造福於社會。

內容來源：納米人

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