輻射製冷助力窗戶節能

2021-01-21 澎湃新聞

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物質科學

Physical science

近日，華中科技大學胡彬和周軍教授課題組在Cell Press出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上發表一項新研究，題為「Transparent Polymer Coatings for Energy-Efficient Daytime Window Cooling」。研究組將輻射製冷技術應用於窗戶，通過官能團匹配遴選適用於窗戶的透明輻射體，並評估了該策略對於不同氣候條件下降低典型建築製冷能耗意義，為節能窗戶的設計提供了新思路。

研究亮點：

•闡述了日間輻射製冷技術在節能窗戶上的應用。

•通過官能團匹配原則遴選可用於窗戶製冷的透明輻射體。

•評價了窗戶輻射製冷技術對於不同氣候下建築製冷能耗降低的潛力。

集成輻射製冷技術實現窗戶被動冷卻

窗戶是建築、車輛等人們日常駐留環境中採光需求的重要通道，但它對近紅外陽光的高透過也同時會顯著增加室內製冷能耗，根據不同的氣候特徵來設計窗戶的鍍膜或貼膜是提升建築能效的重要途徑。商業化的窗戶/窗膜節能技術，如著色染料、低輻射層、電/熱致變色層和半透明光伏等，展示出對陽光選擇性透過的操控能力，但這些功能層對陽光的選擇性吸收導致的升溫依然會通過對流加劇室內製冷能耗。

新興的白天輻射製冷技術通過反射陽光，並利用大氣窗口（8-13μm）將熱輻射送入外太空，能夠實現陽光輻照下對建築的無能耗被動降溫，但這些適用於不透明外牆與屋頂的材料無法滿足透明窗戶對可見光無散射、高透過的本徵需求。如何有效阻擋非可見光波長範圍的陽光，同時強烈發射熱輻射實現窗戶降溫是提升建築能效值得探索的新途徑。

要點1：

常用低發射率（Low-E）節能窗膜能具有較好的近紅外反射能力，但會吸收陽光且中紅外發射率低而導致窗戶升溫。利用對陽光透明的輻射體與其結合可以降低窗戶溫度，通過優勢互補提升節能效果。研究從典型輻射製冷材料二氧化矽（SiO2）出發，從分子振動角度分析了其大氣窗口波段輻射能力弱的原因，並將通過SiO2光學結構提升發射率的策略延伸至利用矽氧烷聚合物材料的設計來實現，解決高發射率和透明度無法兼顧的問題，篩選出以飽和矽氧烷如聚二甲基矽氧烷（PDMS）為代表的透明輻射體材料，可為透明的白天輻射製冷材料的選擇提供參考。

▲圖1. 窗戶製冷技術中透明輻射體的選擇。

要點2：

研究比較了SiO2與PDMS的光學參數性質，與官能團匹配原則所述規律一致。通過實驗與模擬結合系統評估透明輻射體PDMS的光學性質，驗證了厚度為80μm的PDMS具有最優的光學性能，可滿足在窗戶製冷技術中的要求，並通過塗布技術製造了厚度可控的卷材，與其它廣泛使用的透明薄膜材料相比較具有更好的綜合性能。

▲圖2. 透明輻射體PDMS的光譜特性及其綜合性質。

要點3：

通過戶外實際測試以及理論模擬計算，驗證了窗戶製冷技術在陽光輻照下明顯的降溫效果。基於該窗戶製冷能力，模擬評估了對全球多個城市的建築能耗節能潛力，發現典型建築的年製冷節約能耗為20-49MJ m-2，展示了巨大的應用價值。此外，還評估了該技術與氣候之間的依賴聯繫，為輻射製冷技術的合理應用提供了參考意義。

▲圖3. 透明輻射體PDMS在窗戶製冷技術上的實際應用效果。

▲圖4. 模擬窗戶製冷技術為典型建築在不同氣候下帶來的製冷能耗節能潛力。

結論與展望

通過將白天輻射製冷技術與透明窗戶集成，實現了有效的窗戶製冷，該技術在全球不同氣候下的建築帶來的年製冷節能潛力高達20-49MJ m-2。該技術還可與現有的窗戶節能技術，如著色、電致、熱致以及透明光伏等集成，也能夠融合太陽光-熱輻射的協同管理，為新型窗戶節能技術提供新的方向。

相關論文信息

論文原文刊載於CellPress細胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上，點擊「閱讀原文」查看論文

▌論文標題：

Transparent Polymer Coatings for Energy-Efficient Daytime Window Cooling

▌論文網址：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(20)30249-6#%20

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100231

原標題：《輻射製冷助力窗戶節能 | Cell Press論文速遞》

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