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哈工大王富強課題組與中建中環(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  來源：高分子科技

  作為一種新興的制冷技術(shù)，被動式日間輻射制冷技術(shù)（PDRC）利用大氣窗口（ATW，8-13μm）通過輻射換熱將物體表面熱量傳輸到-270°C外太空，并通過增強太陽光譜（0.3-2.5μm）的反射率來減少熱量吸收。在不消耗任何能源的情況下實現(xiàn)溫度降低，可廣泛應(yīng)用于零能耗建筑、太陽能電池、戶外電力設(shè)備等場景。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，迫切需要開發(fā)針對太陽光的具備自適應(yīng)光譜調(diào)控能力的PDRC技術(shù)來實現(xiàn)“冬暖夏涼”。


  近日，哈爾濱工業(yè)大學王富強教授課題組與中建中環(huán)合作，針對太陽輻射功率是輻射制冷功率近十倍這一特點，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。針對目前輻射制冷涂層寒冷季節(jié)增加額外采暖能耗的問題，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）實現(xiàn)了41%的可見光調(diào)節(jié)能力，跨季節(jié)戶外測試證實其可靠性：在夏季，TARCC表現(xiàn)出高太陽反射率(～93%)和大氣透射窗發(fā)射率 (～94%)，實現(xiàn)低于環(huán)境溫度6.5 °C。冬季，TARCC的深色強烈吸收太陽輻射，實現(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20%的能源，并可增加55%的適宜小時數(shù)。該工作為自適應(yīng)控溫輻射制冷技術(shù)的實際應(yīng)用提供了新的研究思路，設(shè)計制備的TARCC以其低成本、易于準備和簡單的結(jié)構(gòu)，有望實現(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，將仿生學與輻射調(diào)節(jié)相結(jié)合，開展自適應(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行非均一粒子系優(yōu)化設(shè)計。利用化學鍵的開環(huán)與閉環(huán)實現(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現(xiàn)“冬暖夏涼”。


圖1. 自適應(yīng)輻射制冷涂層（TARCC）的理論設(shè)計。（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強度圖；（C）非均一混合粒徑設(shè)計；（D）自適應(yīng)控溫變色機理。


  通過簡單的制備流程及便捷的施工方法完成了TARCC的制備。搭建實驗臺開展變溫輻射特性測試，TARCC在20°C~30°C區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)了41%的可見光調(diào)節(jié)能力。高溫環(huán)境下通過93%的太陽光反射率及94%的大氣窗口發(fā)射率進行輻射制冷，低溫環(huán)境下吸熱采暖，通過兩種模式間輻射特性的動態(tài)調(diào)節(jié)實現(xiàn)“冬暖夏涼”。材料歷經(jīng)300次高低溫循環(huán)、48小時高溫及72小時浸水均無衰減，同時具備優(yōu)異的顏色拓展性及基底適應(yīng)性等性能。


圖2. TARCC的制備和表征。（A）制備過程示意圖；（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)計并搭建了一個標準化戶外控溫效果測試平臺，通過可控太陽輻照及環(huán)境溫度實驗場景下進行TARCC控溫效果的對比測試，為未來自適應(yīng)輻射制冷材料的性能測試提供了一個標準測試方法。戶外測試結(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、過渡季節(jié)在兩種模式間切換維持溫度穩(wěn)定。


圖3. 自適應(yīng)輻射制冷涂料戶外測試。（A）標準化實驗裝置示意圖及實物圖；（B）不同環(huán)境溫度和太陽輻照度下的溫度對比；不同材料在炎熱季節(jié)（夏季，C）、寒冷季節(jié)（冬季，D）以及過渡季節(jié)（春季/秋季，E）的溫度對比。


  TARCC的設(shè)計使其在室外建筑中展現(xiàn)出巨大的潛力。為了評估其在現(xiàn)實環(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的室外建筑進行比較測試。跨季節(jié)戶外建筑測試證實了TARCC的可靠性：夏季，TARCC表現(xiàn)出高的太陽反射率（~93%）和大氣透射窗發(fā)射率（~94%），實現(xiàn)低于環(huán)境溫度6.5 °C；冬季，TARCC的深色強烈吸收太陽輻射，高于環(huán)境溫度4.3 °C；過渡季節(jié)，TARCC實現(xiàn)溫度的自適應(yīng)調(diào)控。與傳統(tǒng)PDRC涂層相比，設(shè)計制備的TARCC表現(xiàn)出優(yōu)異的季節(jié)間自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。


圖4. TARCC在戶外建筑的應(yīng)用測試。（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）和過渡季節(jié)（春季/秋季，E）的室外溫度對比。


  針對輻射制冷材料實際建筑應(yīng)用問題，提出“適宜小時數(shù)”概念，以20°C~30°C作為適宜生活區(qū)間以評估全年能提供的人體舒適時間。以南京為例，全年144單位的測試樣本中TARCC實現(xiàn)了85單位的適宜小時數(shù)，分別較傳統(tǒng)屋頂和PDRC屋頂提高55%和16%。進一步能耗分析表明TARCC與PDRC涂層相比在中緯度地區(qū)每年可節(jié)省20%能源，同時在全球多種氣候帶均具有節(jié)能潛力。


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數(shù)對比；（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)大學博士生東巖及孟煒峰為論文共同一作，哈爾濱工業(yè)大學王富強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（教授級高工）、正高級工程師李響、鄒亞男，諾丁漢大學Yuying Yan教授及南洋理工大學Chun Yang教授為論文合著者。該工作得到了國家自然科學基金、山東省泰山學者、英國皇家學會、山東省自然科學基金和國家留學基金委等項目的資助。


  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02733


課題組相關(guān)進展

哈爾濱工業(yè)大學王富強《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)大學王富強《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)模化生產(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)大學王富強《ACS Photonics》封面文章：兼顧光學性能和應(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)大學王富強《Applied Energy》：具備遮蓋層的日間輻射制冷涂層，兼顧高光學性能、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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（責任編輯：xu）
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