科學(xué)家研發(fā)自動(dòng)調(diào)節(jié)『冬暖夏涼』的新型屋頂覆層 二十二攝氏度附近開關(guān)輻射散熱

該論文第一作者董愷琛（左）和李嘉琛調(diào)整用于開發(fā)TARC智能屋頂覆層的脈沖激光沉積設(shè)備

通常，人們通過夏季使用空調(diào)、冬季使用供暖來滿足房屋“冬暖夏涼”的居住需求。

如果有一種薄膜覆層，蓋在屋頂后便可根據(jù)環(huán)境溫度，“自動(dòng)”進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，并且不需要提供額外的能源，是不是很“神奇”？

近日，加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系吳軍橋教授團(tuán)隊(duì)歷時(shí)3年，研發(fā)了一種可“自動(dòng)”調(diào)節(jié)溫度的新型機(jī)械柔性薄膜覆層（TARC），將該薄膜覆蓋在屋頂后，其熱輻射可根據(jù)不同的環(huán)境溫度“自我調(diào)節(jié)”。

并且，在不使用天然氣和電力的條件下，有助于讓房屋保持“冬暖夏涼”。其中，在約22攝氏度附近熱輻射率可在20%～90%范圍根據(jù)溫度自動(dòng)開關(guān)，每年最多可節(jié)約10%能源。

相關(guān)論文以《用于全季節(jié)家庭熱管理的溫度自適應(yīng)輻射覆層》為題發(fā)表。吳軍橋教授為通訊作者，北京大學(xué)集成電路學(xué)院助理教授唐克超，伯克利加州大學(xué)博士后董愷琛，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室博士生李嘉琛為共同第一作者。

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解決納米結(jié)構(gòu)中不同材料的加工兼容性，使新型覆層四季皆宜

研究初期，該團(tuán)隊(duì)試圖尋找一種新型屋頂材料，可以在夏天需要降溫和冬天需要保溫的時(shí)候“自動(dòng)適應(yīng)”。在經(jīng)過材料篩選與性能對(duì)比后，他們發(fā)現(xiàn)，二氧化釩或許是合適的材料。

二氧化釩的相變特性雖然很有潛力，但是相變溫度高達(dá)67攝氏度，不適合室溫使用。為了解決這個(gè)問題，他們通過嘗試不同材料的調(diào)和來達(dá)到更理想的性能。研究人員向二氧化釩中通過“摻雜”的方式加入1.5%原子數(shù)百分比的鎢，使其相變溫度降低至22攝氏度～24攝氏度。

TARC可以在不消耗天然氣或電力的情況下實(shí)現(xiàn)房屋的熱調(diào)節(jié)

屋頂實(shí)驗(yàn)的裝置?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，課題組模擬了TARC在代表美國大陸15個(gè)不同氣候區(qū)的城市中全年的表現(xiàn)

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，在研究過程中最大的技術(shù)挑戰(zhàn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及柔性納米薄膜的加工制造。

據(jù)悉，該項(xiàng)目由多個(gè)課題組聯(lián)合完成。董愷琛表示，這些課題組在二氧化釩相變材料、光學(xué)超材料技術(shù)、傳熱學(xué)等方面有多年的積累。團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地將已有的知識(shí)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以得到納米覆層的最佳性能。

并且，該團(tuán)隊(duì)通過大量實(shí)驗(yàn)，得到了納米結(jié)構(gòu)中不同材料的加工兼容性，由此逐漸摸索出行之有效的工藝路線。

為確認(rèn)二氧化釩在屋頂系統(tǒng)中的具體性能指標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)用他們自主設(shè)計(jì)的TARC薄膜覆層來驗(yàn)證，該薄膜尺寸為2厘米x2厘米，它有4層，分別為：機(jī)械支撐層（膠帶），反射底層（銀），透明中間層（氟化鋇），以及頂層（二氧化釩）。從外觀來看，TARC與日常生活用的透明膠帶類似，可貼在屋頂或其他物品表面。

從該團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，二氧化釩在TARC薄膜中的多功能性優(yōu)異充分展現(xiàn)，其全年節(jié)能性能與商用深色屋頂涂料和商用白色屋頂涂料比較后更勝一籌。

當(dāng)前市場上使用的商用涼爽屋頂系統(tǒng)，采用“被動(dòng)輻射冷卻技術(shù)”來達(dá)到降溫的作用，其主要原理為利用使用淺色或深色的表面反射陽光，例如反射涂層、薄膜、木瓦、瓷磚等。

TARC的基本性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)表征

此外，該系統(tǒng)還通過熱紅外輻射將多余的熱量發(fā)射到外太空，以實(shí)現(xiàn)無能耗制冷的功能。

然而，這種效果僅適用于溫度高的月份（比如夏天）；在溫度低的月份（比如冬天），涼爽屋頂系統(tǒng)無法“識(shí)別”外界溫度的變化，會(huì)繼續(xù)保持輻射熱量的狀態(tài)，這在無形中使房屋的供暖成本增加。

而吳軍橋團(tuán)隊(duì)這種溫度自適應(yīng)輻射覆層TARC可以在冬夏模式“自由切換”并實(shí)現(xiàn)節(jié)能，其作用原理是利用了輻射冷卻速率的調(diào)節(jié)。

“我們的智能屋頂覆層TARC可以根據(jù)室外空氣溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)輻射冷卻速率，實(shí)現(xiàn)夏天涼爽到冬天溫暖的完美切換，就像是一臺(tái)無需要供能、無排放的空調(diào)和暖氣一體機(jī)。”吳軍橋教授在接受媒體采訪時(shí)表示。

22攝氏度附近開關(guān)輻射散熱，可用于物品及建筑物的無源溫度管理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該材料在30攝氏度以上的條件下，熱輻射率高達(dá)90%；在溫度下降到15攝氏度后，熱輻射率可以低至20%以保存熱量。而商用涼爽屋頂系統(tǒng)并不具備這類智能自適應(yīng)熱輻射開關(guān)能力。

根據(jù)該團(tuán)隊(duì)計(jì)算，在美國15個(gè)氣候區(qū)中，有12個(gè)氣候區(qū)TARC的全年節(jié)能總量高于市面上的任何涼爽屋頂材料。使用TARC技術(shù)后，美國的一般住宅電能消耗最多可以降低10%。

該團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化。除應(yīng)用于屋頂，該技術(shù)還有許多應(yīng)用場景。

董愷琛表示，未來，該技術(shù)可應(yīng)用在手機(jī)、筆記本、車輛、服裝、帳篷、溫室大棚等物品/建筑物的無源溫度管理領(lǐng)域，這將有助于減小能源消耗并緩解未來的能源危機(jī)問題。