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哈工大王富强课题组与中建中环合作《Nano Lett.》:“冬暖夏凉”仿生变色龙跨季节自适应控温辐射制冷涂层

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作为一种新兴的制冷技术,被动式日间辐射制冷技术(PDRC)利用大气窗口(ATW,8-13μm)通过辐射换热将物体表面热量传输到-270°C外太空,并通过增强太阳光谱(0.3-2.5μm)的反射率来减少热量吸收。在不消耗任何能源的情况下实现温度降低,可广泛应用于零能耗建筑、太阳能电池、户外电力设备等场景。但现有的PDRC技术缺乏自适应调控辐射特性能力,在寒冷冬季持续冷却物体导致供暖能耗显著增加,入射太阳辐射功率(~1000W/m2)与辐射制冷功率(~100W/m2)间近十倍的差异使得ATW的高效调控变得困难。因此,迫切需要开发针对太阳光的具备自适应光谱调控能力的PDRC技术来实现“冬暖夏凉”。

近日,哈尔滨工业大学王富强教授课题组与中建中环合作针对太阳辐射功率是辐射制冷功率近十倍这一特点,受纳米比亚变色龙跨季节自适应皮肤控温启发,将 温度自适应 辐射调控技术与 PDRC技术有效结合 。针对目前辐射制冷涂层寒冷季节增加额外采暖能耗的问题,提出了一种高温制冷、低温吸热的“冬暖夏凉”仿生变色龙跨季节自适应控温辐射制冷涂层并探索其应用潜力。设计并制备的具有颜色可变性的温度自适应辐射冷却涂层( TARCC)实现了41%的可见光调节能力 ,跨季节 户外测试证实 其 可靠性:在夏季,TARCC表现出高太阳反射率( ∼ 93%)和大气透射窗发射率 ( ∼ 94%), 实现 低于环境温度6.5 °C。冬季,TARCC的深色强烈吸收太阳辐射, 实现高于环境温度 4.3 °C。TARCC在中纬度地区每年可节省高达20%的能源,并可增加55%的适宜 小时数 。 该工作为自适应控温辐射制冷技术的实际应用提供了新的研究思路,设计制备的 TARCC以其低成本、易于准备和简单的结构,有望实现可持续和舒适的室内环境 。

从纳米比亚变色龙皮肤的温度适应性特性中汲取灵感,将仿生学与辐射调节相结合,开展自适应控温辐射制冷材料研究。从理论出发,利用粒子辐射特性分析进行非均一粒子系优化设计。利用化学键的开环与闭环实现温度响应下的辐射特性调节,利用高温制冷与低温吸热两种模式实现“冬暖夏凉”。

图1.自适应辐射制冷涂层(TARCC)的理论设计。(A)TARCC在不同季节的工作原理示意图;(B)不同粒子在不同入射光下的电场强度图;(C)非均一混合粒径设计;(D)自适应控温变色机理。

通过简单的制备流程及便捷的施工方法完成了T ARCC 的制备。搭建实验台开展变温辐射特性测试,T ARCC 在2 0°C ~ 30°C 区间内 实现了41%的可见光调节能力 。高温环境下通过9 3 %的太阳光反射率及9 4 %的大气窗口发射率进行辐射制冷,低温环境下吸热采暖,通过两种模式间辐射特性的动态调节实现“冬暖夏凉”。材料历经3 00 次高低温循环、 48 小时高温及7 2 小时浸水均无衰减,同时具备优异的颜色拓展性及基底适应性等性能 。

2. TARCC的制备和表征。(A)制备过程示意图;(B)SEM图像;(C)不同温度下的光谱特性;(D)升温和降温过程的平均光谱反射率;(E)热循环稳定性;(F)不同温度下的颜色响应;(G)颜色拓展性。

巧妙的设计并搭建了一个标准化户外控温效果测试平台,通过可控太阳辐照及环境温度实验场景下进行TARCC控温效果的对比测试,为未来自适应辐射制冷材料的性能测试提供了一个标准测试方法。 户外测试结果表明T ARCC 在低温环境下持续吸热升温、高温环境下同P DRC 具备相同的制冷功能、过渡季节在两种模式间切换维持温度稳定。

图3.自适应辐射制冷涂料户外测试。(A)标准化实验装置示意图及实物图;(B)不同环境温度和太阳辐照度下的温度对比;不同材料在炎热季节(夏季,C)、寒冷季节(冬季,D)以及过渡季节(春季/秋季,E)的温度对比。

TARCC 的设计使其在 室外建筑中展现出巨大的潜力。为了评估其在现实环境中的 自适应控温效果 , 作者在 空置屋顶上建立了 分别涂有P DRC 涂料、彩钢瓦和T ARCC 的 室外建筑进行比较测试。 跨 季节 户外建筑 测试证实了TARCC的可靠性:夏季,TARCC表现出高的太阳反射率(~93%)和大气透射窗发射率(~94%), 实现 低于环境温度6.5 °C ;冬季 ,TARCC的深色强烈吸收太阳辐射, 高于环境 温度4.3 °C ;过渡季节,T ARCC 实现温度的自适应调控 。 与传统 PDRC涂层相比, 设计制备的 TARCC表现出优异的季节间自适应调节能力。

图4.TARCC在户外建筑的应用测试。(A)三座相同的户外建筑,分别涂有辐射制冷涂层/彩钢瓦/自适应辐射制冷涂层;(B)建筑屋顶的红外热图像;不同建筑在炎热季节(夏季,C)、寒冷季节(冬季,D)和过渡季节(春季/秋季,E)的室外温度对比。

针对辐射制冷材料实际建筑应用问题,提出“适宜小时数”概念 ,以20°C~30°C 作为适宜生活区间 以 评估全年能提供的人体舒适时间。以南京为例,全年1 44 单位的测试样本中T ARCC 实现了8 5 单位的适宜小时数,分别较传统屋顶和 PDRC 屋顶提高 55% 和1 6 %。进一步能耗分析表明 TARCC与PDRC涂层相比在中纬度地区 每年 可节省20%能源 ,同时在全球多种气候带均具有节能潜力。

图5.节能潜力分析。(A)不同材料屋顶表面温度的适宜小时数对比;(B)全球典型城市能耗分析;(C) 全球涂料节能潜力图。

相关研究成果以“ “Warm in Winter and Cool in Summer”- Scalable Bio-chameleons Inspired Temperature Adaptive Coating with Easy Preparation and Construction ” 为题发表在国际权威期刊《Nano Letters》(中科院一区,IF=10.8)。 哈尔滨工业大学博士生东岩孟炜峰为论文共同一作, 哈尔滨工业大学王富强教授及 青年教师程子明为论文通讯作者。中建中环总工程师徐增辉(教授级高工)正高级工程师李响邹亚男,诺丁汉大学YuyingYan教授及南洋理工大学ChunYang教授为论文合著者。该工作得到了国家自然科学基金、山东省泰山学者、英国皇家学会、山东省自然科学基金和国家留学基金委等项目的资助。

论文链接:

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

课题组相关进展

哈尔滨工业大学王富强《Nano Energy》:仿生人体皮肤褶皱结构的高效辐射制冷涂层

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521006327

哈尔滨工业大学王富强《Advanced Optical Materials》封面文章:具有多波段辐射调节性能的低成本、可规模化生产的仿生辐射制冷玻璃

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202202031

哈尔滨工业大学王富强《ACS Photonics》封面文章:兼顾光学性能和应用需求的仿生皮肤辐射制冷织物

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.3c00241

哈尔滨工业大学王富强《Applied Energy》:具备遮盖层的日间辐射制冷涂层,兼顾高光学性能、薄厚度以及优异的户外耐用性

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261923006372

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