文献前沿|Chem. Eng. J.: 具有温度自适应辐射冷却功能的全天候节能相变泡沫

近年来，被动辐射冷却材料（RCM）在建筑节能方面的应用得到广泛关注，但良好的冷却性能可能导致建筑在夜间或在寒冷的季节过度冷却。针对此问题，该研究提出了一种具有温度自适应冷却特性的相变辐射冷却材料（PCRCM）。该材料在热大气中的反射率为96%，在冷大气中的反射率为82.6%，白天通过热辐射和PCM吸热被动冷却，夜间通过PCM放热主动加热，在不同季节都具有良好的建筑节能潜力。相关工作以Phase change foam with temperature-adaptive radiative cooling feature forall-day building energy saving为题发表在Chemical Engineering Journal期刊。

2.1 PCRCM的设计和结构特性

如图1a所示，该材料采用具有高红外透明窗口（MIR, 8 ~ 13μm）发射率的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为柔性衬底，选择具有高太阳后向散射效率的氮化硼（BN）纳米片作为光学填料，用于构建太阳反射网络。 采用直径约200 ~ 300 μm的蔗糖微球作为牺牲模板，制备了多孔PDMS@BN泡沫作为RCM，以实现太阳光的漫反射。 为调节其强大的辐射冷却性能，采用真空浸渍法将具有温度自适应太阳透过率的PCM十八烷（ODE，熔点28℃）集成到RCM骨架中。由此产生的PCRCM如图1b所示。图1d和1 h显示了RCM的微观结构。PCRCM的微形貌如图1i所示，其中ODE晶体明显附着在PDMS@BN框架上，同时保留了其多孔结构。RCM和PCRCM结构的孔径分布如图1e所示。RCM的平均孔径为224 μm，PCRCM的平均孔径为168 μm。 图1f为RCM和PCRCM的应变-应力曲线。 这些曲线表明，RCM表现出良好的柔韧性，而PCRCM的柔韧性受到刚性ODE晶体的影响。如图1g所示，PDMS泡沫的水接触角（WCA）超过141◦。装载疏水性ODE后的PCRCM泡沫的WCA增加到148◦，表明具有优异的防污性能。图1k为ODE封装前后孔隙度对比图。RCM的孔隙率为85.5%，而PCRCM的孔隙率为50.5%，表明包封ODE后泡沫保持了丰富的多孔结构，多孔结构对阳光的漫反射能力得以保留。

图1：PCRCM的设计和结构特性

2.2 隔热及储热性能

图2：PCRCM的储热及隔热性能

图2a显示了本文制备的RCM和PCRCM的隔热性能，其中泡沫放置在60°C的热台上模拟极热气候，RCM和PCRCM均表现出显著的保温性能。如图2b所示，多孔结构导致传热结构缺陷，导致泡沫导热系数低。作为导热填料，氮化硼纳米片略微增强了泡沫的导热性，导致绝缘的负贡献很小。 如图2c和2f所示，熔融焓为161 J/g的PCRCM的热容得到了增强。 这是由于在热传递过程中，热量被ODE吸收而没有进一步传递。 因此，PCM的蓄热/放热机制如图2d和图2e所示。白天的太阳照射，温度> 28℃将导致PCRCM通过熔化吸收热量。 相反，在夜间，温度< 28℃将导致PCRCM凝固时释放热量。

2.3 相变调节的动态自适应光学特性

图3：RCM和PCRCM的光学特性

在寒冷气候下建筑需要被动辐射加热，使其能够根据周围温度自动在模式之间转换。 如图3b和3c所示，PCM可以通过涉及晶体熔化和结晶的相变过程来实现环境温度响应。 PCRCM呈现出低温被动辐射加热模式和高温被动辐射冷却模式两种不同的模式。 在加热模式下，PCRCM的平均反射率为82.6%，在冷却模式下为96%。 在8 ~ 13 μm的MIR光谱范围内，RCM和PCRCM的平均红外发射率分别为94%和93%。为了研究直径为0.8 μm的二维BN粒子对太阳光的散射，利用COMSOL Multi - physics®软件建立了一系列不同形状的散射模型。球形、厚平面（h-BN）和薄平面（BN纳米片）的极化结果和三维辐射远场模拟散射结果如图3g、3h、3i、3j所示。

2.4 全天辐射制冷性能及理论分析

在中国成都一个晴朗的夏日（30.70°N, 104.06°E），通过连续的室外测量证实了RCM的夜间过冷效应，如图4b所示。 如图4a所示，RCM在整个白天和夜间都表现出亚环境冷却，而PCRCM仅在白天表现出亚环境冷却，8点后PCRCM的被动降温幅度小于RCM。 在中午12点，PCRCM的冷却效果比RCM低2.2℃。在夏季阳光的直接照射下，PCRCM在一天中最热的时候实现了17.3℃的被动温度下降，低于亚环境温度（70.1℃）。夜间，由于PCM的放热作用，TPCRCM高于Tatm和TRCM。 在白天，PCRCM和RCM均表现为被动降温，温度为0 ~ 10℃，实时冷却功率为180 W/m2。 在夜间，PCRCM表现出放热和辐射冷却的联合效应（TPCRCM−TAmb≈3-5℃），其加热功率达到30 W/m2。 相比之下，RCM继续降低亚环境温度（TRCM−TAmb≈−1℃），冷却功率达到5 W/m2。夏季条件下RCM的计算结果如图4j和4k所示，其中确定RCM的Pnet ΔT=0白天为58.3 W/m2（ΔTnet=0 = 11℃，0 W·m−2·k−1），夜间为96.7 W/m2（ΔTnet=0 = 17.6℃，0 W·m−2·k−1）。

图4：实际和理论冷却性能

2.5 气候变化下的模拟应用和节能潜力

采用EnergyPlus整体建筑能耗模拟程序来研究PCRCM的潜在节能潜力。在中国成都的年平均气候条件下，通过构建一个面积为48 m2的房屋模型，对比RCM和PCRCM用作外墙对该住宅在不同工况下运行年能耗结果，如图5d所示。 考虑使用RCM作为墙面，计算了由于过冷引起的额外建筑采暖能耗（图5b）。 同时选取中国6个不同的典型气候区进行模拟，模拟结果如图5c所示。 此外，还模拟了以PCRCM为墙面的建筑的供暖和制冷能耗，如图5e和5f所示，与一般墙面比PCRCM在夏季节省了冷却能源，在冬季也节省了供暖能源。采用墙体表面PCRCM的住宅一年的采暖/制冷能耗如图5g和5h所示。在制冷需求高的地区，PCRCM可以节省更多的制冷能源，而在供热需求丰富的地区，PCRCM可以节省更多的供热能源。

图5：建筑节能潜力

小结：研究者提出了一种能零能耗实现动态温度适应的多孔结构PDMS@BN相变泡沫。相变泡沫具有太阳加热（82.6%太阳反射率）和辐射冷却（96%太阳反射率）两套光谱特性，可相变冷却的双重功能，同时在寒冷的夜间温度下通过相变加热来减轻过度冷却。在夏季太阳照射的条件下，开发的泡沫实现了17℃的最大温度下降，夜间温度比亚环境温度高3~5℃，证明了泡沫在夏季和冬季的自适应冷却/加热特性。该材料在多种气候下的全季节节能方面表现出优异的性能，为基于热响应的动态自适应热管理策略在建筑节能方面的应用提出了新方案。

论文信息：Jiang W, Zhu T, Chen J, et al. Phase change foam with temperature-adaptive radiative cooling feature for all-day building energy saving. Chemical Engineering Journal, 2024:157862.

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