撰稿 | 董愷?。绹?guó)加州大學(xué)伯克利分校，博士后）

說(shuō)明 | 本文來(lái)自論文作者（課題組）投稿

節(jié)能減排是社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，也是科學(xué)研究的重點(diǎn)方向。

縱觀整個(gè)社會(huì)的能源需求，建筑物的能源消耗占比極大，而其中房屋的溫度管理系統(tǒng)（空調(diào)制冷、暖氣/電熱供暖）又是建筑物能耗的核心部分。

根據(jù)美國(guó)能源信息署公布的數(shù)據(jù)，2015年美國(guó)全年約 39% 的能耗被用到了建筑物上，2018年美國(guó)住房總能源消耗量的 51% 被用于供暖和制冷。因此，近年來(lái)被動(dòng)紅外輻射散熱屋頂技術(shù)成為了科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向外輻射電磁波，對(duì)建筑物的屋頂而言，其輻射的電磁波處于中紅外波段。被動(dòng)紅外輻射散熱屋頂技術(shù)利用了上述物理原理，使用高紅外輻射率的屋頂覆層材料，將建筑物多余的熱量通過(guò)熱輻射的方式發(fā)射到外太空（等效溫度約3K）。

被動(dòng)輻射散熱屋頂技術(shù)可以在不消耗能源的前提下為建筑物降溫，因此被多個(gè)國(guó)家大力推廣以節(jié)約建筑物能耗。然而，紅外輻射散熱是不可控的物理現(xiàn)象：在寒冷的冬季或者低溫的夜晚，紅外輻射散熱屋頂會(huì)一直降低建筑物溫度，這反而提高了供暖系統(tǒng)的能源需求，并（部分）抵消了該技術(shù)全年的總節(jié)能收益，極大地限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校和美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)，提出了使用相變材料制造溫度自適應(yīng)輻射散熱覆層（Temperature-Adaptive Radiative Coating,TARC）的技術(shù)路線。結(jié)果表明：在一些晝夜或四季溫差較大的地理區(qū)域，TARC的全年節(jié)能總量?jī)?yōu)于現(xiàn)實(shí)存在的任意材料。

其相關(guān)成果以“Temperature-adaptive radiative coating for all-season household thermal regulation”為題發(fā)表于 Science。該論文的通訊作者為美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Junqiao Wu（吳軍橋）教授，第一作者為北京大學(xué)集成電路學(xué)院的唐克超教授，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的博士后董愷琛，以及美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的博士生李嘉琛。

通常情況下，被動(dòng)輻射散熱屋頂覆層的紅外輻射率固定且不隨溫度變化（如圖1所示）。然而，TARC僅在高溫情況下維持約 90% 的高紅外輻射率以散熱；當(dāng)屋頂溫度下降到 22 攝氏度以下時(shí)，TARC會(huì)自動(dòng)切換到“保暖模式”，其紅外輻射率下降到 20% 左右以“關(guān)閉”紅外輻射散熱通道。

圖1：TARC的性能（圖源：Science）

為了實(shí)現(xiàn)該智能開(kāi)關(guān)功能，研究團(tuán)隊(duì)基于溫控相變材料二氧化釩（Vanadium Dioxide）制造了微米級(jí)特征尺度的超材料（metamaterials）結(jié)構(gòu)。二氧化釩材料在高溫下處于金屬態(tài)，在溫度降低到相變溫度以下時(shí)變?yōu)榻^緣體態(tài)，其相變過(guò)程速度快且可逆。為了將二氧化釩的相變溫度調(diào)節(jié)到室溫附近，研究團(tuán)隊(duì)向二氧化釩中摻雜了原子百分比為1.5%的鎢。

圖2：TARC的微結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖（圖源：Science）

使用此方法制成的柔性TARC具有智能開(kāi)關(guān)紅外輻射率的功能。此外，為了提高全年的總節(jié)能量，研究人員還通過(guò)大量計(jì)算，將TARC的太陽(yáng)光吸收率優(yōu)化到 25% 附近。

圖3：TARC在可見(jiàn)光-近紅外波段的吸收率與中紅外波段的輻射率測(cè)量結(jié)果（圖源：Science）

經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)試，TARC在高溫環(huán)境下的散熱性能與商業(yè)化紅外輻射散熱屋頂涂料相近；當(dāng)環(huán)境溫度下降后（如入夜），TARC自動(dòng)進(jìn)入“保暖模式”，其表面溫度與環(huán)境溫度保持一致，且高于商業(yè)化紅外輻射散熱屋頂涂料的溫度。

圖4：TARC的實(shí)地測(cè)試結(jié)果（A）TARC/灰色傳統(tǒng)屋頂涂層/白色紅外輻射散熱屋頂涂層的表面溫度與環(huán)境溫度隨時(shí)間變化的對(duì)比圖。（B）TARC和白色紅外輻射散熱屋頂涂層在不同溫度下的紅外輻射散熱功率對(duì)比（圖源：Science）

研究團(tuán)隊(duì)還根據(jù)美國(guó)的氣候數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了不同屋頂涂層材料的全年節(jié)能總量仿真。計(jì)算結(jié)果表明，除全年炎熱（如佛羅里達(dá)州和亞利桑那州）和全年寒冷（如阿拉斯加州）的區(qū)域外，TARC在美國(guó)絕大部分地區(qū)的全年節(jié)能量?jī)?yōu)于現(xiàn)今存在的任意屋頂涂層材料，這體現(xiàn)出溫度自適應(yīng)輻射散熱覆層具有極大的應(yīng)用潛力。

圖5：TARC在美國(guó)部分主要城市與“所處城市最節(jié)能屋頂材料”的全年節(jié)能總量對(duì)比圖。紅色圓圈表示TARC的節(jié)能總量較大，藍(lán)色圓圈表示“所處城市最節(jié)能屋頂材料”的節(jié)能總量較大（圖源：Science）

未來(lái)，溫度自適應(yīng)輻射散熱技術(shù)的應(yīng)用范圍，有望擴(kuò)展到手機(jī)、汽車、溫室大棚、帳篷、衣服等領(lǐng)域，為節(jié)能減排事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

論文信息

K. Tang, K. Dong, J. Li, et al. Temperature-adaptive radiative coating for all-season household thermal regulation. Science 374, 1504-1509 (2021).

https://doi.org/10.1126/science.abf7136

監(jiān)制 | 趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

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