變色建筑薄膜節(jié)能新材料
來源：建筑培訓(xùn)網(wǎng)時(shí)間：2023-03-03
保持室內(nèi)空間舒適需要大量的電力。美國(guó)人在家中使用的能源中約有一半用于供暖和制冷，占水電費(fèi)和溫室氣體排放的很大一部分。盡管許多建筑物的墻壁都裝有隔熱材料以保持理想的溫度，但其他建筑物（尤其是舊建筑物）的能源效率低得驚人。
幾十年來，科學(xué)家們一直在研究這個(gè)問題的高科技解決方案?，F(xiàn)在，材料科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種可以在加熱和冷卻模式之間切換的變色膜。這部薄膜比信用卡還薄，消耗的能量非常少，有朝一日甚至可以包裹最浪費(fèi)的建筑物，以幫助在夏天散發(fā)不需要的熱量，并在冬天將其困住。研究結(jié)果最近發(fā)表在《自然可持續(xù)性》上。
“這是一個(gè)非常令人印象深刻的結(jié)果，”密蘇里大學(xué)的機(jī)械工程師姚翟說，他沒有參與這項(xiàng)研究。
新設(shè)備利用了一種稱為輻射冷卻的自然現(xiàn)象，這種現(xiàn)象使室外溫度在夜間下降，并有助于冷卻整個(gè)地球。我們周圍的一切，包括我們的身體和建筑物，都在不斷地以中紅外輻射的形式散發(fā)熱量：電磁波的頻率低于你用眼睛看到的光?！叭藗兛梢允褂脽嵯駜x看到物體，看到人類，看到建筑物，這意味著他們24/7全天候發(fā)射能量，”芝加哥大學(xué)分子工程師，該研究的資深作者Po-Chun Hsu說。
如果您將熱像儀從軌道對(duì)準(zhǔn)地球，您還可以看到熱量從行星輻射到太空的冷真空中。與其他波長(zhǎng)的光相比，我們的大氣層偶然允許更多的中紅外輻射到地球外。雖然大部分熱量離開地球，但有些仍然被大氣中的溫室氣體困住 - 足以破壞地球的熱平衡并導(dǎo)致溫度上升，普渡大學(xué)的電氣工程師Peter Bermel解釋說，他沒有參與這項(xiàng)新研究。隨著全球氣溫的升高，科學(xué)家們正在開發(fā)解決方案，以最大限度地利用輻射減少釋放的熱量。在這些技術(shù)中，薄膜可以包裹結(jié)構(gòu)，使它們散發(fā)出更多的熱量。但世界上許多地區(qū)都經(jīng)歷了嚴(yán)冬和悶熱的夏天?！澳悴幌Ｍ诜孔右呀?jīng)低于冰點(diǎn)的情況下迅速冷卻的東西，”Bermel說。
這種困境是新涂層的靈感來源，這種涂層可以通過簡(jiǎn)單的電力在高和低熱量排放之間切換?？梢姽庖呀?jīng)存在類似的可調(diào)設(shè)備：所謂的動(dòng)態(tài)窗口可以從透明切換到不透明，以控制它們通過的光量。但直到現(xiàn)在，還沒有建筑薄膜可以對(duì)中紅外熱做同樣的事情。
新材料以冷卻模式啟動(dòng)。在一根極其薄的電導(dǎo)體下面，有一個(gè)小的水層，里面溶解著銅離子。在這種狀態(tài)下，設(shè)備自然輻射熱量，冷卻建筑物內(nèi)部。然后，當(dāng)導(dǎo)體層施加少量電荷時(shí)，溶解的銅沉積在其表面上，在儲(chǔ)層上形成薄層（電鍍？）。由于銅吸收的中紅外熱量很少，因此該設(shè)備現(xiàn)在可以捕獲熱量。這種變化可以一次又一次地逆轉(zhuǎn)，盡管重復(fù)使用的回報(bào)遞減：經(jīng)過 1000 次循環(huán)后，冷卻和加熱模式的效率都降低了。
作者估計(jì)，如果將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于建筑物外部的薄膜中，它可以節(jié)省8.4%的能源，用于全年溫度劇烈波動(dòng)的氣候中的供暖和制冷。該建筑也會(huì)改變顏色，從夏天的深白色到冬天的金屬銅，盡管薄膜可以用一種特殊的油漆覆蓋，不會(huì)干擾中紅外輻射。
新型變色涂料既可以加熱建筑物，也可以冷卻建筑物
保持室內(nèi)空間舒適需要大量的電力。美國(guó)人在家中使用的能源中約有一半用于供暖和制冷，占水電費(fèi)和溫室氣體排放的很大一部分。盡管許多建筑物的墻壁都裝有隔熱材料以保持理想的溫度，但其他建筑物（尤其是舊建筑物）的能源效率低得驚人。
幾十年來，科學(xué)家們一直在研究這個(gè)問題的高科技解決方案?，F(xiàn)在，材料科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種可以在加熱和冷卻模式之間切換的變色膜。這種薄膜比信用卡還薄，本身消耗的能量非常少，有朝一日甚至可以包裹最浪費(fèi)的建筑物，以幫助在夏天散發(fā)不需要的熱量，并在冬天將熱量鎖住。研究結(jié)果最近發(fā)表在《自然可持續(xù)性》上。
“這是一個(gè)非常令人印象深刻的結(jié)果，”密蘇里大學(xué)的機(jī)械工程師姚翟說，他沒有參與這項(xiàng)研究。
新設(shè)備利用了一種稱為輻射冷卻的自然現(xiàn)象，這種現(xiàn)象使室外溫度在夜間下降，并有助于冷卻整個(gè)地球。我們周圍的一切，包括我們的身體和建筑物，都在不斷地以中紅外輻射的形式散發(fā)熱量：電磁波的頻率低于你用眼睛看到的光?！叭藗兛梢允褂脽嵯駜x看到物體，看到人類，看到建筑物，這意味著他們24/7全天候發(fā)射能量，”芝加哥大學(xué)分子工程師，該研究的資深作者Po-Chun Hsu說。
如果您將熱像儀從軌道對(duì)準(zhǔn)地球，您還可以看到熱量從行星輻射到太空的冷真空中。與其他波長(zhǎng)的光相比，我們的大氣層偶然允許更多的中紅外輻射到地球外。雖然大部分熱量離開地球，但有些仍然被大氣中的溫室氣體困住 - 足以破壞地球的熱平衡并導(dǎo)致溫度上升，普渡大學(xué)的電氣工程師Peter Bermel解釋說，他沒有參與這項(xiàng)新研究。隨著全球氣溫的升高，科學(xué)家們正在開發(fā)解決方案，以最大限度地利用輻射冷卻釋放的熱量。在這些技術(shù)中，薄膜可以包裹結(jié)構(gòu)，使它們散發(fā)出更多的熱量。但世界上許多地區(qū)都經(jīng)歷了嚴(yán)冬和悶熱的夏天?！澳悴幌Ｍ诜孔右呀?jīng)低于冰點(diǎn)的情況下迅速冷卻的東西，”Bermel說。
這種困境是新涂層的靈感來源，這種涂層可以通過簡(jiǎn)單的電力在高和低熱量排放之間切換?？梢姽庖呀?jīng)存在類似的可調(diào)設(shè)備：所謂的動(dòng)態(tài)窗口可以從透明切換到不透明，以控制它們通過的光量。但直到現(xiàn)在，還沒有建筑薄膜可以對(duì)中紅外熱做同樣的事情。
新材料以冷卻模式啟動(dòng)。在一根極其薄的電導(dǎo)體下面，有一個(gè)小的水庫(kù)，里面溶解著銅離子。在這種狀態(tài)下，設(shè)備自然輻射熱量，冷卻建筑物內(nèi)部。然后，當(dāng)導(dǎo)體層施加少量電荷時(shí)，溶解的銅沉積在其表面上，在儲(chǔ)層上形成薄層。由于銅吸收的中紅外熱量很少，因此該設(shè)備現(xiàn)在可以捕獲熱量。這種變化可以一次又一次地逆轉(zhuǎn)，盡管重復(fù)使用的回報(bào)遞減：經(jīng)過 1，000 次循環(huán)后，冷卻和加熱模式的效率都降低了。
作者估計(jì)，如果將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于建筑物外部的薄膜中，它可以節(jié)省8.4%的能源，用于全年溫度劇烈波動(dòng)的氣候中的供暖和制冷。該建筑也會(huì)改變顏色，從夏天的深白色到冬天的金屬銅，盡管薄膜可以用一種特殊的油漆覆蓋，不會(huì)干擾中紅外輻射。
“目前這只是證明該機(jī)制的第一步，我們已經(jīng)看到了非常好的進(jìn)展，”沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)的材料科學(xué)家兼工程師甘巧強(qiáng)說，他沒有參與這項(xiàng)研究。新系統(tǒng)似乎很有前途，特別是與其他一些研究小組之前嘗試使用水溶液創(chuàng)建可調(diào)設(shè)備相比。一些考慮用于類似裝置的材料是高度易燃的，顯然不適合包圍建筑物。新薄膜不會(huì)起火，但這并不意味著它已經(jīng)準(zhǔn)備好使用。
除了隨著時(shí)間的推移效率下降之外，新設(shè)備的主要缺點(diǎn)是成本高。覆蓋薄膜外層的薄電極是高質(zhì)量的石墨烯，一種昂貴的單原子厚的碳陣列。石墨烯的超薄度允許熱能通過，同時(shí)材料仍然導(dǎo)電。為了使這些建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可行，研究人員必須使用更便宜的材料以及可以大規(guī)模制造的材料來實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。Hsu和他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃嘗試使用低質(zhì)量的石墨烯和其他材料，以找到更具成本效益的替代品。他們還計(jì)劃嘗試更便宜的金屬，如鋅來代替銅。
在價(jià)格和性能之間取得平衡需要時(shí)間，因此社區(qū)在未來幾年可能不會(huì)被變色的生態(tài)建筑填滿。但“這是一個(gè)非常非常熱門的研究話題”，甘說，這是有充分理由的。雖然減少約8%的能源使用量可能看起來很小，但“如果你在社會(huì)規(guī)模上考慮它，這可能會(huì)非常有影響，”Bermel說?！澳茉葱枨蠛凸?yīng)的變化量級(jí)為百分之幾，可能會(huì)產(chǎn)生很大的差異。
