可承受300次高低温循环!用于建筑外墙的跨季节自适应控温辐射制冷涂层

2023-11-01 09:09:03 683


水性色浆引 言」

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。

水性色浆

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”

水性色浆

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

水性色浆

研究人员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。

● 在冬季,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”。


水性色浆

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TARCC的制备。搭建实验台开展变温辐射特性测试,TARCC在20°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93%的太阳光反射率及94%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300次高低温循环、48小时高温及72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。


图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TARCC在低温环境下持续吸热升温、高温环境下同PDRC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PDRC涂料、彩钢瓦和TARCC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,TARCC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144单位的测试样本中TARCC实现了85单位的适宜小时数,分别较传统屋顶和PDRC屋顶提高55%和16%。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)。关键词:水性色浆,涂料色浆,纺织色浆,UV,通用色浆,轻防腐色浆,木器漆色浆,乳胶色浆,工业涂料色浆。


哈尔滨工业大学博士生东岩及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Yuying Yan教授及南洋理工大学Chun Yang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


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来源:高分子科技

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