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《Science》连发两篇辐射致冷领域最新研究成果

发表日期:2021/12/27 10:33:30 来源:热管理材料 评论 总点击量:

01  理想的智能窗户长什么样子?

辐射致冷应用于墙体、屋顶材料已做了广泛的研究,其更适用于常年炎热的地区。 建筑物消耗了全球约40%的能源,而窗户是能效最低的部件之一,导致了高达60%的建筑能量损失。窗户是建筑外围里最复杂的结构,已有的智能窗户在太阳光透射率调控上已取得显著进展,但与热辐射和辐射致冷有关的长波红外波段智能调控对窗户能效的影响却很少受到关注。设计同时调控太阳光和长波红外双波段的智能窗户,并保持可见光透过率,是一个极具挑战性的课题。

新加坡南洋理工大学龙祎博士研究组与美国怀俄明大学谭刚教授和华中科技大学杨荣贵教授研究组合作,以“Scalable thermochromic smart windows with passive radiative cooling regulation”为题在《Science》期刊发表研究成果。研究者们提出了可同时调控太阳光波段及长波红外波段的理想智能窗户模型,多波段同时调控能够实现更优秀的节能效果。研究人员设计并制备了自响应太阳光-长波红外的辐射致冷调节热致变色的双调控智能窗户(RCRT窗户),该窗户在低温长波红外发射率为0.21,与市售低辐射玻璃相近;在高温时,该智能窗户的长波红外发射率增加至0.61。利用自响应太阳光-长波红外双调控智能窗户的各项数据,作者进行了实际建筑耗能的计算机模拟,发现,相比于传统的太阳光调控智能窗户和市售低辐射玻璃,双波段调控智能窗户在全球各气候区,尤其是四季分明的气候区,具有显著的节能优势。与市售低辐射玻璃相比,双波段调控智能窗户最高可节约324.6MJ/m2的制冷/制热能耗,本款智能窗户的太阳能调制能力(ΔTsol)为9.3%,并已经申请了新加坡专利。

RCRT 窗口的结构和概念图

(A) 理想节能智能窗的概念。红线和蓝线代表理想的节能智能窗在夏季和冬季的光谱,LWIR 中的 Tsol 和热辐射分别有助于加热和冷却,可见透明度保持不变,窗户应阻隔近红外并具有较高的 εLWIR-H 以促进夏季辐射降温,而冬季则必须切换到相反的响应。(B) 夏季(左)和冬季(右)RCRT窗的工作原理。黄色箭头表示 Tsol,红色箭头表示热辐射。在夏季,NIR 被阻挡,可见光透过窗户,热辐射增强。在冬天,NIR 和可见光都会进入房间,热辐射被抑制以最大限度地减少热损失。(C) RCRT 窗口的制造过程示意图。(D) RCRT 窗口的结构示意图。(E) 具有 RC 调节的 RCRT 窗口(顶部)和没有 RC 调节的 VO2 窗口(底部)在低温和高温下的照片,样品尺寸为 5×5 cm。

 

RCRT 窗口的光学和热性能

(A和B)样品在20℃(蓝色线)和90℃(红色线)的可见-近红外和LWIR范围内,分别在归一化AM1.5全球太阳光谱(黄色阴影)和LWIR大气透射窗口(蓝色阴影)下的有(A)和没有(B) RC调节下的光谱。左边的示意图分别为有和没有RC调节的样品结构,两个样品均提供太阳能调制,但 RCRT 窗口在 20℃时显示低 εLWIR,在 90℃ 时显示高 εLWIR,而没有 RC 调节的样品εLWIR变化很小。(C) RCRT 窗口(顶部)和没有 RC 调节的 VO2样品(底部)的 IR 相机图像,温度从 30℃增加到 100℃,背景εLWIR 为 0.5。与 30℃至60°C 的背景相比,具有 RC 调节的样品颜色较深表示其 εLWIR<0.5,而 70℃至 100℃ 的较亮颜色表示 εLWIR开关>0.5。相比之下,从 30℃ 到 100℃,没有RC调节的样品比背景更亮。

 

RCRT智能窗户的 εLWIR 发射率调节和能耗模拟

VO2 (A) εLWIR-L(实线)和 RCRT εLWIR-H(虚线)样本光谱值,ε最大值(红线)、Δε最大值(黄线)和ε最小值(蓝线)。通过改变 PMMA 间隔物的厚度,同时固定 VO2-PMMA 层的厚度和VO2重量比,制备了具有不同εLWIR调节能力的样品。(B) Tsol 和εLWIR对区域4 冷却(左)和加热(右)能源使用影响的映射结果。冷却的最小能耗发生在 εLWIR=0.9和 Tsol=10% 时,加热能耗的最小值发生在 εLWIR=0.1和Tsol=90% 的点上。这一观察结果与文中提出的理想窗口非常吻合。(C) 区域 1~7的动态样本冷却节能优化(蓝色列)和静态样本优化(红色方块)的对比。在此模拟中,Tsol 固定为30%,通过固定ε,并在7个区域进行增暖增冷,从总能耗最小的点得到优化的静态ε样本。优化后的动态ε窗口的 εLWIR分别为 0.9(用于冷却)和 0.1(用于加热)。在2~7区域,优化的动态ε窗比优化的静态ε窗的能耗更低。(D) 在全球不同区域,RCRT 窗户均显示出了相对于市售低辐射节能玻璃更优异的节能性能。节能的单位是MJ/m2

本研究为智能节能建筑围护结构,尤其是节能玻璃的发展提供了新的思路,为全球的节能减碳事业贡献了了一种独特的解决方案。

原文信息:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg0291


02  冬暖夏凉,无需天然气和电力的智能屋顶调温涂料

 

当前商用的凉爽屋顶系统,主要使用具有浅色或深色的反射涂层、薄膜、木瓦或瓷砖等“冷色”表面,通过反射阳光为房屋降温。这些系统还以热红外辐射的形式散发出一些吸收的太阳能热量,热红外光从表面辐射到天空中是一种自然的被动辐射致冷过程。在炎热的白天,利用静态的、优化的冷却材料性能使屋顶涂层的辐射致冷能力最大化,是人们关注的焦点。然而,这种效果仅仅适用于如夏天这样的温暖月份才能够节约能源,在寒冷的夜晚或冬季,由此产生的过度冷却会加剧供暖成本,尤其是在供暖占能源消耗主导地位的气候条件下。

加州大学伯克利分校吴军桥教授研究团队以“Temperature-adaptive radiative coating for all-season household thermal regulation”为题在《Science》期刊发表研究成果,通过开发一种机械柔性涂层,使其热辐射适应不同的环境温度,从而从全季节的角度进行热调节。制造的温度自适应辐射涂层 (TARC) 能以最佳的方式吸收太阳能,并在光子放大的金属-绝缘体转变的驱动下,将热辐射率从环境温度低于15℃时的0.20切换到温度高于30℃时的0.90。模拟结果表明,该系统在大多数气候条件下,尤其是在季节性变化较大时,其节能效果优于现有的屋顶涂料。

 

TARC及其对家庭热调节的好处

(A) TARC在天窗(8 - 13毫米)发射度调制中的基本特性及用作家庭屋顶涂料时的温度管理原理图。数据点是测得的 TARC 天窗发射率。两个颜色波段代表了与温度无关的金属和辐射冷却器的热辐射。(B) TARC与其他热调节系统相比,突出了TARC同时具有无能量和温度自适应性的独特优势。(C) TARC的SCSESmin与代表美国15个区域不同城市的其他现有屋顶涂层材料的比较。红色和蓝色圆圈分别表示正和负的SCSESmin值。数值被缩放以圆的面积大小代表。三角形和圆形图标代表的意义在材料和方法小节中进行了解释。

 

TARC的基本性质及实验表征

(A) TARC的结构(i)、材料组成和工作机理(ii、iii)示意图,(iv)和(v)分别显示了当7.8μm波长的电磁波正常入射到 TARC 结构时,电场强度分别在转变温度以下和以上的模拟分布。(B) TARC 的照片(2cm × 2cm)和伪色扫描电子显微镜图像,显示出TARC设计的高度灵活性和结构一致性。(C)TARC 与两种具有恒定低或高热发射率的传统材料(参考)的 TIR图像对比,显示了 TARC 热发射率的温度自适应切换。(D)用带积分球的紫外-可见-近红外光谱仪和FTIR光谱仪,分别测量TARC在低温和高温下的太阳光谱吸收率和部分热光谱发射率。测量结果(实体曲线)与理论预测一致(虚线曲线)。7.8μm处的箭头表示(A)中(iv)和(v)所示电场强度分布的波长。

 

低温真空室中TARC固有辐射致冷能力的表征

(A)实验装置示意图,TARC或铝箔覆盖的薄膜加热器悬浮在低温冷却真空室中。用铝箔作为参考,以消除导热热损失的影响。(B)校准的 TARC 实验冷却通量(功率/面积)作为真空中温度的函数(黑色数据线)。在I和M态,利用Stefan- Boltzmann辐射定律拟合P″cool(T)得到新的εW值分别为0.20和0.90。

 

室外环境下的TARC特性

(A)在露天室外环境中,TARC、商用深色屋顶涂料(A=0.70, εW=0.90)和商用白色屋顶涂料(A=0.15, εW=0.90)的昼夜循环记录的表面温度。该测量于2020年7月5日在加州伯克利(37.91°N, 122.28°W)进行。实线和虚线分别是基于当地天气数据库的实验数据和模拟结果。从当地时间14:00开始的测量是在太阳直接辐射被遮挡的情况下进行的。日落后观察到的温度显示TARC关闭热辐射致冷的明显迹象,因为其表面环境温度低于转变温度。(B)在室外环境中阻挡太阳直接辐射的情况下,测量TARC 和白色屋顶涂层的环境冷却能力。(C) Berkeley在24 小时内及全年表面温度(Ts)和相应的εW映射。还显示了TARC的SCSES与所有其他材料的固定太阳吸收率(Aref)和固定热发射率(εref)的对比。SCSES图中的图标表示TARC在本地气候能源节约方面的最强竞争对手的辐射参数(A, εW)。

研究人员测量TARC全年可反射约75%的阳光,当环境温度高于25℃以上时,其热辐射率高达约90%,促进热量散失到天空。但在天气转凉时,TARC 的热辐射率会自动切换到约20%,这有助于保持太阳能吸收和室内供暖的热量。安装TARC后,当地普通家庭一年可节省大约10%的电力。未来研究人员计划更大规模地开发 TARC 原型,以进一步测试其作为实用屋顶涂料的性能。同时,TARC 还可能作为一种热保护涂层,以延长智能手机和笔记本电脑的电池寿命,也可以保护卫星和汽车免受极高或极低的温度影响。此外,它还可用于制作帐篷、温室覆盖物甚至帽子和夹克的温度调节织物,在日常生活中发挥重要的作用。

原文信息:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf7136


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