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适合大规模建筑应用的智能辐射制冷涂层

近年,“日间辐射制冷”这一黑科技因其在零能耗的前提下,利用寒寂太空作为冷源,实现太阳光直射下物体表面低于环境气温的制冷效果而举世瞩目。科学家们通过调控材料的光学及红外响应,使其在太阳光波段(0.3-2.5微米)具有极高的反射率(>90%),减少物体从太阳光中吸收的热量,同时选择性的使材料在大气红外透射窗口(8-13微米)波段具有高辐射率(>90%),将热量透过大气层“排放”到宇宙中去,从而实现低于环境温度的制冷效果。


2014年,斯坦福大学范汕洄教授团队首创了白天低于环境温度的辐射制冷技术(Sub-ambient Daytime Radiative Cooling, SDRC),通过在银衬底上沉积多层纳米光子晶体,在无需消耗电能的情况下,突破性地实现了低于环境5 ℃的制冷效果(Nature, 2014, 515, 540-544)。随后,科罗拉多大学、哥伦比亚大学等研究团队,分别用玻璃微球混合超材料(Science, 2017, 355, 1062-1066),层级多孔聚合物(Science, 2018, 362, 315-319,点击阅读详细),纤维素压缩取向木材(Science, 2019, 355, 760-763,点击阅读详细)等方式实现白天低于周围环境温度的辐射制冷效果。这些研究在材料设计上的创新层出不穷,并开发出膜材料/有机涂层/结构化材料/水冷循环系统等应用新技术,不断带来制冷性能和应用领域的新突破。


建筑自古以来为人类提供栖身之所和归属感,炎热夏季实现建筑零能耗制冷,保持室内人体舒适度一直是人类追求的梦想。建筑作为全球的能耗大户(占全球总能耗的35~40%),如能成功应用零能耗制冷这一项颠覆性技术,无疑对全球能源问题的问题的解决带来不可估量的影响。近日,中国建筑集团张卫东博士携手香港理工大学土木及环境学系戴建国教授及香港城市大学材料科学与工程学系雷党愿副教授(以下简称“合作团队”),针对建筑应用的特殊需求,联合发明了一种适合于建筑表面使用的智能辐射制冷(Smart Sub-ambient Radiative Cooling, SSRC)水性涂层。合作团队提出了全新的材料设计理念,通过“多重散射+荧光发射”的设计降低涂层对太阳光的吸收,并避免追求极致的太阳光反射性能。此外,设计的宽谱辐射体在通过大气窗口将热量源源不断的发射至外太空的同时,也充分与大气长波辐射进行动态热交换,从而增强日间制冷,抑制夜间超荷制冷,避免在建筑物表面产生巨大的昼夜温差及其对建筑物的耐久性产生的不利影响。


合作团队选择了商业化的二氧化钛纳米粒子,通过多重Mie散射作用实现对太阳光的有效反射;随后巧妙的引入荧光材料,利用Purcell效应增强的荧光发射进一步降低涂层对太阳光的有效吸收(有效反射率从89.8%提升至93.4%)。同时,涂层中加入了宽粒径分布玻璃微球,其声子增强FrÖhlich共振能够实现超宽带的红外辐射(3-50微米辐射率为90%,红外大气窗口波段辐射为95~96%)。通过上述三重机理的协同作用,新开发的SDRC涂层实现了在制冷的同时减小建筑表面及内部昼夜温差的智能效果。以铝板为涂层基底的测试结果表明,涂层表面在正午和夜晚低于环境温度的制冷效果分别达到6±1 ℃和4±0.3 ℃。

图1. SSRC涂层工作机理及光谱


合作团队也对带有涂层的缩尺混凝土建筑(2×2×2.2 m3)进行了现场效果测试。发现当外界环境温度在24-37 ℃之间变化时,具有涂层的混凝土模型房室内温度维持在人体较为舒适的温度26 ℃附近。尤其值得一提的是,该涂层所需要的原材料均为成熟的商业化建筑材料(如二氧化钛/荧光颗粒/玻璃微珠和苯丙乳液等),成本较低且便于制备和储存,和目前的商用涂层的相比,施工工艺亦无特殊要求。除此之外,该涂层还具备优异的耐老化和超疏水自清洁性能,在经过960小时的人工加速老化试验后(相当于在户外放置2年),涂层整体性能无明显下降,充分保证了其在建筑表面的长期服役性能,节省人工维护成本。

图2. SSRC涂层工作性能。a,铝板测试结果;b,喷涂施工;c,模型房应用效果


合作团队的创新设计理念大大拓宽了白天辐射制冷材料选择的范围,为现有商用降温涂层的升级带来了巨大的市场潜力,其低成本、耐久、免维护、环境友好等特性为解决现代都市建筑能源和环境问题、缓解城市热岛效应和全球温暖化等难题提供了无限可能性。


该成果近期发表在Advanced Materials 杂志,香港理工大学薛晓博士和邱孟博士为该文章的共同第一作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Creating an Eco‐Friendly Building Coating with Smart Subambient Radiative Cooling

Xiao Xue, Meng Qiu, Yanwen Li, Q. M. Zhang, Siqi Li, Zhuo Yang, Chi Feng, Weidong Zhang, Jian‐Guo Dai, Dangyuan Lei, Wei Jin, Lijin Xu, Tao Zhang, Jie Qin, Huiqun Wang, Shanhui Fan

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201906751


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