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图片来源：Junqiao Wu, Lawrence Berkeley National Laboratory 来源：美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室 翻译：王鹏杰 编辑：戚译引 科学家们开发了一种全季节适用的智能屋顶涂层，可在不消耗天然气或电力的情况下使房屋保持冬暖夏凉。《科学》（Science）杂志 12 月 17 日的一项研究展示了一项突破性技术，其节能性能超过了商用的屋顶降温系统。 “我们的全季节屋顶涂层会根据室外温度在保持凉爽或温暖之间自动调节。这是一款零耗能、零排放的、集制冷和加热功能于一身的系统，” 研究通讯作者、美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）材料科学部科学家、加州大学伯克利分校（UC Berkeley）材料科学与工程教授吴军桥（Junqiao Wu）说。 目前屋顶降温系统一般利用深浅不一的冷色调表面反射太阳光，来降低室内温度，这类系统包括反射涂层、薄膜、木瓦或瓷砖等。这些材料还会以热红外辐射的形式释放出一部分所吸收的太阳光热量，这一过程称为辐射制冷（radiative cooling）。 许多屋顶降温系统存在一个问题，就是它们在冬季仍会继续辐射释放热量，提升了取暖成本。吴军桥解释说：“我们研发的新材料，自适应温度辐射涂层（temperature-adaptive radiative coating，TARC），在冬季里可自动切断辐射制冷，从而解决了过度降温的问题，达到节能的目的。”TARC 是首款可以通过调节辐射冷却速率，在炎热天气降温和寒冷天气加热两种模式之间自动切换的屋顶涂层。 全季节适用的屋顶 “从几年前起我就在思索，是否存在一种材料，可以在炎热天气的辐射制冷和寒冷天气的保温之间自动切换，”他说，“然后我想到，二氧化钒可以做到。” 金属通常是电和热量的良导体。2017 年，吴军桥和他的研究团队发现二氧化钒中的电子行为类似于金属中的电流传导，但却是热量的绝缘体。换句话说，这种材料具有良好的导电性却不导热。“这种行为与其他大部分材料形成鲜明的对比，那些材料中电子既可以导热也可以导电。” 当温度低于 67℃ 时，二氧化钒对于热红外光是透明的，因此不会吸收热红外光。但一旦温度达到 67℃，二氧化钒就会转变为金属态，可以吸收热红外光。这种从绝缘相转变为金属相的能力是所谓相变材料的特征。 吴军桥在 2017 年的研究表明，使用掺杂（doping）技术将二氧化钒中的 1.5% 的钒替换为钨，可将该材料的相变阈值降低到 25℃，这是实际应用的最佳温度。 为了研究二氧化钒在屋顶系统中表现如何，吴军桥和他的团队构建了一个 2 厘米* 2 厘米的 TARC 薄膜，包含三层结构：由银制成的底层反射层，氟化钡组成的透明中间层，和整齐排布着二氧化钒“岛”的顶层。 “TARC 看起来像透明胶带，可以粘在像屋顶这样的坚固表面，”吴军桥说。 这项最新研究结果表明，TARC 薄膜的中二氧化钒表现出惊人的全季节通用性。研究还将其性能与商用深色屋顶涂层和白色涂层做了对比。 在一项关键的实验中，文章共同第一作者 Kechao Tang 去年夏季在吴军桥在东湾（East Bay）的家中屋顶上进行实地测试，以检验这项技术在现实环境中的可行性。 在数天的时间里，吴军桥阳台上的无线测量设备持续记录着 TARC、商用深色屋顶、商用白色屋顶三种样品对阳光直射和室外温度变化的响应。 TARC 优越的节能性能 接下来，研究人员利用室外实验获取的数据，模拟了 TARC 在横跨美国大陆 15 个具有代表性的城市中全年的性能表现。 吴军桥联系了该研究的共同作者、伯克利实验室能源技术部（Energy Technologies Area）Heat Island Group 研究组的组长 Ronnen Levinson，来帮助他们优化屋顶表面温度的模型。作为研究表面冷却（如反射性屋顶、墙壁、人行道）技术、收效和政策将近三十多年的专家，Levinson 根据超过 10 万的建筑能量模拟结果（Heat Island Group 曾开展这些模拟，用以评估全美屋顶降温和墙壁降温系统的效益），开发出一个评估 TARC 节能性能的方法。 吴军桥的团队利用该方法，预测了通过降低夏季制冷耗能和冬季取暖耗能，TARC 每年能够节约的能量。 东海岸创新研究院（East Bay Innovation Academy）的一名 12 年级学生 Finnegan Reichertz 去年作为暑假实习生远程参与吴军桥的工作，帮助模拟了 TARC 及其他屋顶材料分别在 15 个具有代表性的城市或气候地区每年特定日期、特定时间的性能表现。 研究人员报告，根据模拟结果，在 15 个气候区中的 12 个，TARC 节能性能优于现存的屋顶涂层，尤其是在昼夜温差大的区域（如旧金山湾区）或冬夏季温差大的区域（如纽约市）。 “安装 TARC 后，美国平均每个家庭可节省 10% 的电能。”Tang 说。 标准的屋顶降温系统具有高的太阳光反射系数和高的热发射能力（以热红外光形式辐射出热量的能力），即使在寒冷天气也保持着这些性能。 Levinson 称，根据研究人员的测量结果，TARC 全年反射 75% 的太阳光，但当外界温度足够高（高于 25℃）时，它的热辐射才会升高（约 90%），这提高了热量向天空的释放能力；而在气温较低时，TARC 的热辐射会自动调低（约 20%），有助于维持来自于阳光吸收和室内加热的热量。 利用伯克利实验室 Molecular Foundry 团队先进设备进行的红外光谱实验分析证实了模拟结果。 “简单的物理预测了 TARC 可以达成目标，但它的性能如此优异，真让我们吃惊。”吴军桥称，“我们原本认为从加热到冷却的转换功能不会这么强大，但我们的模拟结果、室外实验和实验室实验结论出乎意料——这真的令人激动。” 研究人员计划在更大的尺度上开发 TARC 样品，以测试其作为实际屋顶涂层的性能。吴军桥表示，TARC 可能也具有作为热防护涂层的潜力，用于延长智能手机或笔记本电脑中电池的使用寿命，或是用于卫星和汽车屏蔽极端高温或极端低温。它也可以用来制造可调节温度的织物，如帐篷、温室大棚、甚至是帽子和夹克。 该研究主要由美国能源部科学办公室和巴卡奖学金（Bakar Fellowship）支持。Kaichen Dong 和 Jiachen Li 同为该研究的第一作者。Molecular Foundry 是伯克利实验室的一个对用户开放的纳米科学装置。 |
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