能源和環(huán)保，是當(dāng)今時(shí)代揮之不去的話題。
衣食住行，沒(méi)有哪一樣，都是無(wú)法度日的。無(wú)論是手機(jī)、電腦、空調(diào)，還是汽車、飛機(jī)、照明，甚至是比特幣挖礦，都在不停地消耗日趨減少的化石能源，并為環(huán)境帶來(lái)一些負(fù)擔(dān)。如何更高效地使用可再生能源，是科學(xué)家孜孜不倦的追求。
紡織品是人類最早的發(fā)明之一，既可以抵御寒冷，又可以保持美觀。現(xiàn)在，全球變暖的緊迫威脅對(duì)創(chuàng)新紡織品提出了更高的要求，未來(lái)，我們的紡衣服甚至可以隨外部溫度環(huán)境變化而自己降溫。2020年11月13日，杜克大學(xué)徐伯均, 李秀強(qiáng)等人在Science發(fā)表述評(píng)，詳細(xì)闡述了與“衣”有關(guān)的光子輻射制冷智能織物的原理、進(jìn)展和未來(lái)基于與挑戰(zhàn)。
最近，他們又在與“住”有關(guān)的建筑節(jié)能方面，取得了新的突破！
建筑節(jié)能的重要性
目前，建筑能耗大約占全球能耗總量的30％以上，占全球溫室氣體排放量的~20％。而在建筑能耗中，有將近一半的能量用于建筑的供熱和制冷。因此，建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排是全球節(jié)能工作的重點(diǎn)。
據(jù)預(yù)測(cè)，在2010年至2050年期間，由于氣候變化和人口增長(zhǎng)，建筑物的供熱和制冷能耗將分別增長(zhǎng)79％和83％。因此，發(fā)展可再生能源用于建筑節(jié)能是重要且迫切的需求。
Heating and cooling 結(jié)合的必要性
自2014年斯坦福大學(xué)的Shanhui Fan 課題組首次提出白天輻射制冷的概念以來(lái)，輻射制冷技術(shù)得到了快速的發(fā)展，一批優(yōu)秀的成果被相繼報(bào)道。但這些技術(shù)很難滿足建筑對(duì)制熱和制冷的動(dòng)態(tài)需求。
事實(shí)上，大多數(shù)建筑處在晝夜或季節(jié)波動(dòng)溫差較大的地區(qū)。以杜克大學(xué)所在地北卡羅來(lái)納州達(dá)勒姆市為例，5月至10月以制冷為主，其余6個(gè)月則以供暖為主。我們不難發(fā)現(xiàn)，器件較優(yōu)的方式是可以在制熱和制冷之間自由切換。
創(chuàng)新性突破
有鑒于此，杜克大學(xué)徐伯均, 李秀強(qiáng)和懷俄明大學(xué)譚剛等人通過(guò)完成一系列的光學(xué)，機(jī)械和熱學(xué)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造性的將太陽(yáng)能選擇性吸收體制熱和白天輻射制冷結(jié)合 (Dual-mode)起來(lái)用于建筑節(jié)能。研究結(jié)果表明，建筑屋頂使用所設(shè)計(jì)的Dual-mode器件后，可為建筑節(jié)約~20%的供熱和制冷能耗。
第一作者：Xiuqiang Li (李秀強(qiáng))
通訊作者：Po-Chun Hsu(徐伯均), Gang Tan(譚剛)
通訊單位：Duke University (杜克大學(xué)), University of Wyoming (懷俄明大學(xué))
基本原理
通過(guò)一系列材料光學(xué)，機(jī)械和熱學(xué)設(shè)計(jì)后，Dual-mode器件可以的在Heating 和 Cooling 之間自由切換。在cooling模式下，cooling材料 (PDMS/Ag) 可以反射~97%的太陽(yáng)光，并且通過(guò)輻射自身能量穿過(guò)大氣窗口（8-13 μm）進(jìn)入外太空而實(shí)現(xiàn)自身冷卻。在heating模式下，選擇性吸收體 (Zn薄膜/Cu納米粒子) 可吸收~93% 的太陽(yáng)能，并可有效抑制自身長(zhǎng)波紅外輻射，從而獲得高效的制熱效率。Dual-mode器件主要由一對(duì)旋轉(zhuǎn)滾輪來(lái)roll-to-roll的轉(zhuǎn)換制熱和熱冷薄膜，來(lái)適應(yīng)外界氣候的變化。
在本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)高效heating 和 cooling 自適應(yīng)性轉(zhuǎn)換的四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：
1) 需要獲得性能突出的heating和cooling材料。
2）材料自身需要具有低的熱阻，才能充分利用所產(chǎn)生的制熱/制冷功率或溫度差。3）材料在滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中需要表現(xiàn)出高的柔韌性和耐久性。
4）需要克服柔性材料與基板(熱交換器)之間接觸熱阻與切換靈活性之間的trade off，才能同時(shí)保證高效的熱傳輸和運(yùn)動(dòng)的靈活性。
圖1. Dual-mode器件的概念。
控制接觸熱阻
為了克服柔性材料與基板(熱交換器)之間接觸熱阻與切換靈活性之間的trade off。本實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)可逆的施加和去除靜電來(lái)有效的調(diào)控材料與基板的接觸，結(jié)果顯示這種方式不僅可有效的解決制熱/制冷材料和基板之間的接觸熱阻問(wèn)題，而且有效地保證了器件的運(yùn)動(dòng)靈活性。
圖2. 靜電控制的熱接觸。
材料和器件性能
經(jīng)過(guò)系列優(yōu)化，我們所設(shè)計(jì)的材料在Heating 模式下，可以實(shí)現(xiàn)93.4%太陽(yáng)光能量的吸收和低至14.2%的紅外發(fā)射率。在Cooling模式下，可以實(shí)現(xiàn)97.3%的太陽(yáng)能量的反射率和94.1%的高紅外發(fā)射率。并且，表現(xiàn)出優(yōu)異的卷曲性能和耐久性。
室外實(shí)驗(yàn)研究表明, 在太陽(yáng)光平均強(qiáng)度大于650 W/m2的條件下，Dual-mod器件平均的制冷功率可達(dá)71.6W/m2。在heating模式下, 超過(guò)93%的太陽(yáng)能可被有效利用，并實(shí)現(xiàn)650 W/m2的制熱功率。基于該器件，單獨(dú)heating 和cooling 的性能都處于TOP系列，綜合性能則是目前最高的。
圖3. Heating和Cooling材料的光學(xué)特性。
圖4. Dual-mode器件的戶外性能。
建筑節(jié)能模擬
建筑節(jié)能模擬結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的器件對(duì)整個(gè)美國(guó)各個(gè)氣候區(qū)域都能有效的降低制熱和制冷的能源消耗，實(shí)現(xiàn)~20%的能源節(jié)約。(注: 計(jì)算過(guò)程中，所產(chǎn)生的Cooling, 18度以下直接用于室內(nèi)制冷，18度以上用于冷卻空調(diào)冷凝端。所產(chǎn)生的heating直接用于室內(nèi)制熱。)
圖5. 節(jié)能效果模擬。
小結(jié)
這項(xiàng)工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算證明了Dual-mode器件的節(jié)能效果。我們相信隨著將可再生，間歇的能源（例如太陽(yáng)能和風(fēng)能）納入電網(wǎng)，這種動(dòng)態(tài)調(diào)控將變得越來(lái)越重要。
另一方面，不同地區(qū)氣候的差異，也要求我們要采用更具適應(yīng)性的建筑節(jié)能方案來(lái)獲得更高的節(jié)能效率。我們也相信Dual-mode所展示出的能力能夠?yàn)閷W(xué)術(shù)界和工業(yè)界帶來(lái)巨大的價(jià)值，造福于社會(huì)。
納米人專訪
1. 建筑節(jié)能是全球能源和環(huán)保領(lǐng)域的重要議題，在科學(xué)原理、技術(shù)或者工程上，建筑節(jié)能領(lǐng)域制冷和制熱新技術(shù)目前亟待解決的核心問(wèn)題是什么？
徐伯均課題組：近年來(lái)，隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，的確涌現(xiàn)出一些建筑節(jié)能的新技術(shù)，并且展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景，如，白天輻射制冷，紅外透明織物，智能玻璃等。從學(xué)術(shù)上，揭示機(jī)理機(jī)制，追求更高的效率是合理的。同時(shí)，我們也不能忽視這歸根到底是一個(gè)前沿工學(xué)的研究課題。所以，材料、器件的耐久性和成本也是需要考慮的重要指標(biāo)。
2. 本研究和現(xiàn)有相同研究或技術(shù)相比，最核心的優(yōu)勢(shì)或創(chuàng)新點(diǎn)是什么？
徐伯均課題組：我們工作最大的優(yōu)勢(shì)(創(chuàng)新點(diǎn))就是可以動(dòng)態(tài)、高效的利用太陽(yáng)能選擇性吸收體和輻射制冷材料來(lái)應(yīng)對(duì)外部氣候的變化對(duì)于制熱和制冷的需求。我們都知道建筑講究「冬暖夏涼」，而我們的工作正好提供了一種動(dòng)態(tài)調(diào)控的解決方案，大幅增加了對(duì)可持續(xù)性冷／熱源的有效利用。
3. 該技術(shù)適合應(yīng)用于哪些場(chǎng)景，如何安裝和使用？最有可能在哪些場(chǎng)景開(kāi)始商業(yè)應(yīng)用？
徐伯均課題組：該器件適用于晝夜或者季節(jié)有明顯溫差變化的地區(qū)。廣義來(lái)說(shuō)，只要室內(nèi)暖氣及空調(diào)在一年當(dāng)中分別被使用，我們的器件就可以針對(duì)不同運(yùn)作模式進(jìn)行節(jié)能。在這些地區(qū)，可將器件直接安裝在屋頂，通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)連接室內(nèi)或者空調(diào)冷凝端。最有可能優(yōu)先應(yīng)用在一些屋頂面積較大，樓層較低的建筑上，如(火車站，工廠廠房，等建筑上)。
4. 該技術(shù)所使用的材料和器件的成本如何？工藝是否有希望規(guī)模化制造？
徐伯均課題組：目前整個(gè)器件所使用到材料的成本都是相對(duì)低廉的，如PI 薄膜，PDMS圖層，等(Ag 層的厚度只有200-300 nm)。所采用的材料制備工藝，如蒸鍍、刮涂、電鍍等工藝都是工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的工藝。
5. 該技術(shù)距離產(chǎn)業(yè)化還存在哪些主要障礙？
徐伯均課題組：目前，我們的器件尺寸設(shè)計(jì)只有十幾個(gè)厘米，然而產(chǎn)業(yè)化的需求要求我們要達(dá)到幾米，甚至幾十米。一方面我們需要對(duì)大規(guī)模，低成本的材料制備工藝進(jìn)行進(jìn)一步探索，另一方面我們也需要在真實(shí)的使用情況下去探索器件各方面的邊界條件。由于我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)智能建筑節(jié)能，將來(lái)也需要針對(duì)各種不同的日照氣候條件、能源市場(chǎng)價(jià)格、住戶生活習(xí)慣等因素，做進(jìn)一步的探討及優(yōu)化。
參考文獻(xiàn)：
X. Li, B. Sun, C. Sui, A. Nandi, H. Fang, Y. Peng, G. Tan*, P.-C. Hsu*. Integration of daytime radiative cooling and solar heating for year-round energy saving in buildings. Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-020-19790-x
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19790-x
