科學家研發自動調節“冬暖夏涼”的新型屋頂覆層二十二攝氏度附近開關輻射散熱

通常，人們通過夏季使用空調、冬季使用供暖來滿足房屋“冬暖夏涼”的居住需求。

如果有一種薄膜覆層，蓋在屋頂后便可根據環境溫度，“自動”進行溫度調節，并且不需要提供額外的能源，是不是很“神奇”？

近日，加州大學伯克利分校材料科學與工程系吳軍橋教授團隊歷時3年，研發了一種可“自動”調節溫度的新型機械柔性薄膜覆層（TARC），將該薄膜覆蓋在屋頂后，其熱輻射可根據不同的環境溫度“自我調節”。

并且，在不使用天然氣和電力的條件下，有助于讓房屋保持“ 冬暖夏涼” 。其中， 在約22攝氏度附近熱輻射率可在20%～90%范圍根據溫度自動開關，每年最多可節約10%能源。

相關論文以《用于全季節家庭熱管理的溫度自適應輻射覆層》為題發表。吳軍橋教授為通訊作者，北京大學集成電路學院助理教授唐克超，伯克利加州大學博士后董愷琛，勞倫斯伯克利國家實驗室博士生李嘉琛為共同第一作者。

解決納米結構中不同材料的加工兼容性，使新型覆層四季皆宜

研究初期，該團隊試圖尋找一種新型屋頂材料，可以在夏天需要降溫和冬天需要保溫的時候“自動適應”。在經過材料篩選與性能對比后，他們發現，二氧化釩或許是合適的材料。

二氧化釩的相變特性雖然很有潛力，但是相變溫度高達67攝氏度，不適合室溫使用。為了解決這個問題，他們通過嘗試不同材料的調和來達到更理想的性能。研究人員向二氧化釩中通過“摻雜” 的方式加入1.5%原子數百分比的鎢，使其相變溫度降低至22攝氏度～24攝氏度。

該團隊認為，在研究過程中最大的技術挑戰是結構設計及柔性納米薄膜的加工制造。

據悉，該項目由多個課題組聯合完成。董愷琛表示，這些課題組在二氧化釩相變材料、光學超材料技術、傳熱學等方面有多年的積累。團隊開創性地將已有的知識進行有機結合，以得到納米覆層的最佳性能。

并且，該團隊通過大量實驗，得到了納米結構中不同材料的加工兼容性，由此逐漸摸索出行之有效的工藝路線。

為確認二氧化釩在屋頂系統中的具體性能指標，該團隊用他們自主設計的TARC薄膜覆層來驗證，該薄膜尺寸為2厘米x2厘米，它有4層，分別為：機械支撐層（膠帶），反射底層（銀），透明中間層（氟化鋇），以及頂層（二氧化釩）。從外觀來看，TARC與日常生活用的透明膠帶類似，可貼在屋頂或其他物品表面。

從該團隊實驗數據來看，二氧化釩在TARC薄膜中的多功能性優異充分展現，其全年節能性能與商用深色屋頂涂料和商用白色屋頂涂料比較后更勝一籌。

當前市場上使用的商用涼爽屋頂系統，采用“被動輻射冷卻技術”來達到降溫的作用，其主要原理為利用使用淺色或深色的表面反射陽光，例如反射涂層、薄膜、木瓦、瓷磚等。

此外，該系統還通過熱紅外輻射將多余的熱量發射到外太空，以實現無能耗制冷的功能。

然而，這種效果僅適用于溫度高的月份（ 比如夏天） ; 在溫度低的月份（ 比如冬天），涼爽屋頂系統無法“識別”外界溫度的變化，會繼續保持輻射熱量的狀態 ，這在無形中使房屋的供暖成本增加。

而吳軍橋團隊這種溫度自適應輻射覆層TARC可以在冬夏模式“自由切換”并實現節能，其作用原理是利用了輻射冷卻速率的調節。

“我們的智能屋頂覆層TARC可以根據室外空氣溫度，自動調節輻射冷卻速率，實現夏天涼爽到冬天溫暖的完美切換，就像是一臺無需要供能、無排放的空調和暖氣一體機。”吳軍橋教授在接受媒體采訪時表示。

22攝氏度附近開關輻射散熱，可用于物品及建筑物的無源溫度管理

根據實驗數據，該材料在30攝氏度以上的條件下，熱輻射率高達90%;在溫度下降到15攝氏度后，熱輻射率可以低至20%以保存熱量。而商用涼爽屋頂系統并不具備這類智能自適應熱輻射開關能力。

根據該團隊計算，在美國15個氣候區中，有12個氣候區TARC的全年節能總量高于市面上的任何涼爽屋頂材料。使用TARC技術后，美國的一般住宅電能消耗最多可以降低10%。

該團隊的下一個目標是實現批量生產和產業化。除應用于屋頂，該技術還有許多應用場景。

董愷琛表示，未來，該技術可應用在手機、筆記本、車輛、服裝、帳篷、溫室大棚等物品/建筑物的無源溫度管理領域，這將有助于減小能源消耗并緩解未來的能源危機問題。