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Science：温度自适应辐射散热覆层

2022-01-15 21:06

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

撰稿 | 董恺琛（美国加州大学伯克利分校，博士后）

说明 | 本文来自论文作者（课题组）投稿

节能减排是社会发展的关键问题，也是科学研究的重点方向。

纵观整个社会的能源需求，建筑物的能源消耗占比极大，而其中房屋的温度管理系统（空调制冷、暖气/电热供暖）又是建筑物能耗的核心部分。

根据美国能源信息署公布的数据，2015年美国全年约 39% 的能耗被用到了建筑物上，2018年美国住房总能源消耗量的 51% 被用于供暖和制冷。因此，近年来被动红外辐射散热屋顶技术成为了科学研究的热点。

任何温度高于绝对零度的物体都会向外辐射电磁波，对建筑物的屋顶而言，其辐射的电磁波处于中红外波段。被动红外辐射散热屋顶技术利用了上述物理原理，使用高红外辐射率的屋顶覆层材料，将建筑物多余的热量通过热辐射的方式发射到外太空（等效温度约3K）。

被动辐射散热屋顶技术可以在不消耗能源的前提下为建筑物降温，因此被多个国家大力推广以节约建筑物能耗。然而，红外辐射散热是不可控的物理现象：在寒冷的冬季或者低温的夜晚，红外辐射散热屋顶会一直降低建筑物温度，这反而提高了供暖系统的能源需求，并（部分）抵消了该技术全年的总节能收益，极大地限制了该技术的应用范围。

针对这个问题，来自美国加州大学伯克利分校和美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队，提出了使用相变材料制造温度自适应辐射散热覆层（Temperature-Adaptive Radiative Coating,TARC）的技术路线。结果表明：在一些昼夜或四季温差较大的地理区域，TARC的全年节能总量优于现实存在的任意材料。

其相关成果以“Temperature-adaptive radiative coating for all-season household thermal regulation”为题发表于 Science。该论文的通讯作者为美国加州大学伯克利分校的Junqiao Wu（吴军桥）教授，第一作者为北京大学集成电路学院的唐克超教授，美国加州大学伯克利分校的博士后董恺琛，以及美国劳伦斯伯克利国家实验室的博士生李嘉琛。

通常情况下，被动辐射散热屋顶覆层的红外辐射率固定且不随温度变化（如图1所示）。然而，TARC仅在高温情况下维持约 90% 的高红外辐射率以散热；当屋顶温度下降到 22 摄氏度以下时，TARC会自动切换到“保暖模式”，其红外辐射率下降到 20% 左右以“关闭”红外辐射散热通道。

图1：TARC的性能（图源：Science）

为了实现该智能开关功能，研究团队基于温控相变材料二氧化钒（Vanadium Dioxide）制造了微米级特征尺度的超材料（metamaterials）结构。二氧化钒材料在高温下处于金属态，在温度降低到相变温度以下时变为绝缘体态，其相变过程速度快且可逆。为了将二氧化钒的相变温度调节到室温附近，研究团队向二氧化钒中掺杂了原子百分比为1.5%的钨。