辐射制冷助力窗户节能

原创 Cell Press CellPress细胞科学 收录于话题#CRPS3#Cell Press论文速递84

物质科学

Physical science

近日，华中科技大学胡彬和周军教授课题组在Cell Press出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上发表一项新研究，题为“Transparent Polymer Coatings for Energy-Efficient Daytime Window Cooling”。研究组将辐射制冷技术应用于窗户，通过官能团匹配遴选适用于窗户的透明辐射体，并评估了该策略对于不同气候条件下降低典型建筑制冷能耗意义，为节能窗户的设计提供了新思路。

研究亮点：

•阐述了日间辐射制冷技术在节能窗户上的应用。

•通过官能团匹配原则遴选可用于窗户制冷的透明辐射体。

•评价了窗户辐射制冷技术对于不同气候下建筑制冷能耗降低的潜力。

集成辐射制冷技术实现窗户被动冷却

窗户是建筑、车辆等人们日常驻留环境中采光需求的重要通道，但它对近红外阳光的高透过也同时会显著增加室内制冷能耗，根据不同的气候特征来设计窗户的镀膜或贴膜是提升建筑能效的重要途径。商业化的窗户/窗膜节能技术，如着色染料、低辐射层、电/热致变色层和半透明光伏等，展示出对阳光选择性透过的操控能力，但这些功能层对阳光的选择性吸收导致的升温依然会通过对流加剧室内制冷能耗。

新兴的白天辐射制冷技术通过反射阳光，并利用大气窗口（8-13μm）将热辐射送入外太空，能够实现阳光辐照下对建筑的无能耗被动降温，但这些适用于不透明外墙与屋顶的材料无法满足透明窗户对可见光无散射、高透过的本征需求。如何有效阻挡非可见光波长范围的阳光，同时强烈发射热辐射实现窗户降温是提升建筑能效值得探索的新途径。

要点1：

常用低发射率（Low-E）节能窗膜能具有较好的近红外反射能力，但会吸收阳光且中红外发射率低而导致窗户升温。利用对阳光透明的辐射体与其结合可以降低窗户温度，通过优势互补提升节能效果。研究从典型辐射制冷材料二氧化硅（SiO2）出发，从分子振动角度分析了其大气窗口波段辐射能力弱的原因，并将通过SiO2光学结构提升发射率的策略延伸至利用硅氧烷聚合物材料的设计来实现，解决高发射率和透明度无法兼顾的问题，筛选出以饱和硅氧烷如聚二甲基硅氧烷（PDMS）为代表的透明辐射体材料，可为透明的白天辐射制冷材料的选择提供参考。

▲图1. 窗户制冷技术中透明辐射体的选择。

要点2：

研究比较了SiO2与PDMS的光学参数性质，与官能团匹配原则所述规律一致。通过实验与模拟结合系统评估透明辐射体PDMS的光学性质，验证了厚度为80μm的PDMS具有最优的光学性能，可满足在窗户制冷技术中的要求，并通过涂布技术制造了厚度可控的卷材，与其它广泛使用的透明薄膜材料相比较具有更好的综合性能。

▲图2. 透明辐射体PDMS的光谱特性及其综合性质。

要点3：

通过户外实际测试以及理论模拟计算，验证了窗户制冷技术在阳光辐照下明显的降温效果。基于该窗户制冷能力，模拟评估了对全球多个城市的建筑能耗节能潜力，发现典型建筑的年制冷节约能耗为20-49MJ m-2，展示了巨大的应用价值。此外，还评估了该技术与气候之间的依赖联系，为辐射制冷技术的合理应用提供了参考意义。

▲图3. 透明辐射体PDMS在窗户制冷技术上的实际应用效果。

▲图4. 模拟窗户制冷技术为典型建筑在不同气候下带来的制冷能耗节能潜力。

结论与展望

通过将白天辐射制冷技术与透明窗户集成，实现了有效的窗户制冷，该技术在全球不同气候下的建筑带来的年制冷节能潜力高达20-49MJ m-2。该技术还可与现有的窗户节能技术，如着色、电致、热致以及透明光伏等集成，也能够融合太阳光-热辐射的协同管理，为新型窗户节能技术提供新的方向。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上，点击“阅读原文”查看论文

▌论文标题：

Transparent Polymer Coatings for Energy-Efficient Daytime Window Cooling

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(20)30249-6#%20

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100231

原标题：《辐射制冷助力窗户节能 | Cell Press论文速递》

阅读原文