變色建筑薄膜節能新材料
來源：建筑培訓網時間：2023-03-03
保持室內空間舒適需要大量的電力。美國人在家中使用的能源中約有一半用于供暖和制冷，占水電費和溫室氣體排放的很大一部分。盡管許多建筑物的墻壁都裝有隔熱材料以保持理想的溫度，但其他建筑物（尤其是舊建筑物）的能源效率低得驚人。
幾十年來，科學家們一直在研究這個問題的高科技解決方案?，F在，材料科學家已經開發出一種可以在加熱和冷卻模式之間切換的變色膜。這部薄膜比信用卡還薄，消耗的能量非常少，有朝一日甚至可以包裹最浪費的建筑物，以幫助在夏天散發不需要的熱量，并在冬天將其困住。研究結果最近發表在《自然可持續性》上。
“這是一個非常令人印象深刻的結果，”密蘇里大學的機械工程師姚翟說，他沒有參與這項研究。
新設備利用了一種稱為輻射冷卻的自然現象，這種現象使室外溫度在夜間下降，并有助于冷卻整個地球。我們周圍的一切，包括我們的身體和建筑物，都在不斷地以中紅外輻射的形式散發熱量：電磁波的頻率低于你用眼睛看到的光?！叭藗兛梢允褂脽嵯駜x看到物體，看到人類，看到建筑物，這意味著他們24/7全天候發射能量，”芝加哥大學分子工程師，該研究的資深作者Po-Chun Hsu說。
如果您將熱像儀從軌道對準地球，您還可以看到熱量從行星輻射到太空的冷真空中。與其他波長的光相比，我們的大氣層偶然允許更多的中紅外輻射到地球外。雖然大部分熱量離開地球，但有些仍然被大氣中的溫室氣體困住 - 足以破壞地球的熱平衡并導致溫度上升，普渡大學的電氣工程師Peter Bermel解釋說，他沒有參與這項新研究。隨著全球氣溫的升高，科學家們正在開發解決方案，以最大限度地利用輻射減少釋放的熱量。在這些技術中，薄膜可以包裹結構，使它們散發出更多的熱量。但世界上許多地區都經歷了嚴冬和悶熱的夏天?！澳悴幌Ｍ诜孔右呀浀陀诒c的情況下迅速冷卻的東西，”Bermel說。
這種困境是新涂層的靈感來源，這種涂層可以通過簡單的電力在高和低熱量排放之間切換?？梢姽庖呀洿嬖陬愃频目烧{設備：所謂的動態窗口可以從透明切換到不透明，以控制它們通過的光量。但直到現在，還沒有建筑薄膜可以對中紅外熱做同樣的事情。
新材料以冷卻模式啟動。在一根極其薄的電導體下面，有一個小的水層，里面溶解著銅離子。在這種狀態下，設備自然輻射熱量，冷卻建筑物內部。然后，當導體層施加少量電荷時，溶解的銅沉積在其表面上，在儲層上形成薄層（電鍍？）。由于銅吸收的中紅外熱量很少，因此該設備現在可以捕獲熱量。這種變化可以一次又一次地逆轉，盡管重復使用的回報遞減：經過 1000 次循環后，冷卻和加熱模式的效率都降低了。
作者估計，如果將這項技術應用于建筑物外部的薄膜中，它可以節省8.4%的能源，用于全年溫度劇烈波動的氣候中的供暖和制冷。該建筑也會改變顏色，從夏天的深白色到冬天的金屬銅，盡管薄膜可以用一種特殊的油漆覆蓋，不會干擾中紅外輻射。
新型變色涂料既可以加熱建筑物，也可以冷卻建筑物
保持室內空間舒適需要大量的電力。美國人在家中使用的能源中約有一半用于供暖和制冷，占水電費和溫室氣體排放的很大一部分。盡管許多建筑物的墻壁都裝有隔熱材料以保持理想的溫度，但其他建筑物（尤其是舊建筑物）的能源效率低得驚人。
幾十年來，科學家們一直在研究這個問題的高科技解決方案?，F在，材料科學家已經開發出一種可以在加熱和冷卻模式之間切換的變色膜。這種薄膜比信用卡還薄，本身消耗的能量非常少，有朝一日甚至可以包裹最浪費的建筑物，以幫助在夏天散發不需要的熱量，并在冬天將熱量鎖住。研究結果最近發表在《自然可持續性》上。
“這是一個非常令人印象深刻的結果，”密蘇里大學的機械工程師姚翟說，他沒有參與這項研究。
新設備利用了一種稱為輻射冷卻的自然現象，這種現象使室外溫度在夜間下降，并有助于冷卻整個地球。我們周圍的一切，包括我們的身體和建筑物，都在不斷地以中紅外輻射的形式散發熱量：電磁波的頻率低于你用眼睛看到的光?！叭藗兛梢允褂脽嵯駜x看到物體，看到人類，看到建筑物，這意味著他們24/7全天候發射能量，”芝加哥大學分子工程師，該研究的資深作者Po-Chun Hsu說。
如果您將熱像儀從軌道對準地球，您還可以看到熱量從行星輻射到太空的冷真空中。與其他波長的光相比，我們的大氣層偶然允許更多的中紅外輻射到地球外。雖然大部分熱量離開地球，但有些仍然被大氣中的溫室氣體困住 - 足以破壞地球的熱平衡并導致溫度上升，普渡大學的電氣工程師Peter Bermel解釋說，他沒有參與這項新研究。隨著全球氣溫的升高，科學家們正在開發解決方案，以最大限度地利用輻射冷卻釋放的熱量。在這些技術中，薄膜可以包裹結構，使它們散發出更多的熱量。但世界上許多地區都經歷了嚴冬和悶熱的夏天?！澳悴幌Ｍ诜孔右呀浀陀诒c的情況下迅速冷卻的東西，”Bermel說。
這種困境是新涂層的靈感來源，這種涂層可以通過簡單的電力在高和低熱量排放之間切換?？梢姽庖呀洿嬖陬愃频目烧{設備：所謂的動態窗口可以從透明切換到不透明，以控制它們通過的光量。但直到現在，還沒有建筑薄膜可以對中紅外熱做同樣的事情。
新材料以冷卻模式啟動。在一根極其薄的電導體下面，有一個小的水庫，里面溶解著銅離子。在這種狀態下，設備自然輻射熱量，冷卻建筑物內部。然后，當導體層施加少量電荷時，溶解的銅沉積在其表面上，在儲層上形成薄層。由于銅吸收的中紅外熱量很少，因此該設備現在可以捕獲熱量。這種變化可以一次又一次地逆轉，盡管重復使用的回報遞減：經過 1，000 次循環后，冷卻和加熱模式的效率都降低了。
作者估計，如果將這項技術應用于建筑物外部的薄膜中，它可以節省8.4%的能源，用于全年溫度劇烈波動的氣候中的供暖和制冷。該建筑也會改變顏色，從夏天的深白色到冬天的金屬銅，盡管薄膜可以用一種特殊的油漆覆蓋，不會干擾中紅外輻射。
“目前這只是證明該機制的第一步，我們已經看到了非常好的進展，”沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的材料科學家兼工程師甘巧強說，他沒有參與這項研究。新系統似乎很有前途，特別是與其他一些研究小組之前嘗試使用水溶液創建可調設備相比。一些考慮用于類似裝置的材料是高度易燃的，顯然不適合包圍建筑物。新薄膜不會起火，但這并不意味著它已經準備好使用。
除了隨著時間的推移效率下降之外，新設備的主要缺點是成本高。覆蓋薄膜外層的薄電極是高質量的石墨烯，一種昂貴的單原子厚的碳陣列。石墨烯的超薄度允許熱能通過，同時材料仍然導電。為了使這些建筑圍護結構可行，研究人員必須使用更便宜的材料以及可以大規模制造的材料來實現相同的結果。Hsu和他的團隊計劃嘗試使用低質量的石墨烯和其他材料，以找到更具成本效益的替代品。他們還計劃嘗試更便宜的金屬，如鋅來代替銅。
在價格和性能之間取得平衡需要時間，因此社區在未來幾年可能不會被變色的生態建筑填滿。但“這是一個非常非常熱門的研究話題”，甘說，這是有充分理由的。雖然減少約8%的能源使用量可能看起來很小，但“如果你在社會規模上考慮它，這可能會非常有影響，”Bermel說?！澳茉葱枨蠛凸淖兓考墳榘俜种畮?，可能會產生很大的差異。
