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慧正資訊：建筑是當(dāng)今社會重要的能源使用者，實現(xiàn)建筑節(jié)能在可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著越來越重要的作用。在美國，超過76%的電力和40%的能源被用于建筑，這導(dǎo)致每年超過4300億美元的花費和大量的全球溫室氣體排放。其中，直接關(guān)系到建筑供暖制冷需求的供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)貢獻了約40%的建筑能耗。這種巨大的能源消耗正在造成嚴(yán)重的環(huán)境和經(jīng)濟問題。因此，實現(xiàn)技術(shù)革新以提高建筑暖通空調(diào)的能源效率、減少碳足跡至關(guān)重要。
成果簡介
傳統(tǒng)的建筑墻體材料通常表現(xiàn)出較高的中紅外熱發(fā)射率，導(dǎo)致強烈的輻射熱交換。在炎熱天氣下，高溫環(huán)境和太陽的熱輻射造成的過熱導(dǎo)致了對冷卻的需求增加。同樣，在寒冷氣候條件下，建筑內(nèi)部的過度輻射熱損失導(dǎo)致供暖能耗增加。這一點對于在建筑物集中的城市地區(qū)更為明顯。因此，將通過建筑墻體的輻射換熱最小化的設(shè)計將有利于全年的冷卻和加熱節(jié)能。日前，來自斯坦福大學(xué)的崔屹教授團隊在Nature Sustainability上發(fā)表了題為“Coloured low-emissivity films for building envelope for year-round energy saving”的文章，報道了一種用于建筑墻體熱圍護結(jié)構(gòu)的彩色低發(fā)射率薄膜，這類薄膜不僅擁有理想的熱管理功能，并且能滿足建筑物的美觀需求，為建筑物的全年供暖和制冷節(jié)能提供了新的解決方案。
圖1.概念說明。a, 300 K溫度下太陽輻照光譜和普朗克定律模擬的室溫物體的熱輻射光譜圖。b，這些彩色低發(fā)射率薄膜旨在實現(xiàn)熱調(diào)節(jié)的目的，同時滿足審美需求，故其被設(shè)計了具有光譜選擇性的光學(xué)特性。在可見光波長范圍內(nèi)(400-700nm)，只有在所需的顏色波長范圍內(nèi)的光被反射，呈現(xiàn)出相應(yīng)的顏色；在中紅外波長范圍內(nèi)，薄膜具有高反射率，以減少與冷、熱環(huán)境的輻射熱交換；在近紅外波長范圍內(nèi)，薄膜仍具有高反射率，這有助于進一步減少夏季的太陽輻射加熱，但可能會在冬季造成部分太陽能熱損失。
圖2. 彩色低發(fā)射率薄膜的制備與表征。a、彩色低發(fā)射率薄膜制備工藝示意圖。b、各種顏色的彩色低發(fā)射率薄膜的照片。比例尺，5厘米。c，白色、藍(lán)色、黃色和紅色樣品在中紅外波長范圍內(nèi)測量的總反射率光譜。d，白色、藍(lán)色、黃色和紅色樣品在可見光和近紅外波長范圍內(nèi)的總反射率光譜。e-g, SEM圖像顯示了藍(lán)色(e)、紅色(f)和黃色(g)低發(fā)射率薄膜的表面形貌(PE側(cè))。比例尺，50 m。h，所制備的彩色低發(fā)射率薄膜截面的SEM圖像。比例尺，50 m。i、PE側(cè)水接觸角約為113°，證明其具有良好的疏水性。j，彩色低發(fā)射率薄膜柔韌性的循環(huán)拉伸試驗。插圖中的照片顯示了在每個循環(huán)中被測薄膜條的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)。K，彩色低發(fā)射膜、商業(yè)壁紙、強化之后的彩色低發(fā)射率薄膜的機械拉伸試驗。
圖3. 彩色低發(fā)射率薄膜的熱效應(yīng)可視化。a，在熱臺上檢測樣品表面溫度的實驗示意圖。b，藍(lán)色低發(fā)射率薄膜(左欄)和商用藍(lán)色涂料(右欄)在同一熱臺上的光學(xué)照片和熱圖像。c，在紅外輻射下觀察被藍(lán)色低發(fā)射率薄膜和商用藍(lán)色涂料覆蓋的模擬建筑表面溫度的實驗示意圖。d、模擬建筑的光學(xué)照片。面1和面2上為商業(yè)藍(lán)色涂料，而面3為藍(lán)色低發(fā)射率薄膜。e，模擬建筑物在紅外輻射下的熱圖像。被藍(lán)色低輻射膜覆蓋的表面溫度明顯降低。
圖4. 熱效應(yīng)性能演示。a，熱輸入測試測量裝置示意圖。40°C的熱環(huán)境由循環(huán)水系統(tǒng)實現(xiàn)，熱電偶被用于測量建筑模擬物內(nèi)部的溫度。b，測量不同表面的建筑模擬物的內(nèi)部溫度曲線。使用藍(lán)色低發(fā)射率薄膜的模擬物溫度升高較慢，驗證了其可以有效降低來自環(huán)境的熱輸入。c、熱損失測試測量裝置示意圖。循環(huán)水系統(tǒng)將環(huán)境維持在5°C，建筑模擬物中插入的電加熱器產(chǎn)生熱量并保持內(nèi)部溫度在25°C。d、建筑模擬物中電加熱器的加熱功率。藍(lán)色低發(fā)射率薄膜通過減少輻射熱損失，大大降低了所需的加熱功率。
圖5. 建筑物年度熱傳遞量和節(jié)能評價。a、在不同氣候區(qū)的16個代表性城市在墻體內(nèi)表面、外表面和兩側(cè)安裝彩色低發(fā)射率薄膜時，單位面積每年減少的熱量傳輸量。b，非保溫墻體上雙面安裝彩色低發(fā)射率薄膜時的等效隔熱材料厚度及單位面積每年減少的熱量損失量。c，美國各地的HVAC節(jié)能地圖。d，模型建筑的預(yù)測年均源電量和源天然氣節(jié)約量。e，預(yù)測人均和全球年均二氧化碳減排量。
參考文獻
作者簡介
通訊作者-崔屹教授：1993-1998年就讀于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，1998-2002年就讀于哈佛大學(xué)化學(xué)系， 2003-2005年間在加州大學(xué)伯克利分校從事博士后研究工作；并于2005年加盟斯坦福大學(xué)。崔屹教授主要研究領(lǐng)域集中在能源存儲與轉(zhuǎn)化、納米顯微技術(shù)、納米環(huán)保技術(shù)、納米生物技術(shù)、先進材料的合成與制造等等，以納米技術(shù)為核心，多學(xué)科交叉，多方向并進是崔屹教授課題組研究的重要特點。崔屹教授先后在Science(科學(xué))、Nature(自然)、Nature Nanotechnology(自然·納米科技)、Nature Materials(自然·材料)、Nature Communication(自然·通訊)、JACS(美國化學(xué)學(xué)會雜志)等世界頂級期刊發(fā)表高水平論文400余篇，總被引頻次高達(dá)22萬多次。
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