零碳科技：低成本的建筑节能降温新技术

2024-08-16 18850

随着全球气温上升对人类文明构成根本性的经济、健康和安全风险，维持宜居的建筑环境已成为我们这个时代最重要的挑战之一。目前，建筑物的制冷和供暖消耗了全球 12% 的能源，预计到 2050 年，用于冷却的能源使用量将急剧增长。不幸的是，流行的热管理方法，如空调和加热器，会消耗大量的电力和燃料，产生自身的热量，并导致直接和间接的温室气体排放。此外，在城市地区，来自空调机组的净热量以及捕获太阳热量并抑制蒸发冷却的人造结构的普遍存在都导致局部供暖加剧。事实上，主动体温调节方法可能会加剧气候变化以及由此产生的冷却需求。因此，它们不是建筑环境中大规模热量管理的可持续解决方案。

减少主动冷却和供暖需求的一个核心机制是控制进出建筑物的辐射热流。为此，数十年的研究已经探索了通过建筑围护结构的不同组成部分（例如屋顶、墙壁和窗户）控制太阳热量增益的策略。材料和光学设计的创新使对太阳光谱的不同波段（紫外线、可见光和近红外波长）的定制响应成为可能。然而，建筑环境也会在热红外（TIR）波长（λ ∼2.5–40 μm）上辐射发射和吸收来自其直接环境的热量。这种无处不在的热交换在很大程度上没有被用于提高建筑物的效率。

一个重要的例外是面向天空的建筑立面的辐射冷却，它从根本上具有被动性质和净冷却效果，使其成为主动冷却系统的可持续替代品。对该主题的研究已经产生了一系列面向天空的设计，例如传统的白色油漆、多孔聚合物、银背多层膜、聚合物介电复合材料。这些设计包括选择性长波红外发射器和宽带热发射器，前者可实现深低于环境温度的温度，后者适合在环境温度下或接近环境温度下运行。其他工作还确定了根据不同的天气和气候条件调整辐射冷却的策略。

虽然辐射冷却已经针对水平、面向天空的表面进行了深入研究，但典型建筑物的大部分表面积可能是垂直方向的，控制垂直立面的温度要困难得多，因为它们不仅面对寒冷的天空，还要应对陆地环境，而陆地环境在夏天变得温暖，在冬天变得寒冷。来自陆地特征的热辉光线可以在夏季大幅减少甚至逆转辐射冷却，而其逆转可以在冬季导致过冷。据我们所知，在以前的工作中没有考虑季节性变化的地面辐照度对垂直表面的影响。因此，确定一种机制来被动地调节能看到地球光芒的垂直立面的温度仍然是一个重要的、尚未解决的挑战。

近日，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究团队开发了一种新的冷却技术。研究人员及其同事发现了一种经济且可扩展的方法，可以在夏季为建筑物降温，在冬季为建筑物供暖。该技术通过在墙壁和窗户上涂覆能够更好管理地面附近建筑物与其周围环境之间热量流动的材料。这项发现可能会减少对空调的依赖，并为低收入社区提供一种更环保、低成本且可扩展的替代方案，这些社区可能缺乏或没有制冷和供暖系统。

这项研究由加州大学洛杉矶分校（UCLA）工程学院材料科学与工程系的副教授Aaswath Raman领导，并已在《Cell Reports Physical Science》上发表。

热量流动的挑战

热红外图像揭示了辐射热。立面从地面（红色）吸收热量（白色至淡红色），而来自地面/建筑物的一些热量则辐射到寒冷的天空（蓝色）。

辐射热，即我们感受到的热表面温暖我们身体和家园的热量，通过电磁波在整个地面层级的建筑物与其环境（如街道和邻近结构）之间传播。然而，建筑物与天空之间的热量传递发生在红外光谱的一个更窄的范围内，这被称为大气传输窗口。这种差异使得面向天空表面较少的建筑物在夏季难以降温，在冬季则难以保暖。

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