Advanced Material:冬暖夏凉 ——可逆多孔涂层材料助力零能耗建筑

图1. 可切换的空腔化过程以及冷却/加热转换过程。

空调和供暖是现代舒适生活的必备设施。当前,我国采暖和空调能耗占建筑能耗55%,总能耗的18%,按每度电0.5元算,每年超过1万亿人民币用于我们冬暖夏凉的生活买单。这一数据在美国和欧洲甚至更高。大量的能耗不仅费钱,还引起了严重的环境问题;臭名昭著的雾霾现象的背后就有冬天供暖这一刚需。因此,发展节能的建筑空间控温手段不仅引起广泛的科学兴趣,也引发了轰轰烈烈的社会活动(零能耗建筑热潮)。相对于费用高昂的建筑设计策略,能调温的涂层材料代表了廉价、易实现、且能用于已有建筑的新策略。近年来,各种节能涂层涌现,其中最有应用前景的涂料是被动制冷涂料。这种涂料一方面可以反射波长(λ)在〜0.3–2.5μm范围内的太阳光从而避免太阳能对建筑物的加热,而同时又可以允许热量通过大气长波红外(LWIR)传输窗口(λ〜8– 13微米)传递到外太空去,可实现白天辐射降温。然而,目前的被动制冷涂料是静态的,在夏天制冷的同时,会给冬天供暖带来负面影响。如何实现真正的零能耗冬暖夏凉,似乎还任重道远。

针对此,电子科技大学崔家喜教授团队提供了一种新思路:利用动态多孔薄膜来将太阳能采暖与太阳光反射以及辐射冷却两种功能结合起来,从而实现节能环保的冬暖夏凉的智能转换。该动态多孔有机硅薄膜在特定的刺激下可以在透明的实体状态(透过太阳光)与反光的多孔状态(反射太阳光)之间转换(图1)。当将此智能薄膜与具有光热功能的含炭黑颗粒(CBP)有机硅胶涂层相结合,可制备得可控加热制冷双功能涂料。此双层智能薄膜结构在透明状态下可以吸收约95%的阳光,而在多孔状态下则反射约93%的太阳辐射,同时向外太空发射约94%的LWIR辐射。

在实际的应用测试中,该智能多孔薄膜材料表现出优异的热控性能。在寒冷的天气中,以周围空气温度为〜10°C的环境为例,该双层可切换多孔薄膜可在795 W·m−2的平均太阳照射强度(Isolar)下实现自身表面温度升高〜18°C(图2)。而在炎热环境中,以空气温度为〜35°C的环境为例,在入射太阳辐射为768 W·m-2的情况下,处于多孔状态下的薄膜材料可以引起的自身表面温度下降(ΔT)为〜5°C。除此之外,加热和冷却之间的切换甚至可以在同一天的不同时间段进行。除了具有出色的冷却和加热性能外,该材料的制造方法也很简单方便且可扩展。双层可以制成坚固的自支撑膜(抗张强度:6 MPa,拉伸应变:> 100%),也可以通过喷涂或浇铸方法用作各种基材的涂层。由于SPDMS对刮擦具有很高的敏感性,因此即使将双层涂层应用到诸如陶瓷(用于建筑的材料)之类的刚性基材上,也很容易在冷却状态和加热状态之间切换双层涂层。

与目前常用的静态辐射体材料体系相比,该智能双层的白天辐射体系的创新性在于该材料体系可以在外界刺激下有效实现冷却和加热的智能切换,进而实现冬暖夏凉。并且制备原料低廉,制备过程简单环保,无需有机溶剂亦可实现大规模生产,可以方便施加到现有建筑上。由于这些特征,研究者认为,该材料具有广阔的应用前景和直接的商业价值。该研究成果以“Switchable Cavitation in Silicone Coatings for Energy‐Saving Cooling and Heating”为题发表在国际著名期刊Advanced Material(DOI:10.1002/adma.202000870)上,并于当前Inside Front Cover做简要介绍。