Science之后新突破：空调黑科技，不用电，也能冬暖夏凉！

徐伯均课题组

2020-12-08

能源和环保，是当今时代挥之不去的话题。

衣食住行，没有哪一样，都是无法度日的。无论是手机、电脑、空调，还是汽车、飞机、照明，甚至是比特币挖矿，都在不停地消耗日趋减少的化石能源，并为环境带来一些负担。如何更高效地使用可再生能源，是科学家孜孜不倦的追求。

纺织品是人类最早的发明之一，既可以抵御寒冷，又可以保持美观。现在，全球变暖的紧迫威胁对创新纺织品提出了更高的要求，未来，我们的纺衣服甚至可以随外部温度环境变化而自己降温。2020年11月13日，杜克大学徐伯均, 李秀强等人在Science发表述评，详细阐述了与“衣”有关的光子辐射制冷智能织物的原理、进展和未来基于与挑战。

最近，他们又在与“住”有关的建筑节能方面，取得了新的突破！

建筑节能的重要性

目前，建筑能耗大约占全球能耗总量的30％以上，占全球温室气体排放量的~20％。而在建筑能耗中，有将近一半的能量用于建筑的供热和制冷。因此，建筑领域的节能减排是全球节能工作的重点。

据预测，在2010年至2050年期间，由于气候变化和人口增长，建筑物的供热和制冷能耗将分别增长79％和83％。因此，发展可再生能源用于建筑节能是重要且迫切的需求。

Heating and cooling 结合的必要性

自2014年斯坦福大学的Shanhui Fan 课题组首次提出白天辐射制冷的概念以来，辐射制冷技术得到了快速的发展，一批优秀的成果被相继报道。但这些技术很难满足建筑对制热和制冷的动态需求。

事实上，大多数建筑处在昼夜或季节波动温差较大的地区。以杜克大学所在地北卡罗来纳州达勒姆市为例，5月至10月以制冷为主，其余6个月则以供暖为主。我们不难发现，器件较优的方式是可以在制热和制冷之间自由切换。

创新性突破

有鉴于此，杜克大学徐伯均, 李秀强和怀俄明大学谭刚等人通过完成一系列的光学，机械和热学设计，创造性的将太阳能选择性吸收体制热和白天辐射制冷结合 (Dual-mode)起来用于建筑节能。研究结果表明，建筑屋顶使用所设计的Dual-mode器件后，可为建筑节约~20%的供热和制冷能耗。

第一作者：Xiuqiang Li (李秀强)

通讯作者：Po-Chun Hsu(徐伯均), Gang Tan(谭刚)

通讯单位：Duke University (杜克大学), University of Wyoming (怀俄明大学)

基本原理

通过一系列材料光学，机械和热学设计后，Dual-mode器件可以的在Heating 和 Cooling 之间自由切换。在cooling模式下，cooling材料 (PDMS/Ag) 可以反射~97%的太阳光，并且通过辐射自身能量穿过大气窗口（8-13 µm）进入外太空而实现自身冷却。在heating模式下，选择性吸收体 (Zn薄膜/Cu纳米粒子) 可吸收~93% 的太阳能，并可有效抑制自身长波红外辐射，从而获得高效的制热效率。Dual-mode器件主要由一对旋转滚轮来roll-to-roll的转换制热和热冷薄膜，来适应外界气候的变化。

在本实验中，实现高效heating 和 cooling 自适应性转换的四个关键点是：

1) 需要获得性能突出的heating和cooling材料。

2）材料自身需要具有低的热阻，才能充分利用所产生的制热/制冷功率或温度差。3）材料在滚动驱动过程中需要表现出高的柔韧性和耐久性。

4）需要克服柔性材料与基板(热交换器)之间接触热阻与切换灵活性之间的trade off，才能同时保证高效的热传输和运动的灵活性。

图1. Dual-mode器件的概念。

控制接触热阻

为了克服柔性材料与基板(热交换器)之间接触热阻与切换灵活性之间的trade off。本实验中，我们通过可逆的施加和去除静电来有效的调控材料与基板的接触，结果显示这种方式不仅可有效的解决制热/制冷材料和基板之间的接触热阻问题，而且有效地保证了器件的运动灵活性。

图2. 静电控制的热接触。

材料和器件性能

经过系列优化，我们所设计的材料在Heating 模式下，可以实现93.4%太阳光能量的吸收和低至14.2%的红外发射率。在Cooling模式下，可以实现97.3%的太阳能量的反射率和94.1%的高红外发射率。并且，表现出优异的卷曲性能和耐久性。

室外实验研究表明, 在太阳光平均强度大于650 W/m²的条件下，Dual-mod器件平均的制冷功率可达71.6W/m²。在heating模式下, 超过93%的太阳能可被有效利用，并实现650 W/m²的制热功率。基于该器件，单独heating 和cooling 的性能都处于TOP系列，综合性能则是目前最高的。

图3. Heating和Cooling材料的光学特性。

图4. Dual-mode器件的户外性能。

建筑节能模拟

建筑节能模拟结果显示，所设计的器件对整个美国各个气候区域都能有效的降低制热和制冷的能源消耗，实现~20%的能源节约。(注: 计算过程中，所产生的Cooling, 18度以下直接用于室内制冷，18度以上用于冷却空调冷凝端。所产生的heating直接用于室内制热。)

图5. 节能效果模拟。

小结

这项工作通过实验和计算证明了Dual-mode器件的节能效果。我们相信随着将可再生，间歇的能源（例如太阳能和风能）纳入电网，这种动态调控将变得越来越重要。

另一方面，不同地区气候的差异，也要求我们要采用更具适应性的建筑节能方案来获得更高的节能效率。我们也相信Dual-mode所展示出的能力能够为学术界和工业界带来巨大的价值，造福于社会。

纳米人专访

1. 建筑节能是全球能源和环保领域的重要议题，在科学原理、技术或者工程上，建筑节能领域制冷和制热新技术目前亟待解决的核心问题是什么？

徐伯均课题组：近年来，随着材料科学的进步，的确涌现出一些建筑节能的新技术，并且展现出较好的应用前景，如，白天辐射制冷，红外透明织物，智能玻璃等。从学术上，揭示机理机制，追求更高的效率是合理的。同时，我们也不能忽视这归根到底是一个前沿工学的研究课题。所以，材料、器件的耐久性和成本也是需要考虑的重要指标。

2. 本研究和现有相同研究或技术相比，最核心的优势或创新点是什么？

徐伯均课题组：我们工作最大的优势(创新点)就是可以动态、高效的利用太阳能选择性吸收体和辐射制冷材料来应对外部气候的变化对于制热和制冷的需求。我们都知道建筑讲究「冬暖夏凉」，而我们的工作正好提供了一种动态调控的解决方案，大幅增加了对可持续性冷／热源的有效利用。

3. 该技术适合应用于哪些场景，如何安装和使用？最有可能在哪些场景开始商业应用？

徐伯均课题组：该器件适用于昼夜或者季节有明显温差变化的地区。广义来说，只要室内暖气及空调在一年当中分别被使用，我们的器件就可以针对不同运作模式进行节能。在这些地区，可将器件直接安装在屋顶，通过循环水系统连接室内或者空调冷凝端。最有可能优先应用在一些屋顶面积较大，楼层较低的建筑上，如(火车站，工厂厂房，等建筑上)。

4. 该技术所使用的材料和器件的成本如何？工艺是否有希望规模化制造？

徐伯均课题组：目前整个器件所使用到材料的成本都是相对低廉的，如PI 薄膜，PDMS图层，等(Ag 层的厚度只有200-300 nm)。所采用的材料制备工艺，如蒸镀、刮涂、电镀等工艺都是工业产业化的工艺。

5. 该技术距离产业化还存在哪些主要障碍？

徐伯均课题组：目前，我们的器件尺寸设计只有十几个厘米，然而产业化的需求要求我们要达到几米，甚至几十米。一方面我们需要对大规模，低成本的材料制备工艺进行进一步探索，另一方面我们也需要在真实的使用情况下去探索器件各方面的边界条件。由于我们的目标是实现动态智能建筑节能，将来也需要针对各种不同的日照气候条件、能源市场价格、住户生活习惯等因素，做进一步的探讨及优化。

参考文献：

X. Li, B. Sun, C. Sui, A. Nandi, H. Fang, Y. Peng, G. Tan*, P.-C. Hsu*. Integration of daytime radiative cooling and solar heating for year-round energy saving in buildings. Nature Communications

DOI: 10.1038/s41467-020-19790-x

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19790-x