普林斯顿科学家开发出夏季为建筑物降温、冬季为建筑物供暖的被动机制

普林斯顿大学和加州大学洛杉矶分校的研究人员发明了一种新的被动气候控制技术，该技术使用工程涂层来管理特定波长的热传递，有可能大幅节省能源并提高建筑物的舒适度，尤其是在较不富裕的地区。热图像显示了建筑物散发的热量。图片来源：Mandal 等人/普林斯顿大学

在最近发表在《细胞报告物理科学》杂志上的一篇文章中，他们报告说，通过将建筑物与其环境之间的辐射热流限制在特定波长，由普通材料制成的涂层可以实现节能和热舒适度，这超出了传统建筑围护结构所能实现的水平。

“随着全球气温的升高，维护适宜居住的建筑物已成为一项全球性挑战，”普林斯顿大学土木与环境工程助理教授、研究员 Jyotirmoy Mandal 说。 “建筑物以辐射的形式与周围环境交换大部分热量，通过调整其外壳的光学特性以利用辐射在环境中的行为方式，我们可以以新颖且有效的方式控制建筑物中的热量。”

辐射热由电磁波携带，无处不在——当阳光温暖我们的皮肤，或者当电线圈加热房间时，我们都能感受到它。通过控制辐射热来调节建筑物温度是一种常见的做法。大多数建筑物使用窗帘遮挡阳光，许多建筑物将屋顶和墙壁漆成白色以反射阳光。

“如果我们看看希腊圣托里尼岛或印度焦特布尔等历史名城，我们会发现通过使屋顶和墙壁反射阳光来冷却建筑物的做法已经持续了几个世纪，”加州大学洛杉矶分校材料科学与工程副教授、研究员 Aaswath Raman 表示。“近年来，人们对反射阳光的凉爽屋顶涂层产生了浓厚的兴趣。但冷却墙壁和窗户是一个更加微妙和复杂的挑战。”

建筑物墙壁和屋顶的热图像。图片来源：Mandal 等人/普林斯顿大学

屋顶通常可以看到天空。这使得凉爽的屋顶涂层可以反射阳光，并将长波热量辐射到天空，最终辐射到太空。另一方面，墙壁和窗户大多可以看到地面和邻近的建筑物。在炎热的天气里，它们被炎热的街道、人行道和附近建筑物散发的热量加热。这意味着，即使墙壁和窗户向天空散发热量，它们也会被地球加热得更多。在寒冷的天气里，陆地环境变得更冷，从墙壁和窗户中吸收热量。

研究人员意识到解决这个问题的方法在于热量在建筑物和地面区域之间移动的方式与在建筑物和天空之间移动的方式不同。辐射热在红外光谱的狭窄部分（称为大气传输窗口）中从建筑物移动到天空，因此研究人员称之为窄带。在地面，辐射热在整个红外光谱中移动，研究人员称之为宽带。

“通过在墙壁和窗户上涂上只在大气窗口辐射或吸收热量的材料，我们可以减少夏季地面的宽带热量增加和冬季的损失，同时保持天空的冷却效果。我们认为这个想法是史无前例的，超出了传统屋顶和墙壁围护结构所能实现的范围。” Mandal 指出。

该研究结果的影响意义重大，原因有两个。首先，研究人员在文章中表明，许多常见的低成本建筑材料在窄带中辐射热量并阻挡宽带热量。已经用作壁板材料的聚氟乙烯等材料可以适应这一目的，甚至更常见的塑料也可以适应这一目的。

“当我们发现像聚丙烯这样的材料（我们从家用塑料中获取）在大气窗口中选择性地辐射或吸收热量时，我们很兴奋，” Raman 指出。“这些材料近乎平凡，但同样的可扩展性使它们变得常见，这也意味着我们可以在不久的将来看到它们用于温度调节建筑物。”

乐观的第二个原因是，其对建筑规模的潜在能源影响是巨大的。研究人员指出，采用他们的机制，季节性节能效果可与将深色屋顶涂成白色的效果相媲美。随着全球空调成本和与高温相关的伤亡人数继续飙升，这可能很有用。曼达尔和拉曼计划进一步继续这项研究。

“我们提出的机制是完全被动的，这使得它成为一种可持续的方式，可以随着季节变化对建筑物进行冷却和加热，并产生尚未开发的能源节约。”曼达尔指出。“事实上，我们展示的机制和材料对全球南方建筑的好处最大。因此，这可能是资源匮乏社区更公平的解决方案，甚至更甚于他们看到冷却需求和与高温相关的死亡率不断增加。”

编译自/scitechdaily