科学家研发自动调节『冬暖夏凉』的新型屋顶覆层二十二摄氏度附近开关辐射散热

该论文第一作者董恺琛（左）和李嘉琛调整用于开发TARC智能屋顶覆层的脉冲激光沉积设备

通常，人们通过夏季使用空调、冬季使用供暖来满足房屋“冬暖夏凉”的居住需求。

如果有一种薄膜覆层，盖在屋顶后便可根据环境温度，“自动”进行温度调节，并且不需要提供额外的能源，是不是很“神奇”？

近日，加州大学伯克利分校材料科学与工程系吴军桥教授团队历时3年，研发了一种可“自动”调节温度的新型机械柔性薄膜覆层（TARC），将该薄膜覆盖在屋顶后，其热辐射可根据不同的环境温度“自我调节”。

并且，在不使用天然气和电力的条件下，有助于让房屋保持“冬暖夏凉”。其中，在约22摄氏度附近热辐射率可在20%～90%范围根据温度自动开关，每年最多可节约10%能源。

相关论文以《用于全季节家庭热管理的温度自适应辐射覆层》为题发表。吴军桥教授为通讯作者，北京大学集成电路学院助理教授唐克超，伯克利加州大学博士后董恺琛，劳伦斯伯克利国家实验室博士生李嘉琛为共同第一作者。

解决纳米结构中不同材料的加工兼容性，使新型覆层四季皆宜

研究初期，该团队试图寻找一种新型屋顶材料，可以在夏天需要降温和冬天需要保温的时候“自动适应”。在经过材料筛选与性能对比后，他们发现，二氧化钒或许是合适的材料。

二氧化钒的相变特性虽然很有潜力，但是相变温度高达67摄氏度，不适合室温使用。为了解决这个问题，他们通过尝试不同材料的调和来达到更理想的性能。研究人员向二氧化钒中通过“掺杂”的方式加入1.5%原子数百分比的钨，使其相变温度降低至22摄氏度～24摄氏度。

TARC可以在不消耗天然气或电力的情况下实现房屋的热调节

屋顶实验的装置。基于实验数据，课题组模拟了TARC在代表美国大陆15个不同气候区的城市中全年的表现

该团队认为，在研究过程中最大的技术挑战是结构设计及柔性纳米薄膜的加工制造。

据悉，该项目由多个课题组联合完成。董恺琛表示，这些课题组在二氧化钒相变材料、光学超材料技术、传热学等方面有多年的积累。团队开创性地将已有的知识进行有机结合，以得到纳米覆层的最佳性能。

并且，该团队通过大量实验，得到了纳米结构中不同材料的加工兼容性，由此逐渐摸索出行之有效的工艺路线。

为确认二氧化钒在屋顶系统中的具体性能指标，该团队用他们自主设计的TARC薄膜覆层来验证，该薄膜尺寸为2厘米x2厘米，它有4层，分别为：机械支撑层（胶带），反射底层（银），透明中间层（氟化钡），以及顶层（二氧化钒）。从外观来看，TARC与日常生活用的透明胶带类似，可贴在屋顶或其他物品表面。

从该团队实验数据来看，二氧化钒在TARC薄膜中的多功能性优异充分展现，其全年节能性能与商用深色屋顶涂料和商用白色屋顶涂料比较后更胜一筹。

当前市场上使用的商用凉爽屋顶系统，采用“被动辐射冷却技术”来达到降温的作用，其主要原理为利用使用浅色或深色的表面反射阳光，例如反射涂层、薄膜、木瓦、瓷砖等。

TARC的基本性质和实验表征

此外，该系统还通过热红外辐射将多余的热量发射到外太空，以实现无能耗制冷的功能。

然而，这种效果仅适用于温度高的月份（比如夏天）；在温度低的月份（比如冬天），凉爽屋顶系统无法“识别”外界温度的变化，会继续保持辐射热量的状态，这在无形中使房屋的供暖成本增加。

而吴军桥团队这种温度自适应辐射覆层TARC可以在冬夏模式“自由切换”并实现节能，其作用原理是利用了辐射冷却速率的调节。

“我们的智能屋顶覆层TARC可以根据室外空气温度，自动调节辐射冷却速率，实现夏天凉爽到冬天温暖的完美切换，就像是一台无需要供能、无排放的空调和暖气一体机。”吴军桥教授在接受媒体采访时表示。

根据实验数据，该材料在30摄氏度以上的条件下，热辐射率高达90%；在温度下降到15摄氏度后，热辐射率可以低至20%以保存热量。而商用凉爽屋顶系统并不具备这类智能自适应热辐射开关能力。

根据该团队计算，在美国15个气候区中，有12个气候区TARC的全年节能总量高于市面上的任何凉爽屋顶材料。使用TARC技术后，美国的一般住宅电能消耗最多可以降低10%。

该团队的下一个目标是实现批量生产和产业化。除应用于屋顶，该技术还有许多应用场景。

董恺琛表示，未来，该技术可应用在手机、笔记本、车辆、服装、帐篷、温室大棚等物品/建筑物的无源温度管理领域，这将有助于减小能源消耗并缓解未来的能源危机问题。