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南京工业大学张军教授团队《ACS AMI》:基于百叶窗结构,构筑多模态热管理装置,助力建筑节能减排
2022-05-27  来源:高分子科技

  2022年政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告中明确表示:如要避免加剧全球气候变化,人为温室气体排放必须尽快达到峰值,并在本世纪下半叶通过减排达到中和。据美国能源部最新报告显示:建筑能耗是影响全球气候变化的主要因素之一,其二氧化碳排放占到全球总排放的10%,电力消耗也占到30%,而这其中约一半是源自于建筑物的制冷和供暖需求。为此,我国住房和城乡建设部于2022年3月发布《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》文件,旨在全面推广超低能耗建筑,鼓励新建建筑执行超低能耗建筑、近零能耗建筑标准。然而,实现建筑净零脱碳所面临的规模性和复杂性的挑战前所未有,因此更加需要学科间跨界交融,并寻找革故鼎新的解决方案。


  面对这一问题,南京工业大学材料科学与工程学院张军教授团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》上面发表了题为“Hierarchical-Morphology Metal/Polymer Heterostructure for Scalable Multimodal Thermal Management的论文。该工作将辐射降温技术与选择性吸收供暖技术结合,制备了一种双面双功能的叶片来取代传统的百叶窗叶片。炎热气候,该装置反射太阳光使吸热量最小化,并对外辐射波红外使散热量最大化,实现自动降温的效果。温暖气候,该装置切换到透过模式,为建筑提供直接的太阳光热增益和自然照明。寒冷气候,该装置切换到供暖模式,该模式最大限度地实现光-热转换,并降低长波红外辐射以减少热量损失,实现自动供暖的效果。因而,该装置具有制冷、自然照明和供暖模式,并能在相应气候下通过转动叶片转换模式,为建筑物提供了可无源使用的“HAVC”,以实现建筑物的净零脱碳


  该工作主要由南京工业大学材料科学与工程学院博士生杨张滨完成,硕士生贾宇参与了部分研究工作。


 

本文要点:


  1) 日间选择性辐射降温原理——材料表面高反射太阳光使得自身吸热量最小化,并通过大气窗口(8–13 μm)向外太空高辐射长波红外使得自身散热量最大化。在前期的工作(Sol. Energy Mater. Sol. C. 2021, 227, 111101ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 36, 43387–43395)中发现,调控分子结构、内部孔结构和纤维结构可以实现材料在太阳光波段和长波红外波段的光谱调控。分子结构——聚丙烯(PP)的官能团红外振动吸收峰几乎在大气长波红外透过窗口附近,因而可作为选择性辐射降温的基体材料。内部孔结构——在PP基体中构筑大尺寸的空气孔洞(直径> 10 μm)可以实现高反射大气窗口外的长波红外光,但是这种大尺寸的孔洞对太阳光的散射效率过低,从而影响整个材料对太阳光的反射率。纤维结构——随机密堆的PP纤维结构:a)其中,平均直径在μm的PP纤维可以高散射太阳光,具有较好的太阳光反射率;b)密堆纤维间所构成的空气孔洞可以高反射大气窗口外的长波红外光,从而实现选择性辐射的效果。此外,本工作将在大气长波红外透过窗口具有强吸收性能的二氧化硅(SiO2)加入到在长波红外几乎透明的聚乙烯(PE)基体中,并将这层具有高太阳光透过率和选择性辐射性能的PE/SiO2复合薄膜热压在PP纤维布表面,从而进一步提高PP纤维布的选择性辐射性能。

 


图1 辐射降温材料设计思路


 

图2 辐射降温材料性能


  2选择性吸收供暖技术——材料具有较高的太阳光吸收率实现吸热量最大化,以及较低的长波红外发射率实现散热量最小化。本工作基于金属纳米颗粒的表面等离子共振效应来实现太阳光-热转化,通过铜锌(CuZn)置换反应在Zn板表面沉积一层纳米Cu颗粒。表面纳米Cu颗粒通过其表面等离子共振效应来吸收大量的太阳光并转化为热量,并且这层纳米Cu颗粒几乎透过长波红外光。而底层的Zn层可以高反射长波红外,从而实现较低的长波红外发射率。这种层状结构就可以实现高吸收太阳光和低发射长波红外,实现较好的光—热转化效率。


 
图3 选择性吸收供暖材料设计思路 


 
图4 选择性吸收供暖材料性能


  3) 大多数建筑物往往位于高度动态变化的天气中,因而建筑物的热管理需求是动态变化的。而这种单一功能的热管理装置在四季分明的地区不仅不会降低建筑物全年的能耗,反而会使得建筑物能耗增加。因此,建筑物需要智能的热管理技术来在制冷和供暖功能之间切换,以应对各种环境状况。基于百叶窗结构,本工作上述的辐射降温材料与选择性吸收供暖激材料组合在一起,制成双面双功能的叶片——一面具有辐射降温功能,另一面具有选择性吸收加热功能。如图所示,该装置具有制冷、自然照明和供暖3种模式,并能在相应气候下通过转动叶片切换模式:1) 制冷模式:炎热气候,该装置全反射太阳光使吸热量最小化,并对外辐射长波红外使散热量最大化,实现自动降温的效果;2) 透过模式:温暖气候,该模式为建筑提供直接的太阳光热增益和自然照明;3) 供暖模式:寒冷气候,该模式最大限度实现光-热转换,并降低长波红外辐射以减少热量损失,实现自动供暖的效果。根据建筑能耗模拟显示,该多模态热管理装置一年可以节约38%的电力消耗。

 


图5 多模态热管理装置节能效果


  原文信息与链接:Yang, Z.; Jia, Y.; Zhang, J., Hierarchical-Morphology Metal/Polymer Heterostructure for Scalable Multimodal Thermal Management. ACS Applied Materials & Interfaces 2022, 2c03513. 

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c03513


作者简介

  第一作者:杨张滨,江苏如皋人,南京工业大学材料科学与工程学院2020级博士研究生。2018年在南京工业大学取得学士学位,同年免试推荐到张军教授课题组攻读硕士学位,并于2020年提前攻读博士学位,师从张军教授。主要从事辐射降温和选择性吸收材料的设计制备及机理研究。作为项目负责人主持一项江苏省创新实际项目(KYCX21_1106)。在ACS Appl Mater Interfaces、Compos Part B-Eng、Compos Sci Technol和Sol Energy Mater Sol C等期刊以第一作者身份发表SCI论文7篇,取得一项国家授权发明专利。相关研究工作获得Cell Press主办的“Net Zero Beyond Pathways to Decarbonization”会议最佳墙报奖。

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(责任编辑:xu)
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