由變色龍啟發的建築材料可改變其吸收或散發的熱量
面對日益頻繁的極端天氣事件和多變的天氣,為了應對節約能源的挑戰,普利茲克分子工程學院的研究人員設計了一種建築材料,可以根據外部溫度改變其吸收或散發的熱量。芝加哥大學普利茲克分子工程學院(PME)的研究人員設計了一種類似變色龍的建築材料,可以根據外界溫度改變其紅外顏色以及吸收或散發的熱量。
在炎熱的日子裡,這種材料可以發射出它所包含的高達92%的紅外熱量,幫助冷卻建築物內部。然而,在較冷的日子裡,這種材料只發出7%的紅外線,幫助建築物保持溫暖。
“我們基本上想出了一種低能耗的方法來對待建築物,就像對待一個人一樣;當你冷的時候,你就加一層,當你熱的時候,你就脫一層,”領導這項研究的許寶春助理教授說,他發表在《自然可持續性》上。”這種智能材料讓我們在沒有大量能源的情況下保持建築物的溫度”。
受氣候變化的驅動
根據一些估計,建築物佔全球能源消耗的30%,並排放了全球所有溫室氣體的10%。這一能源足蹟的大約一半歸因於室內空間的加熱和冷卻。
“長期以來,我們大多數人都認為室內溫度控制是理所當然的,沒有想過它需要多少能源,”許說。”如果我們想要一個負碳的未來,我認為我們必須考慮多樣化的方式,以更節能的方式控制建築溫度。”
研究人員先前已經開發了輻射冷卻材料,通過提高其發射紅外線的能力來幫助保持建築物的溫度,紅外線是人和物體輻射出來的無形熱量。也有一些材料可以在寒冷的氣候中防止紅外線的發射。
這種材料包含一個可以採取兩種構象的層:保留大部分紅外線熱量的固體銅,這有助於保持建築物的溫暖;或者是發射紅外線的水溶液,這可以幫助冷卻建築物
“一個簡單的思考方式是,如果你有一個完全黑色的建築面向太陽,它將比其他建築更容易升溫,”PME研究生隋晨曦說,他是新手稿的第一作者。
這種被動加熱在冬天可能是一件好事,但在夏天就不是了。隨著全球變暖導致極端天氣事件和多變的天氣越來越頻繁,建築物需要能夠適應;很少有氣候需要全年供暖或全年空調。
從金屬到液體再到液體
許和他的同事設計了一種不可燃的”電致變色”建築材料,它包含一個可以呈現兩種構象的層:保留大部分紅外線熱量的固體銅,或發射紅外線的水溶液。在任何選定的觸發溫度下,該設備可以通過將銅沉積到薄膜中,或將銅剝離,使用極少量的電力來誘導兩種狀態之間的化學變化。
在這篇新論文中,研究人員詳細說明了該裝置如何在金屬和液體狀態之間快速和可逆地切換,即使經過1800次循環,在兩種構象之間切換的能力仍然有效,因此這種智能材料可以在不需要大量能源的情況下保持建築物的溫度。
該團隊創建了模型,說明他們的材料如何能在美國15個不同城市的典型建築中減少能源成本。他們報告說,在一個普通的商業建築中,用於誘導材料電致變色的電力將不到該建築總用電量的0.2%,但可以節省該建築每年HVAC能耗的8.4%。
“一旦你在不同的狀態之間切換,你不需要應用更多的能量來保持任何一種狀態,”許說。”因此,對於你不需要在這些狀態之間頻繁切換的建築,它的用電量真的可以忽略不計。”
擴大規模
到目前為止,許的小組只創造了大約六厘米寬的材料碎片。然而,他們設想,許多這樣的材料碎片可以像瓦片一樣被組裝成更大的板材。他們說,這種材料也可以進行調整,以使用不同的定制顏色–水相是透明的,幾乎任何顏色都可以放在它後面而不影響其吸收紅外線的能力。
研究人員現在正在研究製造這種材料的不同方法。他們還計劃探究該材料的中間狀態如何能夠發揮作用。
“我們證明了輻射控制可以在整個不同季節控制廣泛的建築溫度方面發揮作用,我們正在繼續與工程師和建築部門合作,研究這如何能夠為一個更可持續的未來做出貢獻”。