研究人員設計了一種被動熱調節機制，使用普通材料選擇性地管理輻射熱，提供了一種可持續的方式來顯著提高建築物的能源效率和舒適度。普林斯頓大學和加州大學洛杉磯分校的工程師開發了一種被動機制，可以在夏天為建築物降溫，在冬天為建築物供暖。

普林斯頓大學和加州大學洛杉磯分校的研究人員發明了一種新的被動氣候控制技術，該技術使用工程塗層來管理特定波長的熱傳遞，有可能大幅節省能源並提高建築物的舒適度，尤其是在較不富裕的地區。熱圖像顯示了建築物散發的熱量。圖片來源：Mandal 等人/普林斯頓大學

在最近發表在《細胞報告物理科學》雜誌上的一篇文章中，他們報告說，透過將建築物與其環境之間的輻射熱流限制在特定波長，由普通材料製成的塗層可以實現節能和熱舒適度，這超出了傳統建築圍護結構所能實現的水平。

「隨著全球氣溫的升高，維護適宜居住的建築物已成為全球性挑戰，」普林斯頓大學土木與環境工程助理教授、研究員Jyotirmoy Mandal 說。 “建築物以輻射的形式與周圍環境交換大部分熱量，通過調整其外殼的光學特性以利用輻射在環境中的行為方式，我們可以以新穎且有效的方式控制建築物中的熱量。”

輻射熱由電磁波攜帶，無處不在——當陽光溫暖我們的皮膚，或當電線圈加熱房間時，我們都能感受到它。透過控制輻射熱來調節建築物溫度是常見的做法。大多數建築物使用窗簾遮擋陽光，許多建築物將屋頂和牆壁漆成白色以反射陽光。

「如果我們看看希臘聖托里尼島或印度焦特布爾等歷史名城，我們會發現透過使屋頂和牆壁反射陽光來冷卻建築物的做法已經持續了幾個世紀，」加州大學洛杉磯分校材料科學與工程副教授、研究員Aaswath Raman 表示。 “近年來，人們對反射陽光的涼爽屋頂塗層產生了濃厚的興趣。但冷卻牆壁和窗戶是一個更加微妙和複雜的挑戰。”

建築物牆壁和屋頂的熱圖像。圖片來源：Mandal 等人/普林斯頓大學

屋頂通常可以看到天空。這使得涼爽的屋頂塗層可以反射陽光，並將長波熱量輻射到天空，最終輻射到太空。另一方面，牆壁和窗戶大多可以看到地面和鄰近的建築物。在炎熱的天氣裡，它們被炎熱的街道、人行道和附近建築物散發的熱量加熱。這意味著，即使牆壁和窗戶向天空散發熱量，它們也會被地球加熱得更多。在寒冷的天氣裡，陸地環境變得更冷，從牆壁和窗戶中吸收熱量。

研究人員意識到解決這個問題的方法在於熱量在建築物和地面區域之間移動的方式與在建築物和天空之間移動的方式不同。輻射熱在紅外光譜的狹窄部分（稱為大氣傳輸視窗）中從建築物移動到天空，因此研究人員稱之為窄帶。在地面，輻射熱在整個紅外光譜中移動，研究人員稱之為寬頻。

「透過在牆壁和窗戶上塗上只在大氣窗口輻射或吸收熱量的材料，我們可以減少夏季地面的寬頻熱量增加和冬季的損失，同時保持天空的冷卻效果。我們認為這個想法是史無前例的，超出了傳統屋頂和牆壁圍護結構所能實現的範圍。

這項研究結果的影響意義重大，原因有二。首先，研究人員在文章中表明，許多常見的低成本建築材料在窄帶中輻射熱量並阻擋寬頻熱量。已經用作壁板材料的聚氟乙烯等材料可以適應這一目的，甚至更常見的塑膠也可以適應這一目的。

「當我們發現像聚丙烯這樣的材料（我們從家用塑膠中獲取）在大氣窗口中選擇性地輻射或吸收熱量時，我們很興奮，」 Raman 指出。 “這些材料近乎平凡，但同樣的可擴展性使它們變得常見，這也意味著我們可以在不久的將來看到它們用於溫度調節建築物。”

樂觀的第二個原因是，對建築規模的潛在能源影響是巨大的。研究人員指出，採用他們的機制，季節性節能效果可與將深色屋頂塗成白色的效果相媲美。隨著全球空調成本和與高溫相關的傷亡人數繼續飆升，這可能很有用。曼達爾和拉曼計劃進一步繼續這項研究。

「我們提出的機制是完全被動的，這使得它成為一種可持續的方式，可以隨著季節變化對建築物進行冷卻和加熱，並產生尚未開發的能源節約。」曼達爾指出。 「事實上，我們展示的機制和材料對全球南方建築的好處最大。因此，這可能是資源匱乏社區更公平的解決方案，甚至更甚於他們看到冷卻需求和與高溫相關的死亡率不斷增加。

編譯自/ scitechdaily