零能耗設(shè)備可降低全年建筑溫度控制的能源需求

動態(tài)設(shè)備無需電源即可在加熱和冷卻模式之間切換，節(jié)省能源。

一種新的熱管理設(shè)備可以感應(yīng)溫度，并根據(jù)溫度變化改變形狀，從而加熱或冷卻，而無需使用任何外部能量。開發(fā)商表示，通過補(bǔ)充商業(yè)供暖和制冷技術(shù)，零能耗設(shè)備可以降低全年建筑溫度控制的能源需求。

供暖和制冷占全球能源消耗的近一半。為了減少溫度管理產(chǎn)生的溫室氣體排放，研究人員最近加快了對高性能技術(shù)的研究，這些技術(shù)可以在不消耗大量能源的情況下調(diào)節(jié)溫度。

這樣做的一種方法是分別利用太陽和外層空間作為冷熱源。例如，智能窗可以由熱或電觸發(fā)，在寒冷天氣吸收太陽的紅外熱量或在夏天反射太陽的紅外熱能之間切換。為了實現(xiàn)零能量選擇，一些研究小組研制了被動輻射冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)以直接穿過地球大氣層的紅外波長將熱量直接射入外層空間。

中國天津南開大學(xué)的研究人員Rujun Ma和同事們試圖制造一種通過感知溫度變化在加熱和冷卻模式之間切換的雙模設(shè)備?！盁峁芾淼淖罱K目標(biāo)是溫度控制，”Ma表示，“因此擁有一個溫度響應(yīng)系統(tǒng)是最有意義的。雖然已經(jīng)生產(chǎn)出能響應(yīng)溫度變化的變色窗和紅外調(diào)制器，但它們既可以加熱也可以制冷，但不能兩者兼而有之。”

新設(shè)備的獨特之處在于它能夠跨越從可見波段到紅外波段的波長工作，“覆蓋整個有助于輻射熱管理的區(qū)域，包括太陽能加熱和輻射冷卻，”Ma說。

研究小組從喜馬拉雅兔的皮毛中尋找靈感，這種皮毛在天氣溫暖時是白色的，但在寒冷時會變暗。

該設(shè)備由兩個主要層組成。頂層是一個發(fā)射紅外輻射的溫度敏感致動器板。這一層是由特殊設(shè)計的聚合物制成的，對溫度變化的反應(yīng)不均勻，使它在寒冷時卷起，在炎熱時展開。底層是一種熱致變色基材，可根據(jù)溫度改變顏色，也可吸收可見光。

在加熱模式下，當(dāng)環(huán)境溫度較低時，致動器板卷曲，熱致變色基板變灰，吸收陽光，并升溫。相反，在冷卻模式下，致動器平放并覆蓋基板，反射陽光并發(fā)射紅外輻射，以吸走基板中的任何熱量。模式切換的觸發(fā)溫度可以通過調(diào)整致動器中的聚合物和基板中的熱致變色粉末來調(diào)整。

在實驗室中，這個4×4厘米長的裝置持續(xù)了500個滾動和展開周期。Ma和他的同時也在室外測試了該設(shè)備，他們在《美國國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表的論文中對此進(jìn)行了詳細(xì)描述。根據(jù)現(xiàn)場實驗，他們計算出該裝置的太陽能加熱功率約為每平方米252.2瓦特，制冷功率約為59.7瓦特/平方米。

研究人員將這些數(shù)字轉(zhuǎn)換為基于一月溫度加熱和七月冷卻的節(jié)能設(shè)置。計算表明，與日前報道的其他溫度響應(yīng)型熱管理設(shè)備相比，該設(shè)備在溫度控制方面節(jié)省了最多的能量。

“這將顯著提高熱能利用效率，”Ma說，“盡管在太陽能加熱功率和輻射冷卻功率方面仍有很大的改進(jìn)空間?！?/p>