Science：温度自适应辐射散热覆层

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‍‍‍‍‍撰稿 | 董恺琛（美国加州大学伯克利分校，博士后）

根据美国能源信息署公布的数据，2015年美国全年约 39% 的能耗被用到了建筑物上，2018年美国住房总能源消耗量的 51% 被用于供暖和制冷。因此，近年来被动红外辐射散热屋顶技术成为了科学研究的热点。

任何温度高于绝对零度的物体都会向外辐射电磁波，对建筑物的屋顶而言，其辐射的电磁波处于中红外波段。被动红外辐射散热屋顶技术利用了上述物理原理，使用高红外辐射率的屋顶覆层材料，将建筑物多余的热量通过热辐射的方式发射到外太空（等效温度约3K）。

被动辐射散热屋顶技术可以在不消耗能源的前提下为建筑物降温，因此被多个国家大力推广以节约建筑物能耗。然而，红外辐射散热是不可控的物理现象：在寒冷的冬季或者低温的夜晚，红外辐射散热屋顶会一直降低建筑物温度，这反而提高了供暖系统的能源需求，并（部分）抵消了该技术全年的总节能收益，极大地限制了该技术的应用范围。

针对这个问题，来自美国加州大学伯克利分校和美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队，提出了使用相变材料制造温度自适应辐射散热覆层（Temperature-Adaptive Radiative Coating, TARC）的技术路线。结果表明：在一些昼夜或四季温差较大的地理区域，TARC的全年节能总量优于现实存在的任意材料。

其相关成果以“Temperature-adaptive radiative coating for all-season household thermal regulation”为题发表于 Science。该论文的通讯作者为美国加州大学伯克利分校的Junqiao Wu（吴军桥）教授，第一作者为北京大学集成电路学院的唐克超教授，美国加州大学伯克利分校的博士后董恺琛，以及美国劳伦斯伯克利国家实验室的博士生李嘉琛。

通常情况下，被动辐射散热屋顶覆层的红外辐射率固定且不随温度变化（如图1所示）。然而，TARC仅在高温情况下维持约 90% 的高红外辐射率以散热；当屋顶温度下降到 22 摄氏度以下时，TARC会自动切换到“保暖模式”，其红外辐射率下降到 20% 左右以“关闭”红外辐射散热通道。

图1：TARC的性能

图源：Science

为了实现该智能开关功能，研究团队基于温控相变材料二氧化钒（Vanadium Dioxide）制造了微米级特征尺度的超材料（metamaterials）结构。二氧化钒材料在高温下处于金属态，在温度降低到相变温度以下时变为绝缘体态，其相变过程速度快且可逆。为了将二氧化钒的相变温度调节到室温附近，研究团队向二氧化钒中掺杂了原子百分比为1.5%的钨。

图2：TARC的微结构和工作原理示意图

图源：Science

使用此方法制成的柔性TARC具有智能开关红外辐射率的功能。此外，为了提高全年的总节能量，研究人员还通过大量计算，将TARC的太阳光吸收率优化到 25% 附近。

图3：TARC在可见光-近红外波段的吸收率与中红外波段的辐射率测量结果

图源：Science

经过实地测试，TARC在高温环境下的散热性能与商业化红外辐射散热屋顶涂料相近；当环境温度下降后（如入夜），TARC自动进入“保暖模式”，其表面温度与环境温度保持一致，且高于商业化红外辐射散热屋顶涂料的温度。

图4：TARC的实地测试结果（A）TARC/灰色传统屋顶涂层/白色红外辐射散热屋顶涂层的表面温度与环境温度随时间变化的对比图。（B）TARC和白色红外辐射散热屋顶涂层在不同温度下的红外辐射散热功率对比

图源：Science

研究团队还根据美国的气候数据库进行了不同屋顶涂层材料的全年节能总量仿真。计算结果表明，除全年炎热（如佛罗里达州和亚利桑那州）和全年寒冷（如阿拉斯加州）的区域外，TARC在美国绝大部分地区的全年节能量优于现今存在的任意屋顶涂层材料，这体现出温度自适应辐射散热覆层具有极大的应用潜力。

图5：TARC在美国部分主要城市与“所处城市最节能屋顶材料”的全年节能总量对比图。红色圆圈表示TARC的节能总量较大，蓝色圆圈表示“所处城市最节能屋顶材料”的节能总量较大

图源：Science

未来，温度自适应辐射散热技术的应用范围，有望扩展到手机、汽车、温室大棚、帐篷、衣服等领域，为节能减排事业做出贡献。

K. Tang, K. Dong, J. Li, et al. Temperature-adaptive radiative coating for all-season household thermal regulation. Science 374, 1504-1509 (2021).

https://doi.org/10.1126/science.abf7136