转自 西南交大WY课题组
Phase change foam with temperature-adaptive radiative cooling feature for all-day building energy saving. Chemical Engineering Journal, 2024, in press.
面向全天候建筑节能热管理的温度自适应相变泡沫
蒋万君、朱亭钰、陈杰、刘庆庆、刘宇龙、黄子杰、祁晓东*、王勇*
建筑能耗的增加引发了全球能源短缺和环境污染问题。辐射制冷技术以热辐射形式发射地表物体热量实现被动冷却，将其应用于建筑围护结构可以有效降低炎热夏季的能耗。然而辐射冷却材料在长期使用过程中，较强的冷却性能将带来严重的夜间过冷和冬季过冷现象，加剧建筑热管理系统的供暖能耗负担。因此开发自适应辐射冷却功能的材料对建筑节能保温具有重要研究意义。
本工作利用相变材料与温度相关的储/释热特性及透光率差异特性，开发了温度自适应的辐射冷却型相变泡沫，以满足不同气候变化的冷却需求并解决过强辐射冷却导致的低温过冷问题。选择具有高本征中红外发射率的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)作为柔性基质，氮化硼(Boron nitride, BN) 纳米片作为反光填料，通过牺牲模板法制备PDMS@BN泡沫。利用多孔结构和骨架上BN纳米片协同作用实现强烈阳光漫反射。适量负载适宜相变温度(约28 ℃)的相变材料正十八烷(Octadecane, ODE)，以ODE相变时晶体/液体的透光率变化作为自适应开关，实现温度自适应调控PDMS@BN泡沫的反光能力。相变泡沫具有优异柔性、抗污性能、相变储热性能(161 J/g)、可调节辐射冷却性能(中红外发射率可达93%，反射率高温下为96%，低温下为82.6%) 及优异的户外辐射冷却表现。ODE高温吸热、低温释热特性解决了过强冷却性能导致的夜间过冷问题。
利用建筑节能模拟分析相变泡沫的建筑热管理应用和节能效率。理论计算表明，炎热夏季相变泡沫可实现日间被动辐射冷却，净冷却功率可达58.6 W/m2。夜间低温时相变材料主动放热以对抗辐射冷却材料带来的夜间过冷现象，净加热功率可达6.8 W/m2。寒冷冬季，较于普通辐射冷却泡沫带来61.0 W/m2的辐射过冷，相变泡沫可实现冬季日间被动辐射加热，被动加热功率可达56.8 W/m2，解决低温天气的过冷问题。综上，相变泡沫在不同地区不同气候下表现出优异的环境温度自适应特性，可在炎热地区节约建筑冷却能源消耗、寒冷地区节约建筑供暖能源消耗。
图1.PCRCM的制备及结构表征。(a) PCRCM制备过程示意图。(b) PCRCM的摄影图像。(c) PCRCM和RCM的色度图。(d)和(h) RCM的SEM图像。(e) RCM的孔径分布图。(f) RCM的应力-应变曲线。(g)泡沫的疏水性。(i) PCRCM的SEM图像。(j)白光干涉扫描显示PCRCM的表面粗糙度。(k) RCM和PCRCM的孔隙率。
图2. 储热和隔热性能。(a) PCRCM和RCM的保温性能比较。(b)含不同BN质量分数的RCM样品的导热系数。(c) PCRCM的DSC曲线。(d) PCRCM中的相变示意图。(e) PCRCM在建筑物内的工作原理示意图。(f) PCRCM和纯ODE的熔化/结晶焓。(g-i) RCM、PCRCM和PDMS@BN保温性能的模拟。(j) RCM、PCRCM和PDMS@BN膜的温度-时间曲线。
图3. RCM和PCRCM的光学特性。(a) PCRCM动态反射太阳光的机制。(b, c) 不同温度下ODE透射率的变化。(d) 泡沫的特征发射率/反射率曲线。(e) 与其他文献的光反射率比较。(f) 位于大气窗口的化学键。(g-j) 不同形状粒子在500 nm光照射下的偏振和三维远场图。(k) 500 nm光照射下PDMS@BN界面处电场分布。
图4. 实际和理论的冷却性能。(a) PCRCM和RCM的24小时室外测试。(b) 试验装置示意图。(c) 8时至16时的温差。(d) 21:00至5:00之间的温差。(e) 10:00 - 14:00期间PCRCM和RCM的实时冷却功率。(f-h) 太阳照射10 min后混凝土、RCM和PCRCM温度分布的COMSOL模拟结果。(i) 不同模型的温度-时间曲线。(j-m) 计算RCM和PCRCM的理论净冷却功率。
图5. 潜在的建筑节能。(a) 房屋在太阳照射下的温度分布。(b) 成都年度气候条件下RCM的过冷所需的额外供暖消耗。(c) 在中国六个不同城市的年度气候条件下，由于RCM过冷所需要的额外供暖消耗。(d) 中国成都的月气温分布。(e) PCRCM作为墙面时的冷却能量负荷，并与混凝土表面进行比较。(f) 使用PCRCM作为壁面时的热能负荷。(g) PCRCM在中国不同地区的年度制冷节能。(h) PCRCM每年在中国各地区的供暖节能情况。
本工作以“Phase change foam with temperature-adaptive radiative cooling feature for all-day building energy saving”为题发表在中科院一区期刊Chemical Engineering Journal上。论文的第一作者为西南交通大学化学学院2021级硕士蒋万君，通讯作者为西南交通大学化学学院祁晓东副教授和王勇教授。
