斯坦福大学崔屹团队Nature Sustainability: 用于建筑全年节能的彩色低发射率薄膜

背景介绍

建筑是当今社会重要的能源使用者，实现建筑节能在可持续发展方面发挥着越来越重要的作用。在美国，超过76%的电力和40%的能源被用于建筑，这导致每年超过4300亿美元的花费和大量的全球温室气体排放。其中，直接关系到建筑供暖制冷需求的供暖、通风和空调(HVAC)系统贡献了约40%的建筑能耗。这种巨大的能源消耗正在造成严重的环境和经济问题。因此，实现技术革新以提高建筑暖通空调的能源效率、减少碳足迹至关重要。

成果简介

传统的建筑墙体材料通常表现出较高的中红外热发射率，导致强烈的辐射热交换。在炎热天气下，高温环境和太阳的热辐射造成的过热导致了对冷却的需求增加。同样，在寒冷气候条件下，建筑内部的过度辐射热损失导致供暖能耗增加。这一点对于在建筑物集中的城市地区更为明显。因此，将通过建筑墙体的辐射换热最小化的设计将有利于全年的冷却和加热节能。日前，来自斯坦福大学的崔屹教授团队在Nature Sustainability上发表了题为“Coloured low-emissivity films for building envelope for year-round energy saving”的文章，报道了一种用于建筑墙体热围护结构的彩色低发射率薄膜，这类薄膜不仅拥有理想的热管理功能，并且能满足建筑物的美观需求，为建筑物的全年供暖和制冷节能提供了新的解决方案。

图文导读

图1. 概念说明。a, 300 K温度下太阳辐照光谱和普朗克定律模拟的室温物体的热辐射光谱图。b，这些彩色低发射率薄膜旨在实现热调节的目的，同时满足审美需求，故其被设计了具有光谱选择性的光学特性。在可见光波长范围内(400-700nm)，只有在所需的颜色波长范围内的光被反射，呈现出相应的颜色；在中红外波长范围内，薄膜具有高反射率，以减少与冷、热环境的辐射热交换；在近红外波长范围内，薄膜仍具有高反射率，这有助于进一步减少夏季的太阳辐射加热，但可能会在冬季造成部分太阳能热损失。

图2. 彩色低发射率薄膜的制备与表征。a、彩色低发射率薄膜制备工艺示意图。b、各种颜色的彩色低发射率薄膜的照片。比例尺，5厘米。c，白色、蓝色、黄色和红色样品在中红外波长范围内测量的总反射率光谱。d，白色、蓝色、黄色和红色样品在可见光和近红外波长范围内的总反射率光谱。e-g, SEM图像显示了蓝色(e)、红色(f)和黄色(g)低发射率薄膜的表面形貌(PE侧)。比例尺，50?m。h，所制备的彩色低发射率薄膜截面的SEM图像。比例尺，50?m。i、PE侧水接触角约为113°，证明其具有良好的疏水性。j，彩色低发射率薄膜柔韧性的循环拉伸试验。插图中的照片显示了在每个循环中被测薄膜条的初始状态和最终状态。K，彩色低发射膜、商业壁纸、强化之后的彩色低发射率薄膜的机械拉伸试验。

图3. 彩色低发射率薄膜的热效应可视化。a，在热台上检测样品表面温度的实验示意图。b，蓝色低发射率薄膜(左栏)和商用蓝色涂料(右栏)在同一热台上的光学照片和热图像。c，在红外辐射下观察被蓝色低发射率薄膜和商用蓝色涂料覆盖的模拟建筑表面温度的实验示意图。d、模拟建筑的光学照片。面1和面2上为商业蓝色涂料，而面3为蓝色低发射率薄膜。e，模拟建筑物在红外辐射下的热图像。被蓝色低辐射膜覆盖的表面温度明显降低。

图4. 热效应性能演示。a，热输入测试测量装置示意图。40°C的热环境由循环水系统实现，热电偶被用于测量建筑模拟物内部的温度。b，测量不同表面的建筑模拟物的内部温度曲线。使用蓝色低发射率薄膜的模拟物温度升高较慢，验证了其可以有效降低来自环境的热输入。c、热损失测试测量装置示意图。循环水系统将环境维持在5°C，建筑模拟物中插入的电加热器产生热量并保持内部温度在25°C。d、建筑模拟物中电加热器的加热功率。蓝色低发射率薄膜通过减少辐射热损失，大大降低了所需的加热功率。

图5. 建筑物年度热传递量和节能评价。a、在不同气候区的16个代表性城市在墙体内表面、外表面和两侧安装彩色低发射率薄膜时，单位面积每年减少的热量传输量。b，非保温墙体上双面安装彩色低发射率薄膜时的等效隔热材料厚度及单位面积每年减少的热量损失量。c，美国各地的HVAC节能地图。d，模型建筑的预测年均源电量和源天然气节约量。e，预测人均和全球年均二氧化碳减排量。

作者简介

通讯作者-“yi cui”崔屹教授：

1993-1998年就读于中国科学技术大学应用化学系，1998-2002年就读于哈佛大学化学系， 2003-2005年间在加州大学伯克利分校从事博士后研究工作；并于2005年加盟斯坦福大学。崔屹教授主要研究领域集中在能源存储与转化、纳米显微技术、纳米环保技术、纳米生物技术、先进材料的合成与制造等等，以纳米技术为核心，多学科交叉，多方向并进是崔屹教授课题组研究的重要特点。崔屹教授先后在Science(科学)、Nature(自然)、Nature Nanotechnology(自然·纳米科技)、Nature Materials(自然·材料)、Nature Communication(自然·通讯)、JACS(美国化学学会杂志)等世界顶级期刊发表高水平论文400余篇，总被引频次高达22万多次。

文章信息

Yucan Peng, Lingling Fan, Weiliang Jin, Yusheng Ye, Zhuojun Huang, Shang Zhai, Xuan Luo, Yinxing Ma, Jing Tang, Jiawei Zhou, Louisa C. Greenburg, Arun Majumdar, Shanhui Fan and Yi Cui*. Coloured low-emissivity films for building envelopes for year-round energy savings. Nat Sustain (2021). https://doi.org/10.1038/s41893-021-00836-x