透明薄膜拒絕70％的太陽熱量

為了應(yīng)對(duì)夏季高溫，辦公樓和住宅樓傾向于調(diào)高空調(diào)，使能源賬單飆升。事實(shí)上，據(jù)估計(jì)，空調(diào)使用美國所有電力的6%左右，每年的成本為290億美元 - 隨著全球恒溫器的攀升，這筆費(fèi)用肯定會(huì)增加。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)開發(fā)出一種可以應(yīng)用于建筑物窗戶的熱量反射薄膜，以反射高達(dá)70%的太陽熱量。該薄膜能夠在32攝氏度或89華氏度以下保持高度透明。研究人員表示，高于這個(gè)溫度，這部電影可以作為一種“自主系統(tǒng)”來排除熱量。他們估計(jì)，如果這部電影覆蓋了建筑物中每個(gè)朝外的窗戶，建筑物的空調(diào)和能源成本可能下降10%。

該薄膜類似于透明塑料包裝，其隔熱性能來自嵌入其中的微小微粒。這些微粒由一種相變材料制成，該材料在暴露于85華氏度或更高的溫度時(shí)會(huì)收縮。在其更緊湊的配置中，微粒為通常透明的薄膜提供更透明或磨砂的外觀。

在夏天應(yīng)用于窗戶，電影可以被動(dòng)地冷卻建筑物，同時(shí)仍然允許充足的光線。麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授Nicholas Fang表示，該材料為現(xiàn)有的智能窗技術(shù)提供了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且節(jié)能的替代方案。

“目前市場(chǎng)上的智能窗戶在抑制太陽熱量方面效率不高，或者像一些電致變色窗戶一樣，它們可能需要更多的動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)它們，因此你需要付費(fèi)才能使窗戶變得不透明，”方說。“我們認(rèn)為可能有新的光學(xué)材料和涂料的空間，以提供更好的智能窗口選擇。”

方和他的同事，包括香港大學(xué)的研究人員，已將他們的成果發(fā)表在Joule期刊上。

“魚網(wǎng)在水中”

就在一年多以前，方舟子開始與香港大學(xué)的研究人員合作，他們熱衷于尋找降低城市建筑能耗的方法，特別是在夏季，當(dāng)該地區(qū)出現(xiàn)臭名昭著的熱和空氣 - 空調(diào)使用量達(dá)到頂峰。

“迎接這一挑戰(zhàn)對(duì)于像香港這樣的大都市區(qū)來說至關(guān)重要，他們?cè)趪?yán)格的節(jié)能期限內(nèi)，”方說，他指的是香港承諾到2025年將能源使用量減少40%。

經(jīng)過一些快速計(jì)算后，方的學(xué)生們發(fā)現(xiàn)，建筑物的很大一部分熱量是以陽光的形式通過窗戶進(jìn)入的。

“事實(shí)證明，對(duì)于每平方米，大約500瓦的熱能通過窗戶被陽光帶入，”方說。“這相當(dāng)于大約五個(gè)燈泡。”

方舟子研究了外來相變材料的光散射特性，他們想知道這種光學(xué)材料是否可以用于窗戶，被動(dòng)地反射建筑物的大部分熱量。

研究人員通過文獻(xiàn)查看了“熱致變色”材料 - 溫度敏感材料，這些材料會(huì)暫時(shí)改變相對(duì)于熱量的相位或顏色。它們最終落在由聚(N-異丙基丙烯酰胺)-2-氨基乙基甲基丙烯酸鹽酸鹽微粒制成的材料上。這些微粒類似于微小透明的纖維網(wǎng)狀球體并且充滿水。在85°F或更高的溫度下，球體基本上擠出所有的水并收縮成緊密的光纖束，以不同的方式反射光線，使材料半透明。

“這就像水中的漁網(wǎng)，”方說。“制造網(wǎng)的每根纖維本身反射出一定量的光。但是因?yàn)轸~網(wǎng)中嵌入了大量的水，所以每根纖維都難以看到。但是一旦擠出水，纖維就會(huì)變得明顯“。

在之前的實(shí)驗(yàn)中，其他研究小組發(fā)現(xiàn)，雖然收縮的顆?？梢韵鄬?duì)較好地抑制光線，但它們?cè)谄帘螣崃糠矫娌惶晒?。方和他的同事意識(shí)到這種限制歸結(jié)為顆粒尺寸：先前使用的顆?？s小到直徑約100納米 - 比紅外光的波長小 - 使熱量容易通過。

相反，方和他的同事們擴(kuò)大了每個(gè)微粒的分子鏈，因此當(dāng)它因熱量而縮小時(shí)，粒子的直徑大約為500納米，方舟子說“與太陽光的紅外光譜更加相容”。

舒適的區(qū)別

研究人員創(chuàng)造了一種隔熱微粒的解決方案，將它們涂在兩片12×12英寸的玻璃之間，形成一個(gè)薄膜涂層窗口。他們將太陽模擬器發(fā)出的光線照射到窗戶上以模仿入射的陽光，并發(fā)現(xiàn)電影因熱量而變冷。當(dāng)他們測(cè)量透過窗戶另一側(cè)的太陽輻照度時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)該薄膜能夠剔除燈泡產(chǎn)生的70%的熱量。

該團(tuán)隊(duì)還在一個(gè)帶有散熱薄膜的小型量熱室內(nèi)，測(cè)量了室內(nèi)溫度，因?yàn)樗鼈儚奶柲M器通過薄膜照射光線。在沒有薄膜的情況下，內(nèi)部溫度加熱到大約102華氏度 - “大約高溫的溫度”，方說。隨著電影，內(nèi)室保持在更容忍的93 F.

“這是一個(gè)很大的不同，”方說。“你可以在舒適度上做出很大的貢獻(xiàn)。”

展望未來，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃對(duì)膠片進(jìn)行更多測(cè)試，看看調(diào)整配方并以其他方式應(yīng)用它可能會(huì)改善其隔熱性能。