屋面节能材料「屋面节能工程」

大家好，屋面节能材料「屋面节能工程」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

温度自适应辐射涂层的样品。这种材料看起来像透明胶带，可以贴在屋顶上。（来源：雷神斯威夫特/伯克利实验室）

科学家们已经开发出一种全季节智能屋顶涂料，可以在不消耗天然气或电力的情况下在冬季保持房屋温暖，在夏季保持凉爽。发表在《科学》杂志上的研究结果指出，一项突破性的技术在节能方面优于商业屋顶冷却系统。

“我们的全季屋顶涂料会根据室外空气温度自动从保持凉爽转变为温暖。这是一个无能源、无排放的空调和供暖设备，”领导这项研究的伯克利实验室材料科学部的教授、加州大学伯克利分校材料科学与工程教授吴俊桥说。

今天的凉爽屋顶系统，如反射涂层、薄膜、木瓦或瓷砖，具有浅色或较深的“冷色”表面，通过反射阳光为房屋降温。这些系统还以热红外辐射的形式释放一些吸收的太阳热量；在这种称为辐射冷却的自然过程中，热红外光从地表向外辐射。

吴解释说，目前市场上许多冷屋顶系统的问题是它们在冬季继续散发热量，这推高了供暖成本。

“我们的新材料——称为温度自适应辐射涂层或 TARC——可以通过在冬季自动关闭辐射冷却来实现节能，从而克服过冷的问题，”他说。

在东湾山进行屋顶实验的设置。实验数据用于模拟 TARC 在代表美国大陆 15 个不同气候区的城市全年的表现（由 Junqiao Wu 提供）

金属通常是电和热的良导体。2017 年，Wu 和他的研究团队发现，二氧化钒中的电子对电的行为类似于金属，但对热却是绝缘体——换句话说，它们可以很好地导电而不会传导太多热量。“这种行为与大多数其他金属按比例传导热和电的行为形成对比，”吴解释说。

低于约 67 摄氏度（153 华氏度）的二氧化钒对热红外光也是透明的（因此不吸收）。但是一旦二氧化钒达到 67 摄氏度，它就会转变为金属状态，从而吸收热红外光。这种从一种相切换到另一种相的能力——在这种情况下，从绝缘体切换到金属——是所谓的相变材料的特征。

为了了解二氧化钒在屋顶系统中的表现，Wu 和他的团队设计了一个 2 厘米 x 2 厘米 TARC 薄膜装置。

TARC“看起来像透明胶带，可以像屋顶一样贴在固体表面上，”吴说。

在一项关键实验中，共同主要作者 Kechao Tang 去年夏天在吴东湾的家中建立了一个屋顶实验，以展示该技术在现实环境中的可行性。

设置在 Wu 阳台上的无线测量设备连续数天记录 TARC 样本、商业深色屋顶样本和商业白色屋顶样本对阳光直射和室外温度变化的响应。

然后，研究人员使用来自实验的数据来模拟 TARC 在代表美国大陆 15 个不同气候区的城市中全年的表现

Kaichen Dong（左）和 Jiachen Li 调整用于开发 TARC 智能屋顶涂层的脉冲激光沉积 (PLD) 设备。（来源：雷神斯威夫特/伯克利实验室）

Wu 邀请了该研究的合著者、伯克利实验室能源技术领域热岛小组的工作人员和领导者Ronnen Levinson帮助他们改进屋顶表面温度模型。Levinson 开发了一种方法，从一组超过 100,000 个建筑能源模拟中估算 TARC 的能源节约，热岛集团之前执行这些模拟以评估美国凉爽屋顶和凉爽墙壁的好处。

Finnegan Reichertz 是奥克兰东湾创新学院的 12年级学生，去年作为 Wu 的暑期实习生远程工作，帮助模拟了 TARC 和其他屋顶材料在全年特定时间和特定日子的表现对于研究人员为该论文研究的 15 个城市或气候带中的每一个。

研究人员发现，在 15 个气候区中的​ 12 个，TARC 在节能方面优于现有屋顶涂料，特别是在昼夜温差较大的地区，如旧金山湾区，或冬夏之间，如纽约城市。

“安装 TARC 后，美国普通家庭最多可节省 10% 的电力，”研究时在 Wu 实验室担任博士后研究员的唐说。他现在是中国北京北京大学的助理教授。

即使在凉爽的天气里，标准的凉爽屋顶也具有高太阳反射率和高热发射率（通过发射热红外辐射来释放热量的能力）。

根据研究人员的测量，TARC 全年反射约 75% 的阳光，但在环境温度较高（高于 25 摄氏度或 77 华氏度）时，其热发射率较高（约 90%），从而促进热量散失到天空。莱文森说，在较冷的天气里，TARC 的热发射率会自动切换到低水平，有助于保留来自太阳能吸收和室内供暖的热量。

伯克利实验室分子铸造厂使用先进工具进行红外光谱实验的结果验证了模拟结果。

“简单的物理学预测 TARC 会起作用，但我们很惊讶它会如此有效，”吴说。“我们最初认为从变暖到变冷的转变不会那么戏剧化。我们的模拟、户外实验和实验室实验证明并非如此——这真的很令人兴奋。”

研究人员计划更大规模地开发 TARC 原型，以进一步测试其作为实用屋顶涂料的性能。吴说，TARC 还可能具有作为热保护涂层的潜力，以延长智能手机和笔记本电脑的电池寿命，并保护卫星和汽车免受极端高温或低温的影响。它还可用于制造帐篷、温室覆盖物甚至帽子和夹克的温度调节织物。

该研究的共同主要作者是 Kaichen Dong 和 Jiachen Li。

Molecular Foundry 是伯克利实验室的纳米科学用户设施。

这项工作主要得到了美国能源部科学办公室和巴卡尔奖学金的支持。

该技术可用于许可和协作。如果有兴趣，请联系伯克利实验室的知识产权办公室， ipo@lbl.gov。