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透明薄膜可抑制70%的太阳热量

为了应对炎热的夏季,办公楼和住宅楼倾向于调高空调,使能源账单飙升。事实上,据估计,空调使用美国所有电力的6%左右,每年的成本为290亿美元 - 随着全球恒温器的攀升,这笔费用肯定会增加。

现在,麻省理工学院的工程师开发了一种隔热薄膜,可应用于建筑物的窗户,以反射高达70%的太阳热量。该薄膜能够在32摄氏度或89华氏度以下保持高度透明。研究人员表示,高于这个温度,这部电影就像一个“自主系统”,可以排出热量。他们估计,如果这部电影覆盖了建筑物中每个朝外的窗户,建筑物的空调和能源成本可能下降10%。该薄膜类似于透明塑料包装,其隔热性能来自嵌入其中的微小微粒。这些微粒由一种相变材料制成,当暴露在85华氏度或更高的温度时会收缩。在其更紧凑的配置中,微粒为通常透明的薄膜提供更透明或磨砂的外观。

在夏天应用于窗户,电影可以被动地冷却建筑物,同时仍然允许充足的光线。麻省理工学院机械工程教授Nicholas Fang表示,该材料为现有智能窗技术提供了经济实惠且节能的替代方案。“目前市场上的智能窗户要么不能很好地抑制来自太阳的热量,要么就像一些电致变色窗户一样,它们可能需要更多的动力才能驱动它们,因此你需要付费才能使窗户变得不透明,”方说。“我们认为可能存在新的光学材料和涂层的空间,以提供更好的智能窗口选择。”方和他的同事,包括香港大学的研究人员,已将他们的成果发表在Joule期刊上。

“鱼网在水中”

就在一年多以前,方舟子开始与香港大学的研究人员合作,他们热衷于寻找降低城市建筑能耗的方法,特别是在夏季,当该地区出现臭名昭着的热和空气 - 空调使用量达到顶峰。“迎接这一挑战对于像香港这样的大都市区来说至关重要,他们在严格的节能期限内,”方说,他指的是香港承诺到2025年将能源使用量减少40%。

经过一些快速的计算,方的学生们发现,建筑物的很大一部分热量是以阳光的形式通过窗户进入的。“事实证明,对于每平方米,大约500瓦的热能通过窗户被阳光带入,”方说。“这相当于大约五个灯泡。”方舟子研究了外来相变材料的光散射特性,他们想知道这种光学材料是否可以用于窗户,被动地反射建筑物的大部分热量。研究人员通过文献查看了“热致变色”材料 - 温度敏感材料,这些材料会暂时改变相对于热量的相位或颜色。它们最终落在由聚(N-异丙基丙烯酰胺)-2-氨基乙基甲基丙烯酸盐酸盐微粒制成的材料上。这些微粒类似于微小透明的纤维网状球体并且充满水。在85°F或更高的温度下,球体基本上挤出所有的水并收缩成紧密的纤维束,以不同的方式反射光线,使材料半透明。

“这就像水中的渔网,”方说。“制造网的每根纤维本身反射出一定量的光。但是因为鱼网中嵌入了大量的水,所以每根纤维都难以看到。但是一旦挤出水,纤维就会变得可见“。在之前的实验中,其他研究小组发现,虽然收缩的颗粒可以相对较好地抑制光线,但它们在屏蔽热量方面不太成功。方和他的同事们意识到这种限制归结为颗粒尺寸:先前使用的颗粒缩小到直径约100纳米 - 小于红外光的波长 - 使热量容易通过。相反,方和他的同事们扩大了每个微粒的分子链,因此当它因热量而缩小时,粒子的直径大约为500纳米,方舟子说“与太阳光的红外光谱更加相容”。

舒适的区别

研究人员创造了一种隔热微粒的解决方案,将它们涂在两片12×12英寸的玻璃之间,形成一个薄膜涂层窗口。他们将光线从太阳模拟器照射到窗户上以模仿入射的阳光,并发现电影因热量而变冷。当他们测量透过窗户另一侧的太阳辐照度时,研究人员发现该薄膜能够剔除灯泡产生的70%的热量。该团队还在一个带有散热薄膜的小量热室内,测量了室内的温度,因为它们从太阳模拟器通过薄膜照射光线。没有这种薄膜,内部温度加热到大约102华氏度 - “大约高温的温度”,方说。随着电影,内室保持在更可容忍的93 F.“这是一个很大的不同,”方说。“你可以在舒适度上做出很大的改变。”展望未来,该团队计划对胶片进行更多测试,看看调整配方并以其他方式应用它可能会改善其隔热性能。这项研究部分由香港科技大学麻省理工学院联合会资助。

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