文獻(xiàn)快訊：Adv. Mater. 多刺激響應(yīng)智能屋頂：同時感知溫度、濕度和陽光，實現(xiàn)全年熱舒適與節(jié)能50%

【成果掠影 & 研究背景】

全球建筑部門的供暖與制冷能耗占比超過50%，而可再生能源貢獻(xiàn)僅17%。利用太陽能和太空冷源是實現(xiàn)綠色供暖與制冷的理想途徑。現(xiàn)有靜態(tài)太陽能吸收體或輻射冷卻體雖各有優(yōu)勢，但無法根據(jù)季節(jié)和晝夜變化切換工作模式，在需要供暖和制冷并存的氣候區(qū)反而可能增加總能耗。更為關(guān)鍵的是，人體熱舒適不僅僅取決于空氣溫度，還受到濕度、太陽輻照等多種因素影響，而當(dāng)前的自適應(yīng)熱調(diào)節(jié)設(shè)計幾乎只響應(yīng)溫度單一變量，難以真正實現(xiàn)全年人體熱舒適。

針對這一缺口，香港科技大學(xué)、浙江大學(xué)、香港城市大學(xué)等機構(gòu)的研究團(tuán)隊提出了一種以熱舒適為導(dǎo)向的多刺激響應(yīng)熱調(diào)節(jié)器。該設(shè)備由Janus致動器陣列（一面為Ti?C?T?/纖維素納米纖維制成的選擇性太陽吸收體SSA，另一面為多孔尼龍6/PTFE制成的被動輻射冷卻體PRC）和多孔PES/TiO?/Al?O?冷卻基底構(gòu)成。致動器能同時感知環(huán)境溫度、相對濕度和太陽輻照度并自動彎曲，從而無級調(diào)節(jié)熱輸出，加熱功率最高可達(dá)824 W/m2，冷卻功率可達(dá)-114 W/m2。在冬季戶外現(xiàn)場測試中，裝有該屋頂?shù)哪Ｐ头吭诎滋炜删S持6小時零能耗熱舒適（室內(nèi)溫度穩(wěn)定在25°C±2°C，PMV在-0.5~0.5之間），而對照的純SSA房出現(xiàn)過熱（PMV>1.7），純PRC房則過冷（PMV<-1.2）。模擬結(jié)果表明，在全球20個代表城市中，該自適應(yīng)屋頂?shù)娜昶骄鵓MV偏差最小，相比標(biāo)準(zhǔn)屋頂可節(jié)省15%-50%的建筑能耗。

【創(chuàng)新點 & 圖文摘要】

創(chuàng)新點：

• 首次提出以人體熱舒適（PMV）為目標(biāo)的多刺激響應(yīng)設(shè)計范式，設(shè)備同時感知溫度、濕度和太陽輻照三種環(huán)境參數(shù)并做出連續(xù)調(diào)節(jié)，克服了以往僅響應(yīng)溫度的局限性。

• 設(shè)計了Ti?C?T?/CNF復(fù)合材料作為SSA側(cè)，具有高太陽吸收率（85%）和低紅外發(fā)射率（19%），結(jié)合CNF的吸濕膨脹性使致動器獲得濕度響應(yīng)能力，同時CNF的加入還提高了SSA與尼龍基底間的粘附力（從1B提升至4B）和整體機械強度（42 MPa）。

• 利用雙層材料的熱膨脹系數(shù)差異和濕度膨脹差異實現(xiàn)彎曲驅(qū)動，建立了包含熱應(yīng)變和濕應(yīng)變的解析模型（Duhamel-Neumann關(guān)系），可精確預(yù)測不同溫度、濕度下的彎曲角度，為致動器設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。

• 設(shè)備表現(xiàn)出優(yōu)異的戶外耐久性：在9 m/s風(fēng)速下彎曲角度變化僅13°，經(jīng)受10,000次機械彎曲循環(huán)、96小時水浸泡和相當(dāng)于3個月的紫外線照射后，光學(xué)性能和彎曲行為幾乎不變，滿足實際應(yīng)用需求。

• 現(xiàn)場測試驗證了設(shè)備對單一變量（太陽輻照、濕度）的靈敏響應(yīng)，以及在真實氣候條件下的晝夜和季節(jié)適應(yīng)性：夏季白天屋頂溫度遠(yuǎn)低于SSA房，冬季白天可維持6小時熱舒適，全天的室溫距舒適溫度偏差比SSA房和PRC房分別低1.5°C和1.9°C。

• 建筑能耗模擬表明，在亞熱帶和溫帶氣候區(qū)（如北京、上海、紐約等），該設(shè)備相比傳統(tǒng)混凝土屋頂、SSA屋頂和PRC屋頂可節(jié)約15%-50%的年度供暖制冷能耗，且優(yōu)于單純溫敏型的T-adaptive系統(tǒng)，顯示出廣泛的氣候適用性。

  
  

  圖1. 自適應(yīng)設(shè)備在全球范圍內(nèi)緩解建筑供暖與制冷需求的潛力。(a) 全球供暖與制冷需求及人口密度地圖。(b) 用于熱舒適的多刺激響應(yīng)屋頂示意圖。(c) 在20個代表城市中，M-adaptive、T-adaptive、PRC和SSA系統(tǒng)在無主動暖通空調(diào)條件下的平均PMV偏差。

  
  

  圖2. 自適應(yīng)設(shè)備的概念驗證。(a) 輻射加熱模式：低發(fā)射率SSA面朝上。(b) 太陽能加熱模式：SSA面暴露于陽光。(c) 輻射冷卻模式：Janus致動器完全彎曲，高發(fā)射率PRC面朝上。(d) Janus致動器分層結(jié)構(gòu)示意圖（Ti?C?T?-CNF復(fù)合層、尼龍6膜、PTFE膜）。(e) 制備的Janus致動器截面SEM圖像。(f) 冷卻基底（蜂窩狀多孔PES負(fù)載TiO?和Al?O?）的截面SEM圖像。(g) 致動器的SSA側(cè)和尼龍6側(cè)以及冷卻基底的實測吸收率/發(fā)射率光譜。(h) 設(shè)備在SSA模式和PRC模式下凈熱流隨溫度的變化（環(huán)境溫度25°C）。

  
  

  圖3. 熱調(diào)節(jié)器的機械與耐久性能。(a) 尼龍6膜和Janus致動器的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 不同風(fēng)速下致動器彎曲角度變化。(c) 交叉劃格法粘附測試示意圖及Ti?C?T?/尼龍和Ti?C?T?-CNF/尼龍致動器的測試結(jié)果。(d) 經(jīng)過10,000次彎曲循環(huán)后的太陽吸收率、熱發(fā)射率和彎曲角度。(e) 經(jīng)過96小時水浸泡后的太陽吸收率、熱發(fā)射率和彎曲角度。(f) 經(jīng)過3個月紫外線照射后的太陽吸收率、熱發(fā)射率和彎曲角度。

  
  

  圖4. 對多種氣象變量的響應(yīng)。(a) 不同CNF含量的Ti?C?T?-CNF/尼龍Janus致動器在不同空氣溫度下的彎曲角度。(b) 對溫度變化的彎曲變形示意圖。(c) 不同CNF含量的致動器在不同太陽輻照度下的彎曲角度（環(huán)境溫度0°C，RH 90%）。(d) 不同CNF含量的致動器在不同相對濕度下的彎曲角度。(e) Ti?C?T?-CNF/尼龍致動器在不同濕度和溫度下的彎曲角度。(f) 雙層結(jié)構(gòu)彎曲行為示意圖。

  
  

圖5. 裝有自適應(yīng)或非自適應(yīng)（SSA或PRC）屋頂?shù)哪Ｐ头楷F(xiàn)場測試。(a) 三棟模型房與氣象站的現(xiàn)場照片。(b) 三棟模型房屋頂俯視照片（SSA房、自適應(yīng)房、PRC房）。(c) 模型房結(jié)構(gòu)及熱電偶布置示意。(d) 2022年12月25日香港24小時房間溫度及太陽輻照曲線（插圖為自適應(yīng)屋頂不同時刻彎曲狀態(tài)照片）。(e) 2022年12月25日三種房屋內(nèi)PMV對比。(f) 2024年8月5日香港24小時房間溫度及太陽輻照曲線。(g) 夜間、白天和全天|T_room-25|對比。(h) 用于節(jié)能分析的城市全球分布。(i) 自適應(yīng)屋頂在不同城市相比混凝土、PRC、SSA屋頂?shù)哪旯?jié)能比例。

【總結(jié) & 原文鏈接】

本研究展示了一種大面積自適應(yīng)的太陽能-輻射熱調(diào)節(jié)器，它由Janus致動器陣列和高效冷卻基底組成。每個致動器的一面是Ti?C?T?/CNF復(fù)合材料（SSA面，用于太陽加熱），另一面是尼龍6/PTFE多孔膜（PRC面，用于輻射冷卻），能夠同時感知環(huán)境溫度、相對濕度和太陽輻照度的變化，通過自動彎曲實現(xiàn)加熱與冷卻模式之間的無級調(diào)節(jié)。該設(shè)備具有優(yōu)良的機械強度（42 MPa）、抗風(fēng)能力（9 m/s下彎曲角波動僅13°）、優(yōu)越的粘附性（4B級）以及出色的長期耐久性（10,000次彎曲、96小時水浸、3個月紫外照射后性能不變）。現(xiàn)場測試證實，在典型的冬季白天，自適應(yīng)屋頂可使室內(nèi)溫度穩(wěn)定在25°C左右長達(dá)6小時，PMV維持在人熱舒適區(qū)間（-0.5至0.5），無需任何主動能耗；夏季則有效避免過熱。建筑能耗模擬表明，在亞熱帶和溫帶地區(qū)，該設(shè)備相比傳統(tǒng)屋頂可節(jié)省15%-50%的供暖制冷能耗，顯著優(yōu)于靜態(tài)SSA、PRC以及僅溫敏的T-adaptive系統(tǒng)。這種多刺激響應(yīng)的設(shè)計范式為綠色建筑、智能紡織品、動態(tài)太陽能儲存、智能溫室以及動態(tài)紅外偽裝等領(lǐng)域提供了新的可能。

原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.2026073195

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