【材料】ACS Energy Lett封面：基于类编织可重构结构的太阳能和热辐射调节表面用于建筑节能- 大数跨境

【材料】ACS Energy Lett封面：基于类编织可重构结构的太阳能和热辐射调节表面用于建筑节能

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2022-05-20

导读：南洋理工大学龙祎课题组、北卡罗来纳州立大学尹杰课题组和怀俄明大学谭刚课题组合作，报告了一种可重构的交织表面，该表面可以动态切换重叠序列，以实现窗户、墙壁/屋顶的光谱选择性和超宽带调制，具有良好的光谱调

建筑物消耗的电能占全球约51%，产生的碳排放占约33%，并且预计还会随着现代化程度的提高而逐渐增加。建筑外立面通过辐射冷却（RC）与外层空间进行热交换，并从太阳中获取太阳热量。建筑外立面通过以长波近红外（LWIR，2.5-20 μm）的形式向寒冷的外层空间辐射热量来冷却建筑物，而通过吸收紫外线-可见-近红外（UV-Vis-NIR）太阳能得热来加热建筑。然而，超宽带调制始终是一个大技术难题，尤其是考虑到建筑窗户和墙体对光谱选择性的要求各不相同。例如，与墙壁/屋顶相比，窗户需要具有高透光率以节省照明。目前尚缺乏一种有效且通用的方法来为不同的应用提供设计规则，包括建筑窗户、墙壁/屋顶等。

机械可重构结构以其对2D-3D块的空间重新排列的结构架构的微妙设计而闻名，从而产生了独特的物理特性。基于此，南洋理工大学龙祎课题组、北卡罗来纳州立大学尹杰课题组和怀俄明大学谭刚课题组合作，报告了一种可重构的交织表面，该表面可以动态切换重叠序列，以实现窗户、墙壁/屋顶的光谱选择性和超宽带调制，具有良好的光谱调制和节能性能。结果超过了报道最好的被动辐射冷却智能窗，达到可见光透射率（T_lum=0.50）和长波红外调制（Δε_LWIR=0.57）。作者们所制备的节能样品在 2 到 6 气候区的性能优于商业建筑材料。该工作为智能节能建筑外立面（窗体与墙体）的设计与后续研发奠定了理论基础。同时，这种设计原理可扩展并适用于各种材料、交织结构和 2D-3D 表面，该工作提供了一种全新的可编程加热/冷却调制的技术，适用于许多应用。

图1. 当期封面

图2. 可切换表面的设计原理。(a) 结构的几何参数和以 x 轴为例的可切换表面设计原理。(b) 拉伸过程中可切换表面的侧视图示意图，实现表面 0 和 1 之间的位置交换。(c) n×n 表面的“有效块”和“替代”说明以及面积比计算方法。(d) 通过拉动 x-（蓝纸）和 y-（绿纸）带来展示完整的 0-1 切换过程的实验样品照片。(e) 红外图像展示了从纸基高 ε_LWIR 表面到铝基低 ε_LWIR 表面的完全转变（样品温度~30 ℃）。(f) 米级铝纸样品中表面过渡的演示。(g) 简化梁模型。(h) 不同厚度样品的 s/l 比与拉力的实验 (1) 和理论 (2) 分析。(i) 理论计算的应变分布图。

图3. (a) 用于建筑窗户的 ITO/VO₂/PVC 样品设计示意图，0和1相分别代表寒冷和炎热的天气。(b) ITO/VO₂/PVC 样品在两相上的照片和相应的热图像，有效区域由虚线标记。(c) ITO/VO₂/PVC样品的理想情况和实验光谱性能。(d,e) 拟将基于该ITO/VO₂/PVC 样品的智能窗户用于美国的 2-6气候区办公建筑，建筑热工计算所得每年估计的HVAC能耗分布图 (d)和节约能源百分比 (e)。

图4. (a) 墙壁/屋顶的 ITO/BP/PVDF-HFP 样品示意图， 0和1相分别代表寒冷和炎热的天气。(b) ITO/BP/PVDF-HFP 样品在两相上的照片和相应的热图像，有效区域由虚线标记。(c) ITO/BP/PVDF-HFP样品的理想情况和实验光谱性能。(d,e) 使用 ITO/BP/PVDF-HFP 墙壁/屋顶样本在美国 2-6 气候区每年估计的 HVAC 节能潜力 (d) 和百分比 (e)。

图5. (a) 结构多样性的延展设计：具有二维面内3轴(1)和三维立方体设计(2)的改进编织结构的实验样品照片。(b) 材料多样性的延展设计：制作的可切换表面的原材料照片(1)和8个不同表面的性能摘要(2)。

该工作受邀请发表（invited work）在能源领域顶级期刊ACS Energy Letters 上，并被选为封面论文（front cover）发表。也这是ACS Energy Letters 首次发表建筑能源与材料相关的封面论文，同时也是创刊以来首个写实照片风格的原创工作封面。论文第一作者为柯宇杰博士、李艳滨博士，通讯作者为龙祎博士、谭刚博士、尹杰博士。

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