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城大突破性研发可应用于建筑物的制冷瓷砖 有效提升能源效益及对抗全球暖化

香港城市大学(城大)团队最近在研发被动辐射制冷材料方面取得重大突破。团队新研发的制冷瓷砖不耗能源及不用制冷剂,便能达到高效能制冷的光学特质,兼具高成本效益、耐用及多功能的优点,适合广泛商业应用,特别是建筑业。制冷瓷砖可降低建筑物的热负荷,即使在恶劣天气下仍能保持稳定的冷冻表现,有助提升能源效益及对抗全球暖化。


研究结果已刊载于著名学术期刊《科学》,题为「具有高太阳反射率的阶层式结构被动辐射制冷瓷砖」

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi4725


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(左起)林凯昕、曹之胤教授及陈思如


论文的通讯作者是城大能源及环境学院曹之胤教授、城大机械工程学系客座教授兼香港理工大学协理副校长(研究及创新)王钻开教授。第一作者及第二作者分别是曹教授指导的城大能源及环境学院博士生林凯昕及陈思如。


被动辐射制冷被视为最具潜力的环保冷冻技术,有助应对社会对空间冷冻的迫切需求、降低环境污染及对抗全球暖化。然而目前采用的纳米光子结构被动辐射制冷材料成本高且难以应用兼容,另一替代材料聚合物光子则易受天气影响,且未能有效反射阳光。

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制冷瓷砖模拟白金龟的生物白色,并具有高太阳反射率及仿生特性,可提供高效被动辐射制冷,并大有潜力减低室内制冷所需的能源消耗。


曹教授说:「我们研发的制冷瓷砖具有高效能的光学特性,并且坚固耐用。制冷瓷砖的颜色、气候抗力、机械结构坚固度及抑制莱顿弗罗斯特效应(一种阻止热传递,使液体在高温表面冷却失效的现象)的能力,均确保其耐用及多元化应用的特质。」


制冷瓷砖的独有特质源于其作为大型瓷砖材料的阶层式多孔结构,通过相转化及烧结两个简单步骤,并使用容易取得的氧化铝等非有机材料便可制成。制作过程无需使用精密设备或成本高昂的材料,因此可大量生产制冷瓷砖。


被动辐射制冷材料的冷冻效果取决于两种不同波长范围的光子特质:太阳波长范围(0.25-2.5微米)及中红外线波长范围(8-13微米)。高效冷冻需要具有高反射能力的太阳波长范围,以减少吸收阳光热能;而具有高散射能力的中红外线波长范围,则可尽量令辐射热能消散。由于氧化铝具有广阔的能带差距,因此可尽量减少吸收太阳热能。此外,制冷瓷砖模拟白金龟的生物白色,并按米氏散射理论优化其多孔结构,可高效消散差不多所有波长的阳光,达致近乎完美的99.6%阳光反射率(最高纪录的反射率)以及极高的96.5%中红外线热能散射率。制冷瓷砖具有上述高效能的光学特性,超越目前最先进的材料。


曹教授说:「大部分主要为聚合物光子的被动辐射制冷材料,最关注的问题是如何防止紫外线的损害。以氧化铝造成的制冷瓷砖,能够达到理想的抗紫外线效果,降低其损害。此外,制冷瓷砖能够抵御摄氏1,000度以上高温,其极佳的防火能力超越大部分聚合物基或金属基的被动辐射制冷材料。」

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平面及曲面的制冷瓷砖,表面可加上图案。


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制冷瓷砖可以配上颜色,达到美观的效果。


除了优秀的光学表现,制冷瓷砖更有极佳的气候抗力、化学稳定度及机械结构坚固度等优点,非常适合于户外作长期应用。制冷瓷砖在极高温底下有超亲水表现,这是由于它具有互相连结的多孔结构,可快速吸收水滴,并同时令水滴立即散开,因此能够抑制传统建筑外壳材料常有的莱顿弗罗斯特效应,达到高效蒸发冷却。


莱顿弗罗斯特效应是指液体接触到远超其沸点的物件时出现的一种现象,即液体未能立即沸腾蒸发,反而形成一层水蒸气,阻隔液体直接与高热物体表面接触。水蒸气减慢传热的速度,使液体在高温表面的冷却失效,令液体悬浮,在高热物体表面四处滚动。


曹教授说:「制冷瓷砖美妙之处是既能符合被动辐射制冷材料高效能的要求,亦同时符合实际应用所需。」他补充指出制冷瓷砖可以配上双层设计的颜色,达到美观的效果。


曹教授说:「我们的实验发现在屋顶上铺设制冷瓷砖,可达到节省20%以上电力的空间冷却效果,反映制冷瓷砖极有潜力,减少大众依赖传统的主动制冷方式,并能提供可持续的解决方案,避免电网超出负荷、减少温室气体排放及城市热岛效应。」


曹教授表示研究团队计划按目前的研发基础进一步提升被动热能管理策略,旨在探索如何应用这些策略以提升能源效率、提倡可持续发展,并促使纺织、能源系统及交通等行业更容易接触及应用被动辐射制冷技术。

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制冷瓷砖可应用作建筑物外壳,图为屋顶上铺设的白色制冷瓷砖。


来源:香港城市大学官网

作者:廖卓怡


香港城市大学物质科学研究院(福田)