普林斯顿大学和加州大学洛杉矶分校的研究人员开发出一种被动机制，可以在夏天为建筑物降温，在冬天为建筑物供暖。

研究表明普通塑料可以随着季节变化被动地冷却和加热建筑物

在6月27日发表在《细胞报告物理科学》杂志上的一篇文章中，他们报告说，通过将建筑物与其环境之间的辐射热流限制在特定波长内，由普通材料制成的涂层可以实现节能和热舒适度，这超出了传统建筑围护结构所能达到的效果。

“随着全球气温升高，维护适宜居住的建筑物已成为一项全球性挑战，”研究员、普林斯顿大学土木与环境工程助理教授JyotirmoyMandal表示。“建筑物以辐射的形式与周围环境交换大部分热量，通过调整其外壳的光学特性以利用辐射在环境中的行为方式，我们可以以新颖而有效的方式控制建筑物内的热量。”

辐射热由电磁波传播，无处不在——当阳光照射到我们的皮肤上，或者当电热圈加热房间时，我们都能感受到辐射热。通过控制辐射热来调节建筑物温度是一种常见的做法。大多数建筑物都使用窗帘遮挡阳光，许多建筑物将屋顶和墙壁漆成白色以反射阳光。

“如果我们看看希腊的圣托里尼岛或印度的焦特布尔等历史名城，就会发现通过让屋顶和墙壁反射阳光来给建筑物降温的做法已经实行了几个世纪，”加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系副教授、研究员阿斯瓦斯·拉曼(AaswathRaman)表示。“近年来，人们对反射阳光的凉爽屋顶涂层产生了浓厚的兴趣。但给墙壁和窗户降温是一项更加微妙和复杂的挑战。”

屋顶通常可以看到天空。这使得凉爽的屋顶涂层能够反射阳光，并将长波热量辐射到天空，最终辐射到太空。另一方面，墙壁和窗户大多可以看到地面和邻近的建筑物。

在炎热的天气里，它们会因为炎热的街道、人行道和附近建筑物散发的热量而变暖。这意味着，即使墙壁和窗户向天空散发热量，它们也会被地球加热得更多。在寒冷的天气里，陆地环境变得更冷，从而从墙壁和窗户中吸走热量。

热图像显示建筑物散发的热量。图片来源：Mandal等人/普林斯顿大学

研究人员意识到，解决这个问题的办法在于热量在建筑物和地面区域之间移动的方式与在建筑物和天空之间移动的方式不同。辐射热在红外光谱的狭窄部分(称为大气传输窗口)内从建筑物移动到天空，因此研究人员将其称为窄带。在地面，辐射热在整个红外光谱范围内移动，研究人员将其称为宽带。

“通过在墙壁和窗户上涂上只在大气窗口辐射或吸收热量的材料，我们可以减少夏季地面的宽带热量增加和冬季的损失，同时保持天空的冷却效果。我们认为这个想法是前所未有的，超出了传统屋顶和墙壁围护结构所能达到的范围，”曼达尔指出。

该研究结果的影响十分重大，原因有二。首先，研究人员在文章中指出，许多常见且低成本的建筑材料在窄带中辐射热量，并阻挡宽带热量。已经用作壁板材料的聚氟乙烯等材料可以用于此目的，甚至更常见的塑料也可以。

“当我们发现像聚丙烯这样的材料(我们从家用塑料中获取)可以选择性地辐射或吸收大气窗口内的热量时，我们感到非常兴奋。”拉曼指出。“这些材料近乎平凡，但同样的可扩展性使它们变得常见，这也意味着我们可以在不久的将来看到它们用于建筑物的温度调节。”

乐观的第二个原因是，该技术对建筑规模的潜在能源影响是巨大的。研究人员指出，采用该技术节省的季节性能源与将深色屋顶涂成白色的好处相当。随着全球空调成本和与高温相关的人员伤亡不断飙升，该技术可能会大有裨益。曼达尔和拉曼计划进一步开展这项研究。

“我们提出的机制是完全被动的，这使得它成为一种可持续的方式，可以随着季节变化而对建筑物进行冷却和加热，并产生未开发的能源节约，”曼达尔指出。“事实上，我们展示的机制和材料对全球南部建筑物的好处最大。因此，对于资源匮乏的社区来说，这可能是一个更公平的解决方案，尤其是当他们看到越来越多的冷却需求和与高温相关的死亡率时。”

除了Mandal和Raman，作者还包括橡树岭国家实验室的JyothisAnand、加州大学洛杉矶分校的JohnBrewer、独立研究员SagarMandal和亚利桑那州立大学的ArvindRamachandran。