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Jun 10, 2023

Temperatur

Band Nature Communications

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 4874 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Reduzierung des Heiz- und Kühlbedarfs aus fossiler Energie ist eine der größten Herausforderungen, da der Bedarf fast die Hälfte des weltweiten Energieverbrauchs ausmacht, was zu komplizierten Klima- und Umweltproblemen führt. Hier demonstrieren wir ein leistungsstarkes, intelligent automatisch umgeschaltetes und energiefreies Dual-Mode-Strahlungswärmemanagementgerät. Durch die Wahrnehmung der Temperatur zur spontanen Modulation der elektromagnetischen Eigenschaften selbst erreicht das Gerät eine durchschnittliche Heizleistung von ca. 859,8 W m² (ca. 91 % der solarthermischen Umwandlungseffizienz) bei Kälte und eine durchschnittliche Kühlleistung von ca. 126,0 W m² bei Hitze. ohne jeglichen externen Energieverbrauch während des gesamten Prozesses. Ein derart skalierbares, kostengünstiges Gerät könnte eine bidirektionale Temperaturregelung in der angenehmen Temperaturzone des menschlichen Lebens ermöglichen. Eine praktische Demonstration zeigt, dass die Temperaturschwankung im Vergleich zu Kupferplatten um ~21 K reduziert ist. Numerische Vorhersagen zeigen, dass dieses echte Nullenergie-Dual-Mode-Wärmemanagementgerät ein enormes Potenzial für ganzjährige Energieeinsparungen auf der ganzen Welt hat und eine praktikable Lösung zur Verwirklichung des Ziels von Net Zero Carbon 2050 darstellt.

Das Wärmemanagement spielt eine wichtige Rolle bei menschlichen Aktivitäten, von Millionen Kubikmetern von Menschen geschaffener Struktur1 bis hin zu integrierten Schaltkreisen im Mikro- und Nanomaßstab2 und von im Weltraum fliegenden Raumfahrzeugen3 bis hin zu bemannten Tiefsee-Tauchbooten4. Je nach Anforderung wurden verschiedene Wärmemanagementtechnologien entwickelt5,6,7. Die meisten von ihnen erreichen jedoch eine leistungsstarke Temperaturregelung auf Kosten des Energieverbrauchs, möglicherweise fossiler Energie. Berichten zufolge liegt der weltweite Gesamtprimärenergiebedarf im Jahr 2019 bei nahezu 15 Milliarden Tonnen Öläquivalent8 und fast 50 % des Energieverbrauchs werden lediglich für die tägliche Heizung und Kühlung verwendet9. Dies führt insbesondere dazu, dass sich die zunehmende Energiekrise weiter verschärft. Mit dem rasanten Anstieg der Treibhausgase, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen, kam es in den letzten Jahren weltweit immer häufiger zu extremen Wetterbedingungen wie starker Hitze und starker Kälte10. Daher ist es besonders wichtig und zwingend erforderlich, verschiedene praktikable Hochleistungs-Wärmemanagementtechnologien mit geringem oder sogar keinem Energieverbrauch zu entwickeln, die in der Lage sind, den Bedarf an fossiler Energie und den weiteren Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren.

Strahlungswärmemanagement gilt als vielversprechende Plattform zum Heizen und Kühlen ohne externen Energieverbrauch und findet immer mehr Beachtung11. Die größte Herausforderung bei der Verwirklichung dieses Ziels besteht darin, das einzigartige elektromagnetische Spektrum der Wärmemanagementmaterialien zu optimieren und die Nutzung sowohl der unerschöpflichen Strahlungswärmequelle (d. h. der Sonne, ~5800 K) als auch der kühlen Quelle (d. h. des Weltraums) zu maximieren. ~3 K) in der Natur. Insbesondere sollten die Materialien für eine ideale Solarheizung ein hohes Absorptionsvermögen im Wellenlängenbereich von 0,2–2,5 μm und ein niedriges Emissionsvermögen im Wellenlängenbereich >2,5 μm aufweisen, bestimmt durch das Sonnenlichtspektrum und das Schwarzkörperstrahlungsgesetz12. Im Gegenteil, für eine ideale Strahlungskühlung, insbesondere bei tagsüberer Strahlungskühlung unterhalb der Umgebungstemperatur, wird erwartet, dass die Materialien die Sonnenstrahlung effizient reflektieren (0,2–2,5 μm) und außerdem eine starke selektive Emission im mittleren Infrarotbereich im spezifischen Wellenlängenbereich der transparenten Atmosphäre aufweisen Fenster (8–13 μm) (Abb. 1)13. Beachten Sie, dass in einer Reihe von Studien zu Solarheizung und Strahlungskühlung getrennt/unabhängig große Anstrengungen unternommen wurden, um den wissenschaftlichen Mechanismus gründlich zu verstehen und hocheffiziente Materialien zu entwickeln14,15,16,17,18,19,20. Dennoch sind in der realen Welt fast alle Umgebungsszenarien mit der Herausforderung verbunden, dass sich die Objekte in einer recht dynamischen und variablen Umgebung befinden, einschließlich der Schwankungen der Aspekte Raum, Zeit, Tag und Jahreszeit, Temperatur usw. Das bedeutet Feste Solarheizung oder Strahlungskühlung sind beide für die dynamische Umgebung nicht vollständig geeignet. Nehmen wir als Beispiel die Solarheizung: Ungewollte Erwärmung erhöht den Energieverbrauch für die Kühlung bei Hitze und kann sogar die Energieeinsparung beim Heizen bei Kälte ausgleichen. Das Gleiche gilt für die Strahlungskühlung. Für den praktischen Einsatz ist daher ein Wärmemanagementsystem erforderlich, das über die beiden oben genannten entgegengesetzten elektromagnetischen Spektren verfügt und automatisch/intelligent in den richtigen Modus wechselt, indem es auf die dynamische Umgebung reagiert.

a Schematische Darstellung des Dual-Mode-Strahlungswärmemanagementgeräts, das je nach Temperatur zwischen Solarheizung (links) und Strahlungskühlung (rechts) wechselt. Das Dual-Mode-Gerät (oben) besteht aus drei Funktionsschichten: Strahlungskühlschicht, temperaturempfindliche Betätigungsschicht und Solarheizschicht (nicht maßstabsgetreu). b Absorptions-/Emissionsspektrum idealer Materialien zur solaren Erwärmung (rote Linie) und Strahlungskühlung (blaue Linie). Als Referenz werden das normalisierte ASTM G173 globale Sonnenspektrum (hellroter Bereich) und das transparente Infrarot-Atmosphärenfenster (US-Standard 1976, hellblauer Bereich) aufgetragen. c Netto-Wärmefluss als Funktion der Temperatur der idealen Materialien für Solarheizung (rot) und Strahlungskühlung (blau). Beachten Sie, dass der Wärmefluss durch die Wärmebilanzbeziehung (Ergänzende Anmerkung 1) basierend auf dem globalen Sonnenspektrum (ASTM G173) und dem typischen transparenten atmosphärischen Fenster (US-Standard 1976) berechnet wird. Die stationäre Temperatur des Materials wird erreicht, wenn der Nettowärmefluss Null ist. Die Wärmemanagementleistung ist der Schnittpunkt, der einer Temperaturdifferenz von Null zwischen dem Material und der Umgebung entspricht, wobei ein positiver Wärmefluss und ein negativer Wärmefluss die Heizleistung bzw. die Kühlleistung darstellen.

Bisher wurden in der Literatur mehrere Ansätze zur dynamischen Regulierung der spektralen Eigenschaften des Dual-Mode-Wärmemanagements entwickelt (Ergänzungstabelle 1)21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31 . Für den Wechsel zwischen Heiz- und Kühlmodus fallen jedoch mehr oder weniger externe Energiekosten an, beispielsweise durch die Nutzung mechanischer oder elektrischer Energie. Mit anderen Worten handelt es sich bei diesen Konstruktionen um ein Quasi-Null-Energie-Dual-Mode-Wärmemanagement, obwohl bei Solarheizung und Strahlungskühlung keine externe Energie verbraucht wird.

Hier entwickeln wir ein intelligentes, automatisch umschaltendes und energieloses Dual-Mode-Wärmemanagementgerät, das durch Wahrnehmung der Umgebungstemperatur spontan zwischen Heiz- und Kühlmodus wechseln kann. Das Nullenergie-Wärmemanagement beruht auf den beiden hochselektiven, aber unterschiedlichen elektromagnetischen Eigenschaften, die der Solarerwärmung bzw. der Strahlungskühlungsschicht entsprechen. Und der energielose Wechsel zwischen zwei verschiedenen Modi wird durch die automatische Betätigung des Geräts aufgrund der Nichtübereinstimmung der Form zwischen der Strahlungskühlschicht und der Betätigungsschicht bei Temperaturänderungen realisiert. Die Ergebnisse des Feldtests zeigen, dass das Gerät eine durchschnittliche Solarheizleistung von ~859,8 W m−2 (entspricht ~91 % solarthermischer Umwandlungseffizienz) und eine durchschnittliche Strahlungskühlleistung von jeweils ~126,0 W m−2 hat davon sind allein mit modernsten Solarheizungs- und Strahlungskühlungsmaterialien vergleichbar. Dank der hervorragenden Wärmemanagementleistung und der Möglichkeit zur automatischen Umschaltung kann das Gerät den richtigen Modus auswählen, um die besten Ergebnisse bei der Temperaturregelung zu erzielen. Die numerische Vorhersage zeigt das große Potenzial dieses Dual-Mode-Geräts im Hinblick auf die globale Energieeinsparung. Ein solches Nullenergie-Wärmemanagement könnte zur Verwirklichung des Ziels „Net Zero Carbon 2050“ beitragen.

Wie in Abb. 1a dargestellt, besteht ein Dual-Mode-Wärmemanagementgerät aus drei Funktionsschichten, die in der folgenden Reihenfolge angeordnet sind: Strahlungskühlschicht, temperaturempfindliche Betätigungsschicht und Solarheizschicht. Die Essenz der Nullenergie-Dual-Mode-Strahlungswärmemanagementstrategie basiert auf der Transformation der erforderlichen unterschiedlichen spektralen Eigenschaften mit hoher Selektivität im Temperaturkontrollsystem (Abb. 1b). Wenn ein Heizbetrieb erforderlich ist, wird die Strahlungskühlschicht automatisch auf das Maximum der unbedeckten Solarheizschicht gewickelt. Aufgrund der hohen Sonnenabsorptionsfähigkeit und des geringen Infrarotemissionsgrads der Solarheizschicht wird der Großteil der Sonnenstrahlung absorbiert und in Wärme umgewandelt, und der Wärmeverlust durch Infrarotstrahlung wird auf ein Minimum reduziert. Im Kühlmodus deckt die automatisch entfaltete Strahlungskühlschicht die Solarheizschicht vollständig ab, wobei die hohe Sonnenreflexion der Strahlungskühlschicht auf das Sonnenlicht die Sonnenabsorption so weit wie möglich reduziert und so einen Anstieg der inneren Energie durch Sonnenstrahlung verhindert. Gleichzeitig überträgt die Emission im hohen mittleren Infrarotbereich im spezifischen Wellenlängenbereich (8–13 μm) die Wärme direkt durch das transparente atmosphärische Fenster mit voller Wärmestrahlung in den Weltraum und reduziert so unerwünschte Infrarotstrahlung aus der Luft und der Umgebung. Die stationäre Temperatur eines Dual-Mode-Geräts wird durch die thermische Gleichgewichtsbeziehung zwischen vier Schlüsselkomponenten bestimmt: der absorbierten Sonnenstrahlung der Sonne (Psun), der vom Gerät abgegebenen Wärme (Pdevice) und der absorbierten Wärmestrahlung aus der Atmosphäre (Patm) und die parasitäre Wärme (Pparasitic), gekennzeichnet durch einen Wärmeübertragungskoeffizienten (hc) (Gleichung (1) und Ergänzende Anmerkung 1)14. Der Nettowärmefluss (Pnet) ist eine Funktion der Temperatur des Geräts (Tdevice).

Hier haben wir die Umgebungstemperatur (Tamb) auf 25 °C festgelegt und das universelle globale Sonnenspektrum (ASTM G173) und das typische atmosphärische Fenster (US-Standard 1976) verwendet. Wenn der Nettowärmefluss Null ist, ist die stationäre Temperatur des Geräts erreicht und die Wärmemanagementleistung (negativ steht für Kühlung, positiv für Heizung) ist der Schnittpunkt, der der Temperatur des Geräts entspricht, die der der Umgebungstemperatur entspricht ( Abb. 1c). Ersteres ist empfindlich gegenüber parasitärer Hitze. Am Beispiel des Kühlmodus nähert sich die stationäre Temperatur des Geräts allmählich der Umgebungstemperatur an (von I nach II), während der Wärmeübertragungskoeffizient zunimmt (von 0 auf 10 W m−2 K−1). Im Gegensatz zur stationären Temperatur ist die Strahlungskühlleistung unabhängig von parasitärer Wärme (III). Diese Analyse ist auch für den Heizbetrieb geeignet.

Der automatische Umschaltmechanismus basiert auf der spontanen morphologischen Anpassung des Dual-Mode-Geräts als Reaktion auf die Änderung der Umgebungstemperatur (Abb. 1a). Die Länge der Betätigungsschicht ist temperaturempfindlich, die Länge der Strahlungskühlschicht bleibt jedoch unter den gleichen Bedingungen nahezu unverändert. Bei Hitze schrumpft die Betätigungsschicht. Um die innere Spannung an der Grenzfläche zwischen der Strahlungskühlschicht und der Betätigungsschicht zu beseitigen, entfaltet sich die Strahlungskühlschicht allmählich, bis sie die Solarheizschicht zur Kühlung vollständig bedeckt. Bei Kälte reagiert die Betätigungsschicht umgekehrt, um die Solarheizschicht so weit wie möglich freizulegen. Noch wichtiger ist, dass der Stimulus, der den Wechsel der Wärmemanagementmodi auslöst, die Temperatur ist, also die physikalische Größe, die die Anforderungen des Wärmemanagements bestimmt. Dies bedeutet, dass das Dual-Mode-Gerät intelligent ist und entsprechend der Umgebungstemperatur einen geeigneten Modus auswählen kann, ohne dass während des gesamten Schaltvorgangs externe Energie verbraucht wird.

Wir fassen zusammen, dass die erfolgreiche Realisierung eines intelligenten und energiefreien Dual-Mode-Wärmemanagementgeräts drei typische Eigenschaften erfordert (Abb. 2): (a) Das Gerät sollte sowohl im Heiz- als auch im Kühlmodus ein hochselektives elektromagnetisches Spektrum aufweisen, um Dual zu erreichen -Modus mit hoher Wärmemanagementleistung. (b) Das Gerät kann zwischen Heiz- und Kühlmodus wechseln, indem es die Änderung seiner eigenen physikalisch-chemischen Eigenschaften nutzt. Dies ist ein Schlüsselfaktor für die Realisierung eines Nullenergie-Wärmemanagements. (c) Die reversible automatische Umschaltung des Wärmemanagementmodus sollte durch die Temperatur ausgelöst werden. Die Kombination dieser drei Eigenschaften würde dem Dual-Mode-Gerät nicht nur „Intelligenz“ verleihen, einen geeigneten Modus auszuwählen, indem es die Umgebung automatisch und ohne Energiezufuhr wahrnimmt, sondern auch zu einer hohen Effizienz sowohl im Heiz- als auch im Kühlmodus unseres Dual-Mode-Geräts führen Wärmemanagementgerät.

Drei Kriterien des Dual-Mode-Geräts: Dual-Mode-Wärmemanagement (Solarheizung/Strahlungskühlung), reversibler automatischer Schalter, Energieverbrauch für den Schalter.

Für das Dual-Mode-Wärmemanagement besteht ein wichtiger Aspekt der Funktionsteile im Gerät darin, unterschiedliche elektromagnetische Spektren mit hoher Selektivität zu erreichen, die für Solarheizung und Strahlungskühlung erforderlich sind. Abbildung 3a zeigt die Struktur eines Dual-Mode-Wärmemanagementgeräts. Hier haben wir eine mit Nano-Chromoxidpulvern beschichtete Aluminiumplatte (Nano-Cr-Schwarz-Al-Platte) im Design des Dual-Mode-Wärmemanagementgeräts für die Solarheizschicht eingeführt. Die gleichmäßig verteilten Nano-Chromoxidpulver wirken als Absorptions- und Spiegelmittel und sorgen für eine hohe Sonnenabsorption und eine geringe Infrarotemission (Einschub in Abb. 3a). Aufgrund von Plasmonresonanzen erfährt das Sonnenlicht in Chromoxidpulvern eine strahlungslose Dämpfung und wird weiter hocheffizient in Wärme umgewandelt12.

a Strukturdarstellung eines Dual-Mode-Wärmemanagementgeräts. Die Nano-Cr-Schwarz-Al-Platte ist der Solarkollektor mit einem elektromagnetischen Spektrum, das nahezu ideal für die Solarheizung ist. Die Funktionsschicht für die Strahlungskühlung im RC-Band besteht aus einer DOP-modifizierten PMP-Matrix und TiO2-NPs-Füllern. Die Klebeschicht gewährleistet die Integration der Schnittstelle zwischen RC-Band und temperaturempfindlichem Aktuator bei komplexen und wiederholten Verformungsprozessen. Ein Stück schmales VHB-Band, das als einziges Verbindungsteil zwischen Solarheizungs- und Strahlungskühlungsschichten verwendet wird, reserviert die maximal wirksame Fläche für das Dual-Mode-Wärmemanagement. Der Einschub des REM-Bildes zeigt, dass Nano-Chromoxidpulver gleichmäßig auf der Aluminiumplatte verteilt sind. b Optische Bilder des Dual-Mode-Geräts im Heiz- und Kühlmodus. c Querschnittsansicht eines Lichtfeldes (Größe der normalisierten elektrischen Feldkomponente des Lichts) um eine Rutil-TiO2-Kugel mit unterschiedlichen Durchmessern (d). Die Wellenlänge des einfallenden Lichts beträgt 475 nm, was der maximalen Energiedichte der Sonnenstrahlung entspricht (ASTM G173). Das elektrische Feld des einfallenden Lichts und der Wellenvektor des einfallenden Lichts werden symbolisch durch E bzw. k dargestellt. d Simulierte Streuquerschnittsspektren von TiO2-Kugeln mit unterschiedlichen Durchmessern in der PMP-Matrix. e Absorptionsvermögen/Emissivität (α/ε) des Dual-Mode-Wärmemanagementgeräts im Heiz- bzw. Kühlmodus.

Die Strahlungskühlung im Dual-Mode-Wärmemanagementgerät wird hauptsächlich durch selbst hergestelltes dehnbares Strahlungskühlband (RC-Band) mit hervorragender Leistung erreicht. Die Funktionsschicht für die Strahlungskühlung im RC-Band besteht aus mit Dioctylphthalat (DOP) modifiziertem Poly(4-methyl-1-penten) (PMP), das Rutil-Titandioxid-Nanopartikel (TiO2-NPs) einkapselt (ergänzende Abbildung 1). PMP ist ein ausgezeichnetes solartransparentes Polymer mit einem wellenlängenunabhängigen Brechungsindex von 1,46 vom sichtbaren bis zum nahen Infrarotbereich (ergänzende Abbildung 2), während der Brechungsindex von Rutil-TiO2-NPs viel höher ist (>2,39) als der von PMP32. Der große Unterschied im Brechungsindex ist eine Voraussetzung für Mehrfachstreuung und interne Reflexion in der Verbundmatrix. Wie durch die Finite-Differenz-Zeitdomänensimulation (FDTD) bestätigt, sind die kleineren TiO2-NPs besser in der Lage, einfallendes Licht umzuleiten (Abb. 3c). Andererseits zeigt die Streuzentrumswellenlänge einen Rotverschiebungstrend mit zunehmendem Durchmesser der TiO2-NPs (Abb. 3d). Als Streuzentrum mit hohem Brechungsindex können TiO2-NPs mit breiter Größenverteilung aufgrund der kollektiven Wirkung mehrerer Mie-Resonanzen den erforderlichen Streuwellenlängenbereich erzeugen, der die gesamte Sonnenstrahlung abdeckt (Abb. 3d und ergänzende Abb. 3). Darüber hinaus sorgen große Mengen an Infrarotabsorptionsspitzen aus verschiedenen charakteristischen Bindungen in DOP-modifiziertem PMP, TiO2-NPs, Klebstoff und sogar Formgedächtnispolymer (Materialien für temperaturempfindliche Betätigungsschichten) für ausreichend Infrarotstrahlung, um Wärme in den Weltraum zu übertragen ( Ergänzende Abbildung 4). Das optimierte RC-Band kann mehr als 90 % der Sonnenstrahlung reflektieren und weist im mittleren Infrarot-Atmosphärenfenster (8–13 μm) ein hohes Absorptions-/Emissionsvermögen von etwa 96 % auf (ergänzende Abbildung 4).

Die mit Nano-Cr schwarz beschichtete Al-Platte ist schwarz, um Sonnenlicht zu absorbieren, und das RC-Band ist glänzend weiß, um Sonnenlicht zu reflektieren. Davon profitiert, zeigt das Gerät einen drastischen Unterschied im optischen Erscheinungsbild zwischen Heiz- und Kühlmodus (Abb. 3b). Wie in Abb. 3e dargestellt, kann das Gerät im Heizmodus ca. 91 % der Sonnenstrahlung absorbieren und es gibt fast keine Emission im mittleren Infrarotbereich (ca. 8 %) im Wellenlängenbereich von 8–13 μm. Ein derart großer Unterschied in den spektralen Eigenschaften des Geräts in den beiden Modi bildet die Grundlage für das intelligente Dual-Mode-Wärmemanagementgerät mit Nullenergie (ergänzende Abbildung 5).

Um ein solch intelligentes und automatisches Dual-Mode-Wärmemanagementgerät vollständig zu realisieren, muss das Gerät über einen automatischen Umschaltmechanismus verfügen. Dies wird durch einen temperaturgesteuerten intelligenten automatischen Schalter erreicht, der eine temperaturempfindliche Schicht mit reversiblem Formgedächtnis verwendet, die zwischen den Heiz- und Kühlschichten liegt. Der Kernmechanismus dieser Betätigung besteht darin, die innere Spannung an der Grenzfläche zwischen der Strahlungskühlschicht und der Betätigungsschicht während der reversiblen Formentwicklung der Betätigungsschicht mit der Temperatur zu minimieren. Dabei ist das Zwei-Wege-Formgedächtnispolymer (2 W SMP) das Schlüsselmaterial für die Realisierung eines temperaturgesteuerten intelligenten Schalters, der einfach durch eine einstufige Veresterungsreaktion von drei Monomeren (Polytetrahydrofuran (PTHF), Polycaprolacton (PCL)) synthetisiert werden kann ) und Hexamethylendiisocyanat (HDI)) an einem Katalysator (Dibutylzinndilaurat (DBTDL)) mit nahezu 100 % Ausbeute (Ergänzende Abbildung 6). Das Auftreten einer typischen Urethangruppe im Reaktionsprodukt bestätigt die erfolgreiche Synthese des Polyurethan-Präpolymers (ergänzende Abbildung 7). Das Reaktionsprodukt wird dann direkt in eine Petrischale aus Edelstahl überführt, um das Lösungsmittel bei Raumtemperatur vollständig zu verdampfen und so den erforderlichen 2-W-SMP-Film für die spätere weitere Vorbereitung der Betätigungsschicht zu erhalten.

Die temperaturgesteuerte reversible Formgedächtnisleistung wird nach einem Programmiervorgang erreicht (ergänzende Abbildung 8). Während der Heiz-Kühl-Zyklen kommt es erwartungsgemäß zu einer spontanen und reversiblen Längenverschiebung zwischen Schrumpfung und Dehnung, die durch den reversiblen Schmelz-Kristallisationsprozess von Teilsegmenten im Polymer verursacht wird (Abb. 4a). Bemerkenswerterweise schrumpft das programmierte 2-W-SMP in Streckrichtung beim Erhitzen und dehnt sich beim Abkühlen aus. Ein dichtes Laminat könnte gebildet werden, indem man im Schrumpfzustand ein Stück gleichgroßes RC-Band an das programmierte 2-W-SMP anbringt. Aufgrund des großen Längenunterschieds entlang der Programmierrichtung zwischen RC-Band und programmiertem 2-W-SMP, der durch das abnormale Schrumpfverhalten des programmierten 2-W-SMP verursacht wird, könnte sich das Laminat beim Abkühlen zur Seite des RC-Bandes biegen. Wie in Abb. 4b dargestellt, entfaltet sich das gewickelte Laminat mit zunehmender Temperatur allmählich, bis es vollständig flach ist. Bemerkenswert ist, dass sich der Biegewinkel beim Erhitzen langsam verringert. Sobald die Temperatur höher als die Auslösetemperatur ist, nimmt der Biegewinkel stark ab. Diese scharfe Winkeländerung wird durch das Schmelzen der teilweisen Kristallstruktur im programmierten 2-W-SMP bestimmt (Abb. 4a). Dadurch wird sichergestellt, dass das RC-Tape-2W-SMP-Laminat bei niedriger Temperatur im aufgerollten Zustand bleibt, wenn eine Erwärmung erforderlich ist, und im entfalteten Zustand bei hoher Temperatur, wenn eine Kühlung erforderlich ist, ohne übermäßige Biegung zur programmierten 2-W-SMP-Seite, wodurch die vorgesehene automatische und temperaturgesteuerte Umschaltung erreicht wird. Während eines Heiz-Kühl-Zyklus besteht eine Hysterese des Biegewinkels, die sich aus der Differenz zwischen der Schmelztemperatur und der Kristallisationstemperatur des programmierten 2-W-SMP ergibt. Die Auslösetemperatur des RC-Band-2W-SMP-Laminats könnte durch das Molekulargewicht (Mw) der PCL-Monomere entsprechend den Anforderungen des praktischen Szenarios angepasst werden (ergänzende Abbildungen 9 und 10). Für PCL mit Mw = 10.000 liegt die Auslösetemperatur im Bereich von 23–24 °C, etwa in der angenehmen Temperaturzone für das menschliche Leben (Abb. 4b). Darüber hinaus weist das RC-Tape-2W-SMP-Laminat eine hervorragende Zyklenfähigkeit bei wiederholten Heiz- und Kühlprozessen auf, was auf eine gute Stabilität im Langzeitbetrieb hinweist (Zusatzfilm 1 und Zusatzabbildung 11).

a Röntgenbeugungsspektren von programmiertem 2-W-SMP im Heiz- bzw. Kühlmodus. b Biegeverformungsleistung des RC-Tape-2W-SMP-Laminats als Funktion der Temperatur der Heizplatte. Das Molekulargewicht des PCL-Monomers beträgt 10.000. Der Einschub der optischen Bilder zeigt, dass sich das RC-Band-2W-SMP bei niedriger Temperatur im aufgerollten Zustand und bei hoher Temperatur im entfalteten Zustand befindet. c Reversible Biegeverformung des RC-Tape-2W-SMP-Filmarrays im Dual-Mode-Gerät als Funktion der Anzahl der Zyklen zwischen Heiz- und Kühlmodus.

Anschließend werden mehrere RC-Tape-2W-SMP-Laminate nebeneinander platziert und miteinander verbunden, um einen großformatigen Film zu bilden, der genau die Nano-Cr-Schwarz-Al-Platte bedeckt (Ergänzende Anmerkung 2 und ergänzende Abbildung 21). Ein Stück schmales VHB-Band als einziges Verbindungsstück zwischen Solarheizungs- und Strahlungskühlungsschichten reserviert die maximal wirksame Fläche für das Dual-Mode-Wärmemanagement. Wir haben auch die Robustheit des Dual-Mode-Geräts demonstriert, das wiederholt zwischen Heiz- und Kühlmodus wechselt (Abb. 4c). Kurz gesagt, die reversible Formumwandlung des RC-Tape-2W-SMP-Laminats ermöglicht den maximalen Prozentsatz der aktiven Fläche im Dual-Mode-Gerät, was dazu beiträgt, den besten Effekt des Wärmemanagements im Heiz- bzw. Kühlmodus zu erzielen. Und der temperaturempfindliche Auslösemechanismus ermöglicht es Dual-Mode-Geräten, intelligent und frei zwischen zwei Wärmemanagementmodi zu wechseln, ohne dass externer Energieverbrauch erforderlich ist (Zusatzfilm 2).

Um die Arbeitseffizienz dieses Dual-Mode-Geräts sowohl für den Heiz- als auch für den Kühlmodus abzuschätzen, wurde ein auf Joule-Erwärmung basierendes Messsystem zur Überwachung des Wärmeflusses entwickelt (ergänzende Abbildung 18). Das Peltier-Gerät in Kombination mit einem Lüfter dient als stabile Kältequelle im System. Zunächst wurde ein Indoor-Experiment mit dem Sonnensimulator (AM 1.5) durchgeführt, bevor ein Feldtest im Freien durchgeführt wurde. Die Solarheizleistung und die Strahlungskühlleistung des Dual-Mode-Geräts werden über fünf Zyklen getestet (ergänzende Abbildung 19c). Bei der Solarheizung erreicht der durchschnittliche Wärmefluss eines Dual-Mode-Geräts 933,6 ± 13,7 W m−2, was nahezu mit dem theoretischen Wert eines Dual-Mode-Geräts im Heizmodus übereinstimmt, der etwa 94 % der Sonnenstrahlung entspricht (ASTM G173). ) (Abb. 3e). In ähnlicher Weise beträgt der durchschnittliche Wärmefluss bei Strahlungskühlung −94,4 ± 42,8 W m−2, was etwa 55 % des theoretischen Werts im Kühlmodus entspricht. Sowohl ein gewisser Unterschied als auch eine gewisse Schwankung können auf einen unzureichenden thermischen Kontakt zwischen der RC-Band-2W-SMP-Folie und der schwarzen Nano-Cr-Al-Platte zurückzuführen sein. Weitere Details zur theoretischen Modellberechnung sind in der Ergänzenden Anmerkung 3 beschrieben. Darüber hinaus wechselt das Dual-Mode-Gerät spontan zwischen Heiz- und Kühlmodus, indem es auf die Temperatur reagiert, ohne externen Energieverbrauch. Nach wiederholtem Umschalten, sei es im Heiz- oder Kühlmodus, weist die Wärmemanagementleistung keine offensichtliche Verschlechterung auf.

Darüber hinaus haben wir täglich ein Feldexperiment in realen Szenarien im Freien durchgeführt, um die wirklich praktische Wärmemanagementleistung in einer realen Umgebung zu testen (auf dem Campus der Nankai-Universität in Tianjin (38,99 N, 117,34 E), China) (Ergänzende Anmerkung). 5). Zum Vergleich werden zwei gleiche Systeme parallel geschaltet (Ergänzende Abbildung 18). Eine Kupferplatte (Cu) ist von unserem Dual-Mode-Gerät bedeckt, die andere ist als Kontrollgruppe mit einer gleichgroßen Aluminiumfolie (Al) bedeckt, da ihre Sonnenabsorption und Infrarotemission nahe Null liegen (ergänzende Abbildung). 13). Die Heizung im System für Dual-Mode-Geräte ist an eine Konstantstromquelle angeschlossen und die andere ist an ein Rückkopplungssteuerprogramm angeschlossen, um die Temperatur der Al-Folie auf dem gleichen Niveau wie die des Dual-Mode-Geräts zu halten (ergänzende Abbildung). . 23). In Abb. 5a sind die drei Wärmeflusskurven dargestellt, die für das Dual-Mode-Gerät der Sonnenstrahlung im Heiz- bzw. Kühlmodus aufgezeichnet wurden. Die solare Heizleistung nimmt weiter zu und erreicht bei immer stärkerer Sonneneinstrahlung nahezu 958,7 W m−2, wobei der solarthermische Echtzeit-Umwandlungswirkungsgrad immer bei etwa 91 % bleibt. Darüber hinaus erreicht die durchschnittliche Strahlungskühlleistung um die Mittagszeit 126,0 W m-2 bei normaler Sonneneinstrahlung von >850 W m-2. Unter Berücksichtigung der verringerten Umgebungswärmestrahlung und der unvermeidlichen Wärmekonvektion und -leitung (Ergänzende Anmerkung 4) stimmen die gemessenen Wärmeflussdaten von Dual-Mode-Geräten sowohl im Heiz- als auch im Kühlmodus im Freien gut mit den experimentellen Ergebnissen in Innenräumen überein. Diese Ergebnisse zeigen, dass unser Dual-Mode-Gerät sowohl im Solarheiz- als auch im Strahlungskühlmodus wiederholt eine recht hocheffiziente Wärmemanagementleistung erzielen und je nach Temperatur automatisch zwischen diesen umschalten kann. Während des gesamten Prozesses, einschließlich Arbeiten und Schalten, ist keine externe Energie erforderlich. Das Dual-Mode-Gerät kann zu verschiedenen Jahreszeiten im gesamten Jahr in der realen Welt eingesetzt werden. Soweit wir wissen, wurde das Design dieses Dual-Mode-Wärmemanagementgeräts mit diesen Funktionen in Kombination, einschließlich zweier Wärmemanagementmodi, Null-Energieverbrauch und intelligenter und freier Umschaltung, in der Literatur nicht beschrieben (Ergänzungstabelle 1). ).

a Kontinuierliche zeitaufgelöste solare Heizleistung (rote Linie) und Strahlungskühlleistung (blaue Linie), gemessen im Feldtest. Der solarthermische Umwandlungswirkungsgrad (ηsolarthermisch) schwankt je nach Echtzeit-Sonneneinstrahlung (orangefarbene Linie) um etwa 91 % (rote gestrichelte Linie). b Modellierte monatliche Gesamtenergieeinsparung eines Dual-Mode-Geräts im Heiz- (rot) und Kühlmodus (blau) in Tianjin für ein Jahr und eine ganzjährige Energieeinsparung (grün). Als kritische Temperatur für die Aufteilung des Heiz- und Kühlmodus wird ein Wert von 17 °C angenommen, was in etwa der Durchschnittstemperatur Pekings im Frühjahr und Herbst entspricht. Heizbetrieb: Januar–April, Oktober–Dezember. Kühlmodus: Mai–September. c, d Die Auswirkungen des solaren Absorptionsvermögens (αsolar) und des Infrarotemissionsvermögens (εinfrared) auf (c) Heizenergieeinsparung im Januar und (d) Kühlenergieeinsparung im Juli in Tianjin. Das solare Absorptionsvermögen mit dem entsprechenden Infrarotemissionsgrad des Dual-Mode-Geräts (Stern) wird mit denen eines auf Temperatur reagierenden Geräts (dotiertes Vanadiumdioxid (VO2), Quadrat; Hydrogel, Kreis; Phasenwechselpolymer, Dreieck; andere Materialien, Sechseck) in der Literatur. e Modellierte Energiesparkarte (Kreisradius) für einige Städte mit Dual-Mode-Gerät im Heizmodus (roter Kreis) oder Kühlmodus (blauer Kreis) im Januar. f Echtzeit-Temperaturunterschied (ΔT = Tsample − TCu-Platte) eines Dual-Mode-Geräts (Tsample, schwarze Linie) im Vergleich zu einer 200 μm dicken Cu-Platte (TCu-Platte, blaue gestrichelte Linie) unter Sonneneinstrahlung (Isun, orange Linie). ). Während die Joule-Heizleistung wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, schaltet das Dual-Mode-Gerät durch Wahrnehmung der Temperatur zwischen Kühlmodus und Heizmodus um.

Basierend auf historischen meteorologischen Daten haben wir die monatlich erzeugte Wärme und Kälte des Dual-Mode-Geräts im Heiz- bzw. Kühlmodus berechnet, um die potenziellen Auswirkungen des Dual-Mode-Geräts auf die Energieeinsparung quantitativ vorherzusagen (Ergänzende Anmerkung 6). Aufgrund der periodischen Änderung der relativen Position zwischen Erde und Sonne weisen die Heiz- und Kühlleistungen des Dual-Mode-Geräts in verschiedenen Monaten eine gewisse Regelmäßigkeit auf. Am Beispiel von Tianjin, einer typischen Stadt mit kontinentalem Monsunklima, steigen die gesamte Sonneneinstrahlung und die Durchschnittstemperatur innerhalb eines Jahres zunächst an und nehmen dann gemeinsam ab (Abb. 5b und Ergänzungstabelle 2). Selbst im kälteren Winter ist das Dual-Mode-Gerät dank seines hohen solarthermischen Umwandlungswirkungsgrads immer noch in der Lage, beträchtliche Wärme (>0,15 GJ m−2) zu erzeugen, obwohl die gesamte Sonneneinstrahlung sehr gering ist. Die Kühlleistung wird hauptsächlich von der Temperatur bestimmt, weniger von der Sonneneinstrahlung. Der Spitzenwert erreicht 0,24 GJ m−2 im Juli und August, was genau dem heißen Sommer entspricht. Die ganzjährig kumulierte Energieeinsparung beträgt prognostiziert mehr als 2,9 GJ m−2. Die maximale Energieeinsparung beim Heizen im Januar erfolgt bei αsolar = 100 % und εinfrarot = 0 %, diejenige beim Kühlen im Juli bei αsolar = 0 % und εinfrarot = 100 % (Abb. 5c, d). Es stimmt gut mit unseren vorgeschlagenen zwei idealen hochselektiven elektromagnetischen Spektren überein (Abb. 1b). Im Vergleich zu temperaturabhängigen Wärmemanagementgeräten (einschließlich Fenstern und Beschichtungen), über die in der Literatur30, 33, 34, 35, 36, 37, 38 berichtet wird, könnte unser Dual-Mode-Gerät 91 % des solaren Absorptionsvermögens und 8 % des Infrarot-Emissionsvermögens erreichen zum Heizen und 90 % des Sonnenreflexionsvermögens und 97 % des Infrarotemissionsvermögens zum Kühlen, was den idealen elektromagnetischen Spektren sehr nahe kommt. Diese große Verbesserung der spektralen Selektivität versetzt unser Gerät in einen anderen Betriebsbereich und setzt neue Maßstäbe für das Dual-Mode-Strahlungswärmemanagement. Einige Städte wurden ausgewählt, um typische terrestrische Klimazonen auf der ganzen Welt darzustellen (Ergänzungsabbildung 25 und Ergänzungstabelle 3). Es zeigt sich, dass das Dual-Mode-Gerät in fast allen Klimazonen, egal ob im Heizbetrieb oder im Kühlbetrieb, erhebliche Energiespareffekte erzielt. Wir gingen davon aus, dass die Temperaturverteilung zwischen Heiz- und Kühlmodus 17 °C beträgt, was ungefähr der Durchschnittstemperatur Pekings im Frühling und Herbst entspricht. Die entsprechende Energiesparkarte ist in Abb. 5e dargestellt. Im Januar ist das Wetter in den meisten Gebieten nördlich des Wendekreises des Krebses kalt und das Dual-Mode-Gerät arbeitet im Heizmodus. Generell gilt: Je näher am Wendekreis des Krebses, desto mehr Heizenergie kann durch die solarthermische Umwandlung von Dual-Mode-Geräten eingespart werden. Dies steht im Einklang mit der Änderung der Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit vom Breitengrad. Im Gegensatz dazu ist das Wetter im Januar in den meisten Gebieten südlich des Wendekreises des Krebses warm oder sogar heiß. Das Dual-Mode-Gerät im Kühlmodus erzielt einen guten Effekt der Energieeinsparung für die Kühlung, insbesondere in der Gegend in der Nähe des Wendekreises des Steinbocks, wo es im Sommer ist. Die obige Analyse beschreibt das große Potenzial des Dual-Mode-Geräts im Hinblick auf globales Wärmemanagement und Energieeinsparung.

Eine Echtzeitdemonstration der leistungsstarken Temperaturregelung durch das Dual-Mode-Gerät im Außenbereich ist in Abb. 5f dargestellt. Beim abwechselnden Anlegen und Entfernen einer konstanten Joule-Heizleistung schaltet das Dual-Mode-Gerät spontan zwischen Kühlmodus und Heizmodus um, indem es die Temperatur wahrnimmt (ergänzende Abbildung 27). Als Kontrollgruppe dient eine blanke Cu-Platte mit einem nahezu unveränderlichen elektromagnetischen Spektrum. Wie erwartet liegt die vom Dual-Mode-Gerät bedeckte Cu-Platte im Heizmodus offensichtlich ~6 K höher als die blanke Platte unter der Sonneneinstrahlung, wenn es kühl ist. Und wenn es heiß ist, wird durch das Dual-Mode-Gerät im Kühlmodus eine Temperaturreduzierung von nahezu 15 K realisiert. Selbst in dunkler Nacht könnte das Dual-Mode-Gerät aufgrund der geringen Infrarotemission im Heizmodus Wärme speichern und im Kühlmodus dennoch effizient Kühlung erzeugen (ergänzende Abbildung 28). Eine Reduzierung der Temperaturschwankungen um insgesamt ~21 K zeigt deutlich und visuell die Fähigkeit, die Temperatur für das Dual-Mode-Gerät zu steuern.

Zusammenfassend haben wir über ein intelligentes und energiefreies Dual-Mode-Strahlungswärmemanagementgerät mit zwei Sätzen spektraler Eigenschaften berichtet, die den idealen Spektren für Solarheizung und Strahlungskühlung nahekommen und je nach Umgebung automatisch in den richtigen Modus wechseln können Temperatur. In der realen Welt kann das Gerät bei Kälte eine durchschnittliche Heizleistung von ~859,8 W m−2 (entspricht einem durchschnittlichen Wirkungsgrad der solarthermischen Umwandlung von ~91 %) und bei Hitze eine durchschnittliche Kühlleistung von ~126,0 W m−2 erreichen , weil es zwei verschiedene spektrale Eigenschaften mit hoher Selektivität aufweist. Dank des temperaturgesteuerten reversiblen automatischen Schalters kann das Gerät intelligent einen geeigneten Modus auswählen, um die besten Ergebnisse bei der Temperaturregelung zu erzielen. Dieses Design eines Dual-Mode-Geräts maximiert den Nullenergievorteil der Solarheizung und Strahlungskühlung beim Wärmemanagement, über den unseres Wissens in der Literatur nicht berichtet wurde.

Als Nullenergie-Design nutzt das Dual-Mode-Wärmemanagementgerät die erneuerbaren Energien in der Natur, Sonnenwärme und Weltraumkälte voll aus und eignet sich daher sehr gut für offene Bereiche, wie z. B. Dächer großer Gebäude. Die erzeugte Wärmeenergie könnte durch die Anordnung einer großen Anzahl von Geräten auf dem Dach als direkte Quelle für die Regelung der Raumtemperatur genutzt werden. Dies ist jedoch eine Wahl mit geringem Wirkungsgrad und kann die Temperatur nur dort regulieren, wo sich der Raum in der Nähe des Daches befindet. Den berichteten Studien zufolge wird die Anwendung des Strahlungswärmemanagements zur anfänglichen Temperaturkontrolle von Wärmeübertragungsflüssigkeiten in aktiven Wärmemanagementsystemen die Effizienz bei der Nutzung von Wärmeenergie erheblich verbessern. Im Allgemeinen stellt diese Idee einen Ansatz auf Systemebene für die Erzeugung und Effizienz erneuerbarer Energien in der Zukunft dar. Was ein einzelnes Gerät betrifft, hat die Frage, wie sich dessen Wärmemanagementleistung und Witterungsbeständigkeit im realen Szenario weiter verbessern lässt, oberste Priorität. Ein solches echtes Nullenergie-Dual-Mode-Gerät hätte jedoch ein großes und praktisches Potenzial für das globale Wärmemanagement und die Energieeinsparung und bietet eine erneuerbare Nullenergieplattform zur Verwirklichung des Ziels von Net Zero Carbon 2050.

Strahlungskühlband (RC-Band) wurde durch Mehrfachklingenbeschichtung hergestellt. Zunächst wurden 0,5 g Poly-4-methyl-1-penten (PMP)-Partikel (Mitsui Chemicals, MX002) in 20 ml Cyclohexan-Lösungsmittel (Aladdin, AR 99,5 %) durch Rühren bei 60 °C gelöst. Dann wurden 1,355 g Rutil-Titandioxid-Nanopartikel (TiO2-NPs) (Shanghai Yaoyi Alloy Material Co. Ltd) und 0,148 g Dioctylphthalat (DOP) (Aladdin, AR 99,0 %) im Verhältnis durch Spitzenultraschall (500) mit der PMP-Lösung gemischt W, 30 Min.), um eine Vorläuferlösung herzustellen. Die PMP-DOP-TiO2-Lösung wurde mit einer Rakel auf ein sauberes Edelstahlsubstrat aufgetragen, um einen gleichmäßigen Flüssigkeitsfilm zwischen zwei transparenten Klebebandabstandshaltern herzustellen, der sofort auf eine 80 °C-Heizplatte gelegt wird, um das Lösungsmittel schnell zu verdampfen. Die Dicke des RC-Bandes (75 μm) wurde durch die wiederholte Anzahl von Rakelbeschichtungs- und Trocknungsprozessen bestimmt. Wasserlöslicher Kleber (Wen Ding Adhesive Co. Ltd, Nr. 803) wurde mit einer Rakel auf den so vorbereiteten Verbundfilm aufgetragen, um die Klebeschicht zu bilden. Nach dem Erhitzen auf 80 °C zur Entfernung des restlichen Lösungsmittels ließ sich das RC-Band leicht vom Substrat entfernen. Die RC-Bandfolie kann auf die gewünschte Form zugeschnitten und zu verschiedenen Produkten verarbeitet werden.

Zweiwege-Formgedächtnispolymer (2 W SMP) wurde durch Veresterungsreaktionen zwischen Monomeren auf dem Katalysator synthetisiert (ergänzende Abbildung 6). Zunächst wurden Polytetrahydrofuran (PTHF, durchschnittliches Mw = 2900, Sigma-Aldrich) und Polycaprolacton (PCL, durchschnittliches Mw = 10.000/36.000, Aladdin) (oder Polycaprolactondiol (PCL-Diol, durchschnittliches Mw = 2000, Aladdin)) vollständig gelöst in Trichlormethan (CHCl3, AR, Tianjin Bohua Chemical Reagents Co., Ltd) im Verhältnis durch Rühren bei Raumtemperatur. Anschließend wurden der Lösung nacheinander Hexamethylendiisocyanat (HDI, 99 %, Aladdin) und Dibutylzinndilaurat (DBTDL, 95 %, Aladdin) zugesetzt und die Lösung 3,5 Stunden lang konstant bei Raumtemperatur gerührt. Das Molverhältnis der drei Monomere (nPTHF:nPCL:nHDI) betrug 9:1:20. Die Menge an DBTDL-Katalysator betrug 1 % des Gesamtgewichts der drei Monomere. Während des Prozesses polymerisierten die Monomere allmählich und bildeten ein 2-W-SMP. Das Produkt für die Veresterungsreaktion wurde in eine horizontale Petrischale aus Edelstahl gegossen. Nach vollständiger Verflüchtigung des Lösungsmittels bei Raumtemperatur befand sich am Boden der Petrischale ein 2-W-SMP-Film, der je nach Bedarf weiter in jede beliebige Form geschnitten werden kann.

Als Beispiel wurde 2 W SMP ausgewählt, das durch PCL-ähnliches Monomer mit einem Molekulargewicht von 36.000 synthetisiert wurde. Ein so vorbereiteter 2-W-SMP-Streifen wurde bei 90 °C (Programmiertemperatur) auf das Fünffache seiner Länge gedehnt und bis zum Abkühlen auf Raumtemperatur (niedrige Temperatur) fixiert. Anschließend schrumpfte der gestreckte 2-W-SMP-Streifen entlang der Streckrichtung bei 55 °C (hohe Temperatur) bis zu einem bestimmten Grad, um die Programmierbehandlung abzuschließen. Ein Stück gleichgroßes RC-Band wurde bei 55 °C am programmierten 2-W-SMP-Streifen befestigt. Dieses RC-Tape-2W-SMP-Laminat wurde bei Raumtemperatur aufgerollt und bei 55 °C entfaltet. Mehrere RC-Tape-2W-SMP-Laminate wurden bei 55 °C nebeneinander platziert und mit einigen schmalen transparenten Klebebandstücken zu einem deutlich dimensionierten Film zusammengefügt. Dieser Film wurde mit einem Stück schmalem VHB-Klebeband auf einer Aluminiumplatte gleicher Größe befestigt, die mit Nano-Chromoxidpulvern (Nano-Cr-Schwarz-Al-Platte, KNEAR) beschichtet war, um ein Dual-Mode-Gerät herzustellen (Abb. 3a).

Der Reflexionsgrad (R) des Dual-Mode-Geräts in verschiedenen Modi wurde mit einem Spektrophotometer für ultraviolettes, sichtbares und nahes Infrarot (UV-NIR) (Agilent, Cary 5000) mit einer Ulbrichtkugel und einem Fourier-Transformations-Infrarot (FT) gemessen -IR)-Spektrometer (Perkin Elmer, Frontier Optica) mit einer Ulbrichtkugel [PIKE, MCT Mid-IR Integrated sphere]. Die Absorption/Emission (α/ε) wurde unter Verwendung von 100 %-R (0 % Durchlässigkeit, bestimmt durch Al-Platte) berechnet. Die Oberflächenmorphologie wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (JEOL, JSM-7800) beobachtet. Röntgenbeugungsdaten wurden mit einem Röntgenpulverbeugungsgerät (Rigaku Smart Lab SE) ermittelt.

Ergänzende Abbildung 18 zeigt die Vorrichtung zur quantitativen Schätzung der Fähigkeit zum Wärmemanagement einschließlich Solarheizung und Strahlungskühlung. Von oben nach unten handelt es sich um ein Dual-Mode-Gerät, eine Kupferplatte (Cu) (Länge: 40 mm, Breite: 40 mm, Dicke: 0,2 mm), eine Heizung, ein Peltier-Gerät und einen Lüfter. Doppelseitiges Klebeband sorgt für eine gute mechanische Stabilität zwischen dem Dual-Mode-Gerät, der Cu-Platte, der Heizung, dem Peltier-Gerät und dem Lüfter. Am Lüfter ist ein mit Aluminiumfolie (Al) beschichtetes PET mit einer quadratischen Öffnung von 40 mm × 40 mm in der Mitte angebracht, um eine Verschlechterung der Fähigkeit zur Wärmeableitung durch Sonneneinstrahlung zu vermeiden. Das Indoor-Experiment wurde mit dem Sonnensimulator (AM 1.5) durchgeführt. Während des gesamten Experiments wurde das funktionierende Peltier-Gerät in Kombination mit dem Ventilator als stabile Kältequelle im Gerät verwendet. Unter simuliertem Sonnenlicht wurde eine konstante Joule-Heizleistung abwechselnd ein- und ausgeschaltet, was zu einer automatischen Umschaltung zwischen Kühlmodus und Heizmodus für das Dual-Mode-Gerät führte. Anschließend regelte die mit einem PID-Programm (Proportional-Integration-Differenzierung) verbundene Heizung im Dunkeln das Dual-Mode-Gerät auf die gleiche Temperatur wie bei simuliertem Sonnenlicht, einschließlich Heiz- und Kühlmodus. Die stationäre Temperatur des Dual-Mode-Geräts im Dunkeln stimmte unabhängig von den Heiz- und Kühlmodi gut mit der unter simuliertem Sonnenlicht überein (ergänzende Abbildung 19a). Der Unterschied der Joule-Heizleistung zwischen zwei Szenen war die entsprechende Solarheizleistung (positiver Wärmefluss) und die Strahlungskühlleistung (negativer Wärmefluss) unter simuliertem Sonnenlicht (ergänzende Abbildung 19b). Die Umgebungstemperatur war während des gesamten Versuchsprozesses relativ konstant. Um die Wärmemanagementleistung des Geräts in zwei Modi abzuschätzen, haben wir 2 W SMP mit höherer Übergangstemperatur gewählt (synthetisiert durch PCL-ähnliches Monomer mit einem Molekulargewicht von 36.000 statt 10.000).

Die Vorrichtung zur Messung der solaren Heizleistung (positiver Wärmefluss) und der Strahlungskühlleistung (negativer Wärmefluss) ist die gleiche wie in den simulierten Szenen. Um Wärmeflussdaten in Echtzeit aufzuzeichnen, wurden die beiden gleichen Geräte parallel geschaltet. Eine Cu-Platte war mit einem Dual-Mode-Gerät bedeckt, die andere war aufgrund ihrer starken Reflexion für Sonnenstrahlung und Infrarotstrahlung als Kontrollgruppe mit einer gleichgroßen Al-Folie bedeckt (ergänzende Abbildung 13). Die Heizung in der Vorrichtung für das Dual-Mode-Gerät war mit einer Konstantstromquelle verbunden, und die andere war mit einem rückkopplungsgesteuerten Heizsystem verbunden, um die Temperatur der Al-Folie immer auf der gleichen Temperatur wie die des Dual-Mode-Geräts zu halten. Da Al-Folie eine geringe Sonnenabsorption aufweist (das gewichtete durchschnittliche Sonnenabsorptionsvermögen von ~6,5 %, geschätzt aus dem simulierten Spektrum (ergänzende Abbildung 13)), sollte der Wärmefluss (Φq) auf der Grundlage dieser zusätzlichen solarthermischen Umwandlung kalibriert werden. Solare Heizleistung (positiver Wärmefluss) oder Strahlungskühlleistung (negativer Wärmefluss) wird berechnet durch \({\varPhi }_{q}={P}_{Al}-{P}_{Gerät}+{\alpha }_{Al}{I}_{sun}\), wobei PAl die Joulesche Heizleistung pro Fläche ist, die auf die Al-Folie aufgetragen wird, Pdevice die Joulesche Heizleistung pro Fläche, die auf das Gerät aufgetragen wird, αAl das gewichtete durchschnittliche Sonnenabsorptionsvermögen der Al-Folie und Isun ist die Intensität der Sonnenstrahlung. Bei der Solarheizung arbeiteten Peltier-Geräte und damit kombinierte Ventilatoren unter den gleichen Bedingungen, um eine niedrigere Temperatur aufrechtzuerhalten, wodurch das Dual-Mode-Gerät in den Heizmodus versetzt wird. Zur Strahlungskühlung befanden sich Peltier-Geräte und Ventilatoren noch im betriebsbereiten Zustand. Durch die Heizung wurde eine entsprechende konstante Joule-Heizleistung an das Dual-Mode-Gerät angelegt, um das Gerät in den Kühlmodus umzuschalten. In der Nähe des Geräts wurde eine Wetterstation platziert, um die Wetterbedingungen am Teststandort aufzuzeichnen. Da das Experiment im Sommer durchgeführt wurde und die Umgebungstemperatur während des gesamten experimentellen Prozesses relativ konstant war, wählten wir 2 W SMP mit höherer Übergangstemperatur (synthetisiert durch PCL-ähnliches Monomer mit einem Molekulargewicht von 36.000 statt 10.000), um Dual- zu zeigen. Modus Wärmemanagementleistung.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wird vom National Key R&D Program of China (2020YFA0711500 (RM) und 2020YFA0711501 (RM)) und der National Natural Science Foundation of China (51973095 (RM) und 52011540401 (RM)) unterstützt.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Quan Zhang, Yiwen Lv.

School of Materials Science and Engineering, National Institute for Advanced Materials, Nankai University, Tongyan Road 38, Tianjin, 300350, VR China

Quan Zhang, Yiwen Lv, Yufeng Wang, Shixiong Yu und Rujun Ma

Staatliches Schlüssellabor und Institut für elementoorganische Chemie, Zentrum für Nanoskalenwissenschaft und -technologie und Schlüssellabor für funktionelle Polymermaterialien, College of Chemistry, Nankai University, Tianjin, 300071, VR China

Chenxi Li & Yongsheng Chen

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QZ, RM und YC konzipierten und gestalteten die Experimente; QZ bereitete ein RC-Band vor und führte die Simulation von FDTD durch; QZ, YL und YW synthetisierten 2 W SMP und bereiteten einen RC-Tape-2W SMP-Film vor; QZ, YL, YW und SY stellten den Versuchsaufbau her und führten die Messungen durch; QZ, YL, YW, SY, CL, RM und YC analysierten und interpretierten die Daten; Das Manuskript wurde hauptsächlich von QZ, YL, RM und YC erstellt und alle Autoren beteiligten sich an der Manuskripterstellung und kommentierten das Manuskript. RM und YC überwachten die Arbeiten.

Korrespondenz mit Rujun Ma oder Yongsheng Chen.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt Anna Marszal-Pomianowska und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, Q., Lv, Y., Wang, Y. et al. Temperaturabhängiges Dual-Mode-Wärmemanagementgerät mit Netto-Nullenergie für ganzjährige Energieeinsparung. Nat Commun 13, 4874 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32528-1

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Eingegangen: 08. März 2022

Angenommen: 04. August 2022

Veröffentlicht: 19. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32528-1

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